輸直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.齒輪齒條裝置

通常,齒條是固定不動(dòng)的，當(dāng)齒輪傳動(dòng)時(shí),齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運(yùn)動(dòng),這樣,齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)換成為拖板的直線運(yùn)動(dòng),如圖1所示。拖板是由導(dǎo)桿或?qū)к壷С械?。該裝置的回差較大。

圖1齒輪齒條裝置

2.普通絲杠

普通絲杠驅(qū)動(dòng)是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的精密絲杠驅(qū)動(dòng)一個(gè)螺母沿絲杠軸向移動(dòng)。由于普通絲杠的摩擦力較大,效率低,慣性大,在低速時(shí)容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象,而且精度低,回差大,因此在機(jī)器人上很少采用。

3.滾珠絲杠

在機(jī)器人上經(jīng)常采用滾珠絲杠,這是因?yàn)闈L珠絲杠的摩擦力很小且運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度快。由于滾珠絲杠在絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠,傳動(dòng)過(guò)程中所受的摩擦力是滾動(dòng)摩擦,可極大地減小摩擦力,因此傳動(dòng)效率高,消除了低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的爬行現(xiàn)象。在裝配時(shí)施加一定的預(yù)緊力,可消除回差。

如圖2所示,滾珠絲杠里的滾珠從鋼套管中出來(lái),進(jìn)入經(jīng)過(guò)研磨的導(dǎo)槽,轉(zhuǎn)動(dòng)2～3圈以后,返回鋼套管。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率可以達(dá)到90%,所以只需要使用極小的驅(qū)動(dòng)力,并采用較小的驅(qū)動(dòng)連接件就能夠傳遞運(yùn)動(dòng)。

圖2滾球絲杠副

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

齒輪鏈

齒輪鏈?zhǔn)怯蓛蓚€(gè)或兩個(gè)以上的齒輪組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它不但可以傳遞運(yùn)動(dòng)角位移和角速度,而且可以傳遞力和力矩?，F(xiàn)以具有兩個(gè)齒輪的齒輪鏈為例,說(shuō)明其傳動(dòng)轉(zhuǎn)換關(guān)系。其中一個(gè)齒輪裝在輸入軸上,另一個(gè)齒輪裝在輸出軸上,如圖3所示。

圖3齒輪鏈機(jī)構(gòu)

使用齒輪鏈機(jī)構(gòu)應(yīng)注意兩個(gè)問(wèn)題：

一是齒輪鏈的引入會(huì)改變系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,從而使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間減小,這樣伺服系統(tǒng)就更加容易控制。輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換到驅(qū)動(dòng)電機(jī)上,等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的下降與輸入輸出齒輪齒數(shù)的平方成正比。

二是在引入齒輪鏈的同時(shí),由于齒輪間隙誤差,將會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人手臂的定位誤差增加;而且,假如不采取一些補(bǔ)救措施,齒隙誤差還會(huì)引起伺服系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

通常，齒輪鏈轉(zhuǎn)動(dòng)有以下幾種類型，如圖4所示。

圖4常用的齒輪鏈

(a)圓柱齒輪;(b)斜齒輪;(c)錐齒輪;

(d)蝸輪蝸桿;(e)行星輪系

其中圓柱齒輪的傳動(dòng)效率約為90%，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高，圓柱齒輪在機(jī)器人設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)；斜齒輪傳動(dòng)效率約為80%，斜齒輪可以改變輸出軸方向；錐齒輪傳動(dòng)效率約為70%，錐齒輪可以使輸入軸與輸出軸不在同一個(gè)平面，傳動(dòng)效率低；蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率約為70%，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比大，傳動(dòng)平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)自鎖，但傳動(dòng)效率低，制造成本高，需要潤(rùn)滑；行星輪系傳動(dòng)效率約為80%，傳動(dòng)比大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2.同步皮帶

同步皮帶類似于工廠的風(fēng)扇皮帶和其他傳動(dòng)皮帶,所不同的是這種皮帶上具有許多型齒,它們和同樣具有型齒的同步皮帶輪齒相嚙合。

工作時(shí),它們相當(dāng)于柔軟的齒輪,具有柔性好,價(jià)格便宜兩大優(yōu)點(diǎn)。另外,同步皮帶還被用于輸入軸和輸出軸方向不一致的情況。

這時(shí),只要同步皮帶足夠長(zhǎng),使皮帶的扭角誤差不太大,則同步皮帶仍能夠正常工作。在伺服系統(tǒng)中,如果輸出軸的位置采用碼盤測(cè)量,則輸入傳動(dòng)的同步皮帶可以放在伺服環(huán)外面,這對(duì)系統(tǒng)的定位精度和重復(fù)性不會(huì)有影響,重復(fù)精度可以達(dá)到1mm以內(nèi)。此外,同步皮帶比齒輪鏈價(jià)格低得多,加工也容易得多。有時(shí),齒輪鏈和同步皮帶結(jié)合起來(lái)使用更為方便。

3.諧波齒輪

雖然諧波齒輪已問(wèn)世多年,但直到最近人們才開(kāi)始廣泛地使用它。目前,機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有60％～70％都使用諧波齒輪。

諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個(gè)主要零件組成,如圖5所示。工作時(shí),剛性齒輪固定安裝,各齒均布于圓周,具有外齒形的柔性齒輪沿剛性齒輪的內(nèi)齒轉(zhuǎn)動(dòng)。

