輸直線驅動機構

1.齒輪齒條裝置

通常,齒條是固定不動的，當齒輪傳動時,齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運動,這樣,齒輪的旋轉運動就轉換成為拖板的直線運動,如圖1所示。拖板是由導桿或導軌支承的。該裝置的回差較大。

圖1齒輪齒條裝置

2.普通絲杠

普通絲杠驅動是由一個旋轉的精密絲杠驅動一個螺母沿絲杠軸向移動。由于普通絲杠的摩擦力較大,效率低,慣性大,在低速時容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象,而且精度低,回差大,因此在機器人上很少采用。

3.滾珠絲杠

在機器人上經(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,傳動過程中所受的摩擦力是滾動摩擦,可極大地減小摩擦力,因此傳動效率高,消除了低速運動時的爬行現(xiàn)象。在裝配時施加一定的預緊力,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,進入經(jīng)過研磨的導槽,轉動2～3圈以后,返回鋼套管。滾珠絲杠的傳動效率可以達到90%,所以只需要使用極小的驅動力,并采用較小的驅動連接件就能夠傳遞運動。

圖2滾球絲杠副

旋轉驅動機構

齒輪鏈

齒輪鏈是由兩個或兩個以上的齒輪組成的傳動機構。它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?，F(xiàn)以具有兩個齒輪的齒輪鏈為例,說明其傳動轉換關系。其中一個齒輪裝在輸入軸上,另一個齒輪裝在輸出軸上,如圖3所示。

圖3齒輪鏈機構

使用齒輪鏈機構應注意兩個問題：

一是齒輪鏈的引入會改變系統(tǒng)的等效轉動慣量,從而使驅動電機的響應時間減小,這樣伺服系統(tǒng)就更加容易控制。輸出軸轉動慣量轉換到驅動電機上,等效轉動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,由于齒輪間隙誤差,將會導致機器人手臂的定位誤差增加;而且,假如不采取一些補救措施,齒隙誤差還會引起伺服系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

通常，齒輪鏈轉動有以下幾種類型，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效率約為90%，因為結構簡單，傳動效率高，圓柱齒輪在機器人設計中最常見；斜齒輪傳動效率約為80%，斜齒輪可以改變輸出軸方向；錐齒輪傳動效率約為70%，錐齒輪可以使輸入軸與輸出軸不在同一個平面，傳動效率低；蝸輪蝸桿傳動效率約為70%，蝸輪蝸桿機構的傳動比大，傳動平穩(wěn)，可實現(xiàn)自鎖，但傳動效率低，制造成本高，需要潤滑；行星輪系傳動效率約為80%，傳動比大，但結構復雜。

2.同步皮帶

同步皮帶類似于工廠的風扇皮帶和其他傳動皮帶,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,它們相當于柔軟的齒輪,具有柔性好,價格便宜兩大優(yōu)點。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,只要同步皮帶足夠長,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量,則輸入傳動的同步皮帶可以放在伺服環(huán)外面,這對系統(tǒng)的定位精度和重復性不會有影響,重復精度可以達到1mm以內(nèi)。此外,同步皮帶比齒輪鏈價格低得多,加工也容易得多。有時,齒輪鏈和同步皮帶結合起來使用更為方便。

3.諧波齒輪

雖然諧波齒輪已問世多年,但直到最近人們才開始廣泛地使用它。目前,機器人的旋轉關節(jié)有60％～70％都使用諧波齒輪。

諧波齒輪傳動機構由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個主要零件組成,如圖5所示。工作時,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一圈就反方向轉過兩個齒的相應轉角。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)生器驅動柔性齒輪旋轉并使之發(fā)生塑性形。轉動時,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過一定的角度。

假設剛性齒輪有100個齒,柔性齒輪比它少2個齒,則當諧波發(fā)生器轉50圈時,柔性齒輪轉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。在3個零件中,盡管任何2個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

直線驅動和旋轉驅動的選用和制動

1.驅動方式的選用

在廉價的計算機問世以前,控制旋轉運動的主要困難之一是計算量大,所以,當時認為采用直線驅動方式比較好。直流伺服電機是一種較理想的旋轉驅動元件,但需要通過較昂貴的伺服功率放大器來進行精確的控制。例如,在1970年,尚沒有可靠的大功率晶體管,需要用許多大功率晶體管并聯(lián),才能驅動一臺大功率的伺服電機。

今天,電機驅動和控制的費用已經(jīng)大大地降低,大功率晶體管已經(jīng)廣泛使用,只需采用幾個晶體管就可以驅動一臺大功率伺服電機。同樣,微型計算機的價格也越來越便宜,計算機費用在機器人總費用中所占的比例大大降低,有些機器人在每個關節(jié)或自由度中都采用一個微處理器。

由于上述原因,許多機器人公司在制造和設計新機器人時,都選用了旋轉關節(jié)。然而也有許多情況采用直線驅動更為合適,因此，直線氣缸仍是目前所有驅動裝置中最廉價的動力源,凡能夠使用直線氣缸的地方,還是應該選用它。另外，有些要求精度高的地方也要選用直線驅動。

2.制動器

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

假如齒輪鏈、諧波齒輪機構和滾珠絲杠等元件的質量較高,一般其摩擦力都很小,在驅動器停止工作的時候,它們是不能承受負載的。如果不采用某種外部固定裝置,如制動器、夾緊器或止擋裝置等,一旦電源關閉,機器人的各個部件就會在重力的作用下滑落。因此,為機器人設計制動裝置是十分必要的。

制動器通常是按失效抱閘方式工作的,即要松開制動器就必須接通電源,否則,各關節(jié)不能產(chǎn)生相對運動。

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

假如需要的話，也可以采用一種省電的方法,其原理是:需要各關節(jié)運動時,先接通電源,松開制動器,然后接通另一電源,驅動一個擋銷將制動器鎖在放松狀態(tài)。這樣，所需要的電力僅僅是把擋銷放到位所花費的電力。

為了使關節(jié)定位準確,制動器必須有足夠的定位精度。制動器應當盡可能地放在系統(tǒng)的驅動輸入端,這樣利用傳動鏈速比,能夠減小制動器的輕微滑動所引起的系統(tǒng)振動,保證在承載條件下仍具有較高的定位精度。在許多實際應用中,許多機器人都采用了制動器。

圖6為三菱裝配機器人MovemasterEXRV-M1的肩部制動閘安裝圖。

圖6三菱裝配機器人肩部制動閘安裝圖

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