new~直线驱动机构1.齿轮齿条装置(组图)

   日期:2023-01-20     来源:网络整理    作者:离合器网    浏览:78    评论:0    
核心提示:只需采用几个晶体管就可以驱动一台大功率伺服电机。工业机器人的传动装置与一般机械的传动装置的选用和计算大致相同。工业机器人常用传动方式的比较与分析通过不带传动装置的压电微电机来驱动各条腿运动。77是一个带有电阻器移动子的三相静电驱动器的工作原理图。三相静电驱动器工作原理78超声波电机的工作原理图2.驱动传动方式的应用1.实验室常用的末端操作器(在零件装配时有开闭动作)采用直流电机驱动。

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线性驱动机构

1.齿轮齿条装置

通常,机架是固定的。 齿轮传动时,齿轮轴和拖板沿齿条方向作直线运动。 这样,齿轮的旋转运动就转化为滑架的直线运动,如图2.70所示。 托架由导杆或导轨支撑。 设备的迟滞比较大。

图 2.70 齿轮齿条装置

2.普通丝杆

普通丝杆传动是由旋转的精密丝杆带动螺母沿丝杆轴向移动。 由于普通螺杆摩擦力大、效率低、惯性大,低速时容易爬行,而且精度低、回差大,所以在机器人上很少使用。

3.滚珠丝杆

滚珠丝杠因其低摩擦和快速运动响应而常用于机器人。 由于滚珠丝杆在丝杆螺母的螺旋槽中有许多滚珠,在传动过程中遇到的摩擦力是滚动摩擦,可以大大减小摩擦力,所以传动效率高,低速时不会出现爬行现象高速运动被消除。 装配时施加一定的预紧力可以消除滞后现象。

如图2.71所示,滚珠丝杆内的滚珠从钢壳中出来,进入地导槽,2~3圈后又回到钢壳内。 滚珠丝杆的传动效率可达90%,因此只需使用很小的驱动力,用很小的传动连接就可以传递运动。

图 2.71 滚珠丝杠副

2.5.2 回转驱动机构

1.齿轮链

齿轮链是由两个或多个齿轮组成的传动机构。 它不仅可以传递角位移和角速度,还可以传递力和力矩。 现以带两个齿轮的齿轮链为例,说明其传动转换关系。 其中一个齿轮安装在输入轴上,另一个齿轮安装在输出轴上,如图2.72所示。

图 2.72 齿轮链机构

使用齿轮链条机构时应注意两个问题。 一是齿轮链的引入会改变系统的等效转动惯量,从而减少驱动电机的响应时间,使伺服系统更容易控制。 输出轴的转动惯量传递给驱动电机,等效转动惯量的减小与输入输出齿轮齿数的平方成正比。 二是引入齿轮链后,由于齿轮齿隙误差,机械臂的定位误差会增大; 而且,如果不采取一些补救措施,反冲误差也会引起伺服系统的不稳定。

通常,齿轮系旋转有几种类型,如图 2.73 所示。 其中,圆柱齿轮的传动效率在90%左右,由于其结构简单,传动效率高,圆柱齿轮在机器人设计中最为常见; 斜齿轮的传动效率在80%左右,斜齿轮可以改变输出轴的方向; 锥齿轮的传动效率约为 锥齿轮会使输入轴和输出轴不在同一平面上,传动效率低; 蜗轮传动效率为70%左右,蜗轮机构传动比大,传动平稳,可实现自锁,但传动效率低,制造成本高,需要润滑; 行星轮系的传动效率约为80%,传动比大,但结构复杂。

图 2.73 常用齿轮链

(a) 圆柱齿轮; (b) 斜齿轮; (c) 锥齿轮; (d) 蜗轮; (e) 行星齿轮系

2.同步带

同步带类似于工厂风扇皮带和其他传动带,除了皮带有许多异形齿与正时皮带轮齿啮合,同步带轮齿也有异形齿。 工作时相当于软齿轮,具有灵活性好和价格低廉两大优点。 此外,当输入轴和输出轴的方向不一致时,也会使用同步带。 这时,只要同步带足够长,使皮带的扭角误差不会太大,同步带仍能正常工作。 在伺服系统中,如果用码盘测量输出轴的位置,输入驱动的同步带可以放在伺服环外,这样不会影响系统的定位精度和重复精度,重复精度可以达到1毫米以内。 此外,同步带比齿轮链更便宜且更容易加工。 有时结合使用齿轮链和同步带会更方便。

