工業(yè)機器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、工業(yè)機器人腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 -驅(qū)動部分 目錄目錄一、工業(yè)機器人補充資料一、工業(yè)機器人補充資料二、工業(yè)機器人驅(qū)動機構(gòu)二、工業(yè)機器人驅(qū)動機構(gòu)三、工業(yè)機器人傳動機構(gòu)三、工業(yè)機器人傳動機構(gòu)一一 、工業(yè)機器人補充資料、工業(yè)機器人補充資料 1、自由度 2、精度：工業(yè)機器人精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異。重復(fù)定位精度是指機器人重復(fù)定位其手部于同一目標位置的能力，可以用標準偏差這個統(tǒng)計量來表示，它是衡量一列誤差值的密集度，如下圖示（a）重復(fù)定位精度的測量（b）合理定位精度，良好重復(fù)定位精度（c）良好定位精度，很差重復(fù)定位精度（d）很差定位精度，良好重復(fù)定位精

2、度 3、速度 機器人運動速度是其主要參數(shù)之一，它反映了機器人的作業(yè)水平運動速度的快慢與它的驅(qū)動方式、定位方式、抓取質(zhì)量大小和行程距離有關(guān)，作業(yè)機器人手部的運動速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來決定。 目前，工業(yè)機器人的最大直線運行速度大部分為1000mm/s左右。最大回轉(zhuǎn)速度為120度/秒左右。 作為機器人規(guī)格參數(shù)的速度是指平均速度，實際使用速度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 4、承載能力 承載能力是指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。承載能力不僅決定于負載的質(zhì)量，而且還與機器人運動的速度和加速度大小和方向有關(guān)。為了安全起見，承載能力這一指標是指高速運行時的承載能力。

3、通常，承載能力不僅指負載，而且還包括機器人末端操作器的質(zhì)量。工業(yè)機器人的額定負載是指在規(guī)定范圍內(nèi)手腕機械接口處所能承受的最大負載允許值。二、工業(yè)機器人驅(qū)動方法二、工業(yè)機器人驅(qū)動方法液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動直流電機驅(qū)動直流電機驅(qū)動交流電機驅(qū)動交流電機驅(qū)動步進電機驅(qū)動步進電機驅(qū)動超聲波電機驅(qū)動超聲波電機驅(qū)動 液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動 把油壓泵產(chǎn)生的工作油的壓力能轉(zhuǎn)變成機械能的裝置稱為液壓執(zhí)行器。在驅(qū)功液壓執(zhí)行器時，作為外圍設(shè)備，包括： (1)形成液壓的液壓泵； (2)供給工作油的導(dǎo)管； (3)控制工作油流動的液壓控制閥； (4)控制控制閥的控制回路， 根據(jù)液壓執(zhí)行器輸出量的形式的不同，大致可以把它

4、們區(qū)分為作直線運動的油壓缸和作旋轉(zhuǎn)運動的油壓馬達。 液壓驅(qū)動系統(tǒng) 功率重量比高，低速時出力大（無論直線驅(qū)動還是旋轉(zhuǎn)驅(qū)動）, 適合微處理器及電子控制，可用于極端惡劣的外部環(huán)境。 由于液壓系統(tǒng)中存在不可避免的泄漏、噪聲和低速不穩(wěn)定等問題，以及功率單元非常笨重和昂貴，目前已不多使用它們。 現(xiàn)在大部分機器人是電動的，當然仍有許多工業(yè)機器人帶有液壓驅(qū)動器。此外，對于一些需要巨大型機器人和民用服務(wù)機器人的特殊應(yīng)用場合，液壓驅(qū)動器仍可能是合適的選擇。 氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動 氣壓驅(qū)動器在原理上與液壓驅(qū)動器相同； 由于氣動裝置的工作壓強低，和液壓系統(tǒng)相比，功率重量比低得多； 由于空氣的可壓縮性，在負載作用下會壓縮和

