工業(yè)機器人的驅(qū)動源通過傳動部件來驅(qū)動關(guān)節(jié)的移動或轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)機身、手臂和手腕的運動。因此,傳動部件是構(gòu)成工業(yè)機器人的重要部件。根據(jù)傳動類型的不同,傳動部件可以分為兩大類:直線傳動機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)。

一、直線傳動機構(gòu)

工業(yè)機器人常用的直線傳動機構(gòu)可以直接由汽缸或液壓缸和活塞產(chǎn)生,也可以采用齒輪齒條、滾珠絲杠螺母等傳動元件由旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換得到。

1.移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌

在運動過程中移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌可以起到保證位置精度和導(dǎo)向的作用。移動關(guān)節(jié)導(dǎo)軌有五種:普通滑動導(dǎo)軌、液壓動壓滑動導(dǎo)軌、液壓靜壓滑動導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。

前兩種導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點,但是它必須留有間隙以便潤滑,而機器人載荷的大小和方向變化很快,間隙的存在又將會引起坐標(biāo)位置的變化和有效載荷的變化;另外,這種導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)又隨著速度的變化而變化,在低速時容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象等缺點。

第三種靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生預(yù)載荷,能完全消除間隙,具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點,但是它需要單獨的液壓系統(tǒng)和回收潤滑油的機構(gòu)。

第四種氣浮導(dǎo)軌的缺點是剛度和阻尼較低。

目前第五種滾動導(dǎo)軌在工業(yè)機器人中應(yīng)用最為廣泛,如圖2-15所示為包容式滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu),用支承座支承,可以方便地與任何平面相連,此時套筒必須是開式的,嵌入在滑枕中,既增強剛度也方便了與其他元件的連接。

2.齒輪齒條裝置

齒輪齒條裝置中(圖2-16),如果齒條固定不動,當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時,齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運動。這樣,齒輪的旋轉(zhuǎn)運動就轉(zhuǎn)換成拖板的直線運動。拖板是由導(dǎo)桿或?qū)к壷С械?該裝置的回差較大。

3.滾珠絲杠與螺母

在工業(yè)機器人中經(jīng)常采用滾珠絲杠,這是因為滾珠絲杠的摩擦力很小且運動響應(yīng)速度快。

由于滾珠絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠,絲杠在傳動過程中所受的是滾動摩擦力,摩擦力較小,因此傳動效率高,同時可消除低速運動時的爬行現(xiàn)象;在裝配時施加一定的預(yù)緊力,可消除回差。

如圖2-17所示滾珠絲杠螺母里的滾珠經(jīng)過研磨的導(dǎo)槽循環(huán)往復(fù)傳遞運動與動力。滾珠絲杠的傳動效率可以達(dá)到90%

4.液(氣)壓缸

液(氣)壓缸是將液壓泵(空壓機)輸出的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能、做直線往復(fù)運動的執(zhí)行元件,使用液(氣)壓缸可以容易地實現(xiàn)直線運動。液(氣)壓缸主要由缸筒、缸蓋、活塞、活塞桿和密封裝置等部件構(gòu)成,活塞和缸筒采用精密滑動配合,壓力油(壓縮空氣)從液(氣)壓缸的一端進(jìn)入,把活塞推向液(氣)壓缸的另一端,從而實現(xiàn)直線運動。通過調(diào)節(jié)進(jìn)入液(氣)壓缸液壓油(壓縮空氣)的流動方向和流量可以控制液(氣)壓缸的運動方向和速度。

二、旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)

一般電動機都能夠直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動,但其輸出力矩比所要求的力矩小,轉(zhuǎn)速比要求的轉(zhuǎn)速高,因此需要采用齒輪、皮帶傳送裝置或其他運動傳動機構(gòu),把較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低的轉(zhuǎn)速,并獲得較大的力矩。運動的傳遞和轉(zhuǎn)換必須高效率地完成。并且不能有損于機器人系統(tǒng)所需要的特性,包括定位精度、重復(fù)定位精度和可靠性等。通過下列傳動機構(gòu)可以實現(xiàn)運動的傳遞和轉(zhuǎn)換。