3.谐波齿轮

虽然谐波齿轮已经存在多年,但直到最近才得到广泛应用。 目前,60%~70%的机器人旋转关节采用谐波齿轮。 谐波齿轮传动机构由刚性齿轮、谐波发生器和柔轮三个主要部分组成,如图2.74所示。 工作时,刚性齿轮固定安装,各齿均匀分布在圆周上,外齿形的柔轮沿刚性齿轮的内齿转动。 柔轮比刚轮少两个齿,所以刚轮每转一圈,柔轮就以相反方向转动两个齿相应的转角。 谐波发电机的外形为椭圆形,装在谐波发电机上的滚珠用于支撑柔轮,谐波发电机带动柔轮旋转,使其产生塑性变形。 转动时,柔轮椭圆端只有少数齿与刚轮啮合,这样柔轮才能相对刚轮自由转动一定角度。

假设刚性齿轮有100齿,柔轮比它少2齿,则谐波发电机转50圈,柔轮转1圈电磁抱闸制动器原理图,这样只需要1:50的减速比一个小空间。 由于同时啮合的齿数较多,谐波发电机的转矩传递能力很强。 在这3个部分中,虽然可以选择任意2个作为输入元件和输出元件,但通常谐波发生器总是安装在输入轴上,柔轮安装在输出轴上以获得较大的齿轮减速比。

图 2.74 谐波齿轮传动

线性和旋转驱动器的选择和制动

1、驱动方式的选择

在廉价计算机出现之前,控制旋转运动的主要困难之一是计算量大,因此考虑采用直线驱动更好。 直流伺服电机是一种理想的旋转驱动元件,但它需要更昂贵的伺服功率放大器来进行精确控制。 比如1970年,还没有可靠的大功率晶体管,需要很多大功率晶体管并联起来才能驱动大功率伺服电机。

在电机驱动和控制成本大大降低的今天,大功率晶体管得到广泛应用,仅需少数晶体管即可驱动大功率伺服电机。 同样,微型计算机的价格也越来越便宜,计算机成本占机器人总成本的比重大大降低。 一些机器人在每个关节或自由度中使用微处理器。

基于以上原因,许多机器人企业在制造和设计新型机器人时都选择了旋转关节。 但是,有很多情况线性驱动更适合。 因此,直线气缸仍然是目前所有驱动装置中成本最低的动力源。 凡能采用直线气缸的,宜选用。 另外,一些对精度要求高的地方也应该选择直线驱动。

2.刹车

许多机器人的机械臂需要在每个关节处安装制动器。 它们的作用是:当机器人停止工作时,保持机械臂位置不变; 停电时,防止机械臂与周围物体碰撞。 齿轮链条、谐波齿轮机构、滚珠丝杠等部件如果质量好,它们的摩擦力一般很小,当传动装置停止工作时,它们不能承受载荷。 如果没有某种外部固定装置,如制动器、夹具或止动器,一旦电源关闭,机器人的部件将在重力作用下滑动。 因此,有必要为机器人设计制动装置。

制动器通常按失效制动方式工作,即要松开制动器,必须接通电源,否则关节不能产生相对运动。 这种方法的主要目的是在停电时起到保护作用,其缺点是在运行过程中需要不断给制动器通电才能松开制动器。 如果需要,也可以采用省电的方法。 其原理是:当各关节需要活动时,先接通电源,松开刹车,再接通另一台电源,带动一个止动销,使刹车锁定在松弛状态。 因此,唯一需要的动力是将卡销放置到位的动力。

为了使关节定位准确,制动器必须有足够的定位精度。 制动器应尽可能布置在系统的驱动输入端,利用传动链速比,减小制动器轻微滑动引起的系统振动,保证负载条件下的高定位精度。 在许多实际应用中,许多机器人都使用制动器。

图2.75为三菱装配机器人Movemaster EX RV-M1肩闸安装示意图。

图2.75 三菱装配机器人肩闸安装示意图

工业机器人传动

工业机器人传动装置的选择和计算与通用机械大致相同。 然而,工业机器人的传动系统要求结构紧凑、重量轻、转动惯量小、体积小,并要求消除传动间隙,提高其运动和位置精度。 除了齿轮传动、蜗杆传动、链条传动和行星齿轮传动外,工业机器人传动还普遍采用滚珠丝杠、谐波齿轮、钢带、同步齿形带和滑轮传动。 表2.1是工业机器人常见传动方式的对比分析。

表2.1 工业机器人常见传动方式对比分析

新型驱动器

1. 磁致伸缩驱动

铁磁性材料和亚铁磁性材料由于磁化状态的变化,在长度和体积上都有微小的变化。 这种现象称为磁致伸缩。 20世纪60年代,人们发现某些稀土元素在低温下的磁伸长率达到3000×10-6~10 000×10-6,人们开始关注具有应用价值的大磁致伸缩材料的研究。 研究发现,稀土铁化合物如TbFe2(铽铁)、SmFe2(钐铁)、DyFe2(镝铁)、HoFe2(钬铁)、TbDyFe2(铽镝铁)等稀土铁化合物不仅具有高磁致伸缩值,但也具有高居里点。 在室温以上,室温下的磁致伸缩值为1000×10-6~2500×10-6,是铁、镍等传统磁致伸缩材料的10~100倍。 这类材料被称为稀土超磁致伸缩材料(Rear Earth Giant MagnetoStrictive Materials,简称RE-GMSM)。