5、變形，控制氣缸的精確位置很難。因此氣動裝置通常僅用于插入操作或1/2自由度關(guān)節(jié)上； 結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，價格便宜；液壓驅(qū)動與氣壓驅(qū)動之對比液壓驅(qū)動與氣壓驅(qū)動之對比液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動 適于搬運較重的物體 不適于高速移動 適于確定高精度位置氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動 適于搬運較輕的物體 適于高速移動 不適于確定高精度位置直流電機驅(qū)動直流電機驅(qū)動1. 1. 直流電機工作原理直流電機工作原理直流電動機直流電動機通過換向器將直流轉(zhuǎn)換成電樞繞組中的交流，從而使電樞產(chǎn)生一個恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。t=bilr換向器換向器電刷電刷2. 2. 矩頻特性曲線：矩頻特性曲線：電流控制曲線和電壓控制曲電流控制曲線和電壓控制曲線。線。

6、3. 3. 直流電機的控制方式直流電機的控制方式 改變電壓或電流控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距。其中，其中，k ke e為電為電動勢常數(shù)，動勢常數(shù)， k kt t為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制pwmpwm是利用脈寬調(diào)制器對大功率晶體管開關(guān)放大器的開關(guān)時間進行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電機的電樞兩端，通過對矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。 優(yōu)點：優(yōu)點：調(diào)速方便（可無級調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低速性能好（啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流?。\行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制。4. 4. 直流電機的特點直流電機的特點 缺點：缺點：換相器需經(jīng)常維護，電刷極易

7、磨損，必須經(jīng)常更換，噪音比交流電機大。交流電機驅(qū)動交流電機驅(qū)動1. 工作原理工作原理2.2.矩頻特性曲線矩頻特性曲線 同步電機：同步電機：定子是永磁體，所謂同步是指轉(zhuǎn)子速度與定子磁場速度相同。異步電機：異步電機：轉(zhuǎn)子和定子上都有繞組，所謂異步是指轉(zhuǎn)子磁場和定子間存在速度差（不是角度差）。 同步電機的特點：同步電機的特點：體積小。用途：要求響應(yīng)速度快的中等速度以下的工業(yè)機器人；機床領(lǐng)域。 伺服電機的精度由編碼器的精度決定。3.3.交流電機的特點交流電機的特點 4.4.交流電機的控制方式交流電機的控制方式 改變定子繞組上的電壓或頻率，即電壓控制或頻率控制方式。 特點：特點：無電刷和換向器，無產(chǎn)生火

8、花的危險；比直流電機的驅(qū)動電路復(fù)雜、價格高。 異步電機的特點：異步電機的特點：轉(zhuǎn)子慣量很小，響應(yīng)速度很快。用途：中等功率以上的伺服系統(tǒng)。步進電機驅(qū)動步進電機驅(qū)動 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)。優(yōu)點：控制較容易，維修也較方便，而且控制為全數(shù)字化。缺點：由于開環(huán)控制，所以精度不高。 永磁式pm（permanent magnet）；反應(yīng)式（也稱可變磁阻式）vr（variable reluctance），在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式 hb（hybrid），混合式是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點，混合式步進電機的應(yīng)用最為廣泛。 是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。簡單說：當步進驅(qū)

9、動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。1.工作原理 pmpm式步進電機式步進電機轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是繞組，在定子電磁鐵和轉(zhuǎn)子永磁體之間的排斥力和吸引力的作用下轉(zhuǎn)動，步距角一般為7.5o90o。 vrvr式步進電機式步進電機用齒輪狀的鐵心作轉(zhuǎn)子，定子是電磁鐵。在定子磁場中，轉(zhuǎn)子始終轉(zhuǎn)向磁阻最小的位置。步距角一般為0.9o15o。 hbhb式步進電機式步進電機是pm式和vr式的復(fù)合形式。在永磁體轉(zhuǎn)子和電磁鐵定子的表面上加