柔性齒輪比剛性齒輪少兩個(gè)齒,所以柔性齒輪沿剛性齒輪每轉(zhuǎn)一圈就反方向轉(zhuǎn)過(guò)兩個(gè)齒的相應(yīng)轉(zhuǎn)角。諧波發(fā)生器具有橢圓形輪廓,裝在諧波發(fā)生器上的滾珠用于支承柔性齒輪,諧波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)柔性齒輪旋轉(zhuǎn)并使之發(fā)生塑性形。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),柔性齒輪的橢圓形端部只有少數(shù)齒與剛性齒輪嚙合,只有這樣,柔性齒輪才能相對(duì)于剛性齒輪自由地轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。

假設(shè)剛性齒輪有100個(gè)齒,柔性齒輪比它少2個(gè)齒,則當(dāng)諧波發(fā)生器轉(zhuǎn)50圈時(shí),柔性齒輪轉(zhuǎn)1圈,這樣只占用很小的空間就可得到1∶50的減速比。

由于同時(shí)嚙合的齒數(shù)較多,因此諧波發(fā)生器的力矩傳遞能力很強(qiáng)。在3個(gè)零件中,盡管任何2個(gè)都可以選為輸入元件和輸出元件,但通?？偸前阎C波發(fā)生器裝在輸入軸上,把柔性齒輪裝在輸出軸上,以獲得較大的齒輪減速比。

圖5諧波齒輪傳動(dòng)

直線驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的選用和制動(dòng)

1.驅(qū)動(dòng)方式的選用

在廉價(jià)的計(jì)算機(jī)問(wèn)世以前,控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主要困難之一是計(jì)算量大,所以,當(dāng)時(shí)認(rèn)為采用直線驅(qū)動(dòng)方式比較好。直流伺服電機(jī)是一種較理想的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)元件,但需要通過(guò)較昂貴的伺服功率放大器來(lái)進(jìn)行精確的控制。例如,在1970年,尚沒(méi)有可靠的大功率晶體管,需要用許多大功率晶體管并聯(lián),才能驅(qū)動(dòng)一臺(tái)大功率的伺服電機(jī)。

今天,電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制的費(fèi)用已經(jīng)大大地降低,大功率晶體管已經(jīng)廣泛使用,只需采用幾個(gè)晶體管就可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)大功率伺服電機(jī)。同樣,微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格也越來(lái)越便宜,計(jì)算機(jī)費(fèi)用在機(jī)器人總費(fèi)用中所占的比例大大降低,有些機(jī)器人在每個(gè)關(guān)節(jié)或自由度中都采用一個(gè)微處理器。

由于上述原因,許多機(jī)器人公司在制造和設(shè)計(jì)新機(jī)器人時(shí),都選用了旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。然而也有許多情況采用直線驅(qū)動(dòng)更為合適,因此，直線氣缸仍是目前所有驅(qū)動(dòng)裝置中最廉價(jià)的動(dòng)力源,凡能夠使用直線氣缸的地方,還是應(yīng)該選用它。另外，有些要求精度高的地方也要選用直線驅(qū)動(dòng)。

2.制動(dòng)器

許多機(jī)器人的機(jī)械臂都需要在各關(guān)節(jié)處安裝制動(dòng)器,其作用是:在機(jī)器人停止工作時(shí),保持機(jī)械臂的位置不變;在電源發(fā)生故障時(shí),保護(hù)機(jī)械臂和它周圍的物體不發(fā)生碰撞。

假如齒輪鏈、諧波齒輪機(jī)構(gòu)和滾珠絲杠等元件的質(zhì)量較高,一般其摩擦力都很小,在驅(qū)動(dòng)器停止工作的時(shí)候,它們是不能承受負(fù)載的。如果不采用某種外部固定裝置,如制動(dòng)器、夾緊器或止擋裝置等,一旦電源關(guān)閉,機(jī)器人的各個(gè)部件就會(huì)在重力的作用下滑落。因此,為機(jī)器人設(shè)計(jì)制動(dòng)裝置是十分必要的。

制動(dòng)器通常是按失效抱閘方式工作的,即要松開(kāi)制動(dòng)器就必須接通電源,否則,各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

這種方式的主要目的是在電源出現(xiàn)故障時(shí)起保護(hù)作用，其缺點(diǎn)是在工作期間要不斷通電使制動(dòng)器松開(kāi)。

假如需要的話，也可以采用一種省電的方法,其原理是:需要各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí),先接通電源,松開(kāi)制動(dòng)器,然后接通另一電源,驅(qū)動(dòng)一個(gè)擋銷將制動(dòng)器鎖在放松狀態(tài)。這樣，所需要的電力僅僅是把擋銷放到位所花費(fèi)的電力。

為了使關(guān)節(jié)定位準(zhǔn)確,制動(dòng)器必須有足夠的定位精度。制動(dòng)器應(yīng)當(dāng)盡可能地放在系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輸入端,這樣利用傳動(dòng)鏈速比,能夠減小制動(dòng)器的輕微滑動(dòng)所引起的系統(tǒng)振動(dòng),保證在承載條件下仍具有較高的定位精度。在許多實(shí)際應(yīng)用中,許多機(jī)器人都采用了制動(dòng)器。

圖6為三菱裝配機(jī)器人MovemasterEXRV-M1的肩部制動(dòng)閘安裝圖。

圖6三菱裝配機(jī)器人肩部制動(dòng)閘安裝圖

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