1.齒輪副

齒輪副不但可以傳遞運動角位移和角速度,而且可以傳遞力和力矩,如圖2-18所示,一個齒輪裝在輸入軸上,另一個齒輪裝在輸出軸上,可以得到齒輪的齒數(shù)與其轉(zhuǎn)速成反比[式(2-1)],輸出力矩與輸入力矩之比等于輸出齒數(shù)與輸入齒數(shù)之比[式(2-2)]。

2.同步帶傳動裝置

在工業(yè)機器人中同步帶傳動主要用來傳遞平行軸間的運動。同步傳送帶和帶輪的接觸面都制成相應(yīng)的齒形,靠嚙合傳遞功率,其傳動原理如圖2-19所示。齒的節(jié)距用包絡(luò)帶輪時的圓節(jié)距t表示。

式中:n1為主動輪轉(zhuǎn)速(r/min);n2為被動輪轉(zhuǎn)速(r/min);z1為主動輪齒數(shù);z2為被動輪齒數(shù)。

同步帶傳動的優(yōu)點:傳動時無滑動,傳動比準(zhǔn)確,傳動平穩(wěn);速比范圍大;初始拉力小;軸與軸承不易過載。但是,這種傳動機構(gòu)的制造及安裝要求嚴(yán)格,對帶的材料要求也較高,因而成本較高。同步帶傳動適合于電動機和高減速比減速器之間的傳動。

3.諧波齒輪

目前工業(yè)機器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有60%~70%都使用諧波齒輪傳動。

諧波齒輪傳動由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個主要零件組成,如圖2-20所示。

工作時,剛性齒輪6固定安裝,各齒均布于圓周上,具有外齒圈2的柔性齒輪5沿剛性齒輪的內(nèi)齒圈3轉(zhuǎn)動。柔性齒輪比剛性齒輪少兩個齒,所以柔性齒輪沿剛性齒輪每轉(zhuǎn)一圈就反向轉(zhuǎn)過兩個齒的相應(yīng)轉(zhuǎn)角。諧波發(fā)生器4具有橢圓形輪廓,裝在其上的滾珠用于支承柔性齒輪,諧波發(fā)生器驅(qū)動柔性齒輪旋轉(zhuǎn)并使之發(fā)生塑性變形。轉(zhuǎn)動時,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,柔性齒輪才能相對于剛性齒輪自由地轉(zhuǎn)過一定的角度。通常剛性齒輪固定,諧波發(fā)生器作為輸入端,柔性齒輪與輸出軸相連。

式中:z1為柔性齒輪的齒數(shù);z2為剛性齒輪的齒數(shù)。假設(shè)剛性齒輪有100個齒,柔性齒輪比它少兩個齒,則當(dāng)諧波發(fā)生器轉(zhuǎn)50圈時,柔性齒輪轉(zhuǎn)1圈,這樣只占用很小的空間就可以得到1∶50的減速比。通常將諧波發(fā)生器裝在輸入軸,把柔性齒輪裝在輸出軸,以獲得較大的齒輪減速比。

4.擺線針輪傳動減速器

擺線針輪傳動是在針擺傳動基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳動方式,20世紀(jì)80年代日本研制出了用于機器人關(guān)節(jié)的擺線針輪傳動減速器,圖2-21所示為擺線針輪傳動簡圖,

它由漸開線圓柱齒輪行星減速機構(gòu)和擺線針輪行星減速機構(gòu)兩部分組成。漸開線行星輪6與曲柄軸5連成一體,作為擺線針輪傳動部分的輸入。如果漸開線中心輪7順時針旋轉(zhuǎn),那么,漸開線行星齒輪在公轉(zhuǎn)的同時還逆時針自轉(zhuǎn),并通過曲柄軸帶動擺線輪做平面運動。此時,擺線輪因受與之嚙合的針輪的約束,在其軸線繞針輪軸線公轉(zhuǎn)的同時,還將反方向自轉(zhuǎn),即順時針轉(zhuǎn)動。同時,它通過曲柄軸推動行星架輸出機構(gòu)順時針轉(zhuǎn)動。