10、工出許多軸向齒槽，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理與pm式相同，轉(zhuǎn)子和定子的形狀與vr式相似，步距角一般為0.9o15o。2. 2. 運行矩頻特性運行矩頻特性3. 3. 步進電機驅(qū)動的特點步進電機驅(qū)動的特點 控制系統(tǒng)簡單可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高負載或高速度時易失步，低速運行時會產(chǎn)生步進運行現(xiàn)象。 起動曲線起動曲線運行曲線運行曲線在這個輸出轉(zhuǎn)矩在這個輸出轉(zhuǎn)矩區(qū)間，步進電機區(qū)間，步進電機啟動時的輸入脈啟動時的輸入脈沖頻率必須緩慢沖頻率必須緩慢增加增加實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題；高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達到20003000轉(zhuǎn)；抗過載能力強，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負載，對

11、有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用；低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產(chǎn)生類似于步進電機的步進運行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合；電機加減速的動態(tài)相響應(yīng)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；發(fā)熱和噪音明顯降低。 伺服電機與步進電機比較伺服電機與步進電機比較伺服電機的優(yōu)勢：伺服電機的優(yōu)勢：直接驅(qū)動電機直接驅(qū)動電機優(yōu)點：優(yōu)點：不用齒輪減速器直接驅(qū)動，因此具有無間隙、摩擦小、機械剛度高等優(yōu)點，可以實現(xiàn)高速、高精度的位置控制和微小力控制。缺點：缺點：因為沒有減速機構(gòu)，所以容易受載荷的影響。種類：種類：直流力矩電機、無刷直流電機、vr式電機等。機器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的要求機器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的要求 1、快速性，電

12、動機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應(yīng)短。響應(yīng)指令信號的時間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好，一般是以伺服電動機的機電時間常數(shù)的大小來說明伺服電動機快速響應(yīng)的性能。 2、調(diào)速范圍寬，能使用于1：100010000的調(diào)速范圍。 3、體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。 4、控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電動機的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比。 5、能經(jīng)受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內(nèi)承受過載。 6、起動轉(zhuǎn)矩慣量比大，在驅(qū)動負載的情況下，要求機器人的伺服電動機的起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量小。 驅(qū)動方式的

13、選擇驅(qū)動方式的選擇 機器人驅(qū)動器要求啟動力矩大、調(diào)速范圍寬、慣量小 選擇驅(qū)動方式：負荷為2000n以下采用電動驅(qū)動方式 小功率點位控制采用氣動驅(qū)動方式 大功率大力矩采用液壓驅(qū)動方式選擇驅(qū)動器容量：額定速度時的額定功率 關(guān)節(jié)加減速時加速功率 最不利形位時的負載力矩三、三、機器人的傳動機構(gòu)機器人的傳動機構(gòu) 1）常用傳動機構(gòu)類型和特點(1) 齒輪類傳動：主要有齒輪、蝸輪蝸桿、齒輪齒條 優(yōu)點：響應(yīng)快、扭矩大、剛性好缺點：傳動有間隙、故回差大，精度低 應(yīng)用：腰、腕關(guān)節(jié)(2) 鏈索類傳動：主要有鏈條、齒形帶、鋼帶優(yōu)點：無間隙、剛度與張緊裝置有關(guān)，力矩較大缺點：速比小，齒形帶和鋼帶適用于小負載應(yīng)用：腕關(guān)節(jié)2) 滾珠絲杠螺母副 使絲杠與螺母之間由滑動摩擦度為滾動摩擦的一種螺旋轉(zhuǎn)動在數(shù)控機床和機器人中應(yīng)用較為廣泛。(1)結(jié)構(gòu)組成： 滾珠絲杠螺母副可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。為消除回差，螺母分成兩段，采用雙螺母預(yù)緊消除間隙的方式，以墊片、鎖緊螺母、齒差調(diào)整兩段螺母的相對位置。(2