这种现象已被用于制造位移能力为微英寸量级的直线电机。 为了使该致动器工作,将一个由磁性线圈覆盖的小磁致伸缩杆的末端固定在两个支架上。 当磁场发生变化时,它会导致杆收缩或膨胀,从而使一个架子相对于另一个架子移动。 一个类似的概念是使用压电晶体来制造位移为纳英寸量级的直线电机。

美国波士顿大学研制出一种由压电微电机驱动的机器人——“机器人蚂蚁”。 “机器蚂蚁”的每条腿都是一根长度在1毫米以下的硅棒,每条腿的运动由压电微电机驱动,没有传动装置。 “机器人蚂蚁”可用于实验室收集放射性沉降物并从活体患者身上采集患病细胞。

2.形状记忆金属

有一种特殊的形状记忆合金叫做 Biometal,它是一种专利合金,在达到一定温度时会收缩约 4%。 合金的转变温度可以通过改变合金的成分来设计,但标准样品的温度设定在90℃左右。 在此温度附近,合金的晶格结构由马氏体状态转变为奥氏体状态,从而变短。 然而,与许多其他形状记忆合金不同,它在冷却时会再次恢复到马氏体状态。 如果电线上的负载很低,这个过程可以持续数十万次。 这种转变的一个常见热源来自金属在电流通过时由于其自身的电阻而产生的热量。 因此,来自电池或其他电源的电流可以很容易地缩短生物金属线。 这种线的主要缺点是它的总应变只发生在一个很小的温度范围内,因此除了开关情况外很难精确控制它的张力,而且也很难控制位移。

图 2.76 由形状记忆金属制成的末端执行器

3.静电驱动

图 2.77 是带有电阻动子的三相静电驱动器的运行示意图。

图 2.77 三相静电驱动器工作原理

该执行器具有以下特点:

(1) 由于移动中没有电极,所以不需要确定与定子的相对位置,定子电极之间的间距可以很小。

(2)由于行驶时产生浮力,摩擦力小,停车时靠吸引力和摩擦力可获得较大的保持力。

(3) 由于结构简单,可以实现基于薄膜的大面积多层结构。

基于以上几点电磁抱闸制动器原理图,这种类型的致动器作为实现人造肌肉的方法受到了关注。

4.超声波马达

超声波马达的工作原理是利用超声波激发弹性体定子,使其表面形成椭圆运动。 由于与转子(或滑块)接触,转子在摩擦力的作用下获得推力输出。 如图2.78所示,可以认为定子按角频率ω0作超声波振动,转子在预紧力W的作用下被推动。

超声波电机的负载特性与直流电机相似。 与负载的增加相比,速度有垂直下降的趋势。 超声波电机与直流电机相比,其特点是:①有望实现低速高效率; ② 相同尺寸,可以获得大扭矩; ③能保持大扭矩; ④无电磁噪音; ⑤易于控制; ⑤形状等自由度大。

图 2.78 超声波马达工作原理 图 2.5.6 驱动传动方式应用 1. Movemaster EX RV-M1 驱动传动

图2.79是三菱装配机器人Movemaster EX RV-M1的驱动传动示意图。 该机器人为电动驱动,具有5个自由度,分别为腰部旋转、肩部旋转、肘部旋转、手腕俯仰和翻转。 每个关节都由一个直流伺服电机驱动,直接驱动腰部的转动和腕关节的转动。 为减小转动惯量,肩关节、肘关节、腕关节的俯仰均采用同步带传动。 实验室常用的末端执行器(零件装配时的开合动作)是由直流电机驱动的。

图2.79 三菱装配机器人内部结构示意图

1)腰部旋转(J1轴)

(1) 腰部(J1 轴)由底座中的电机①和调谐齿轮②驱动。

(2)J1轴限位(限位)开关③安装在底座顶部。

2)肩部(J2轴)旋转

(1)肩部(J2轴)由肩关节处的调谐齿轮⑥驱动,并由与J2轴电机④相连的同步带⑤驱动。

(2)电磁制动器⑦安装在调谐齿轮⑥的输入轴上,防止断电时肩部因自重而向下转动。

(3) J2轴限位开关⑧安装在肩壳上臂处。

3)弯头延伸(J3轴)

(1) J3轴电机的旋转由同步带B10​​传递给调谐齿轮B21。

(2)调谐齿轮B21上J3轴的输出轴的转动,通过J3轴的传动连杆传递到肘轴,从而带动小臂伸展。

(3)电磁制动器B12安装在调谐齿轮B21的输入轴上。

(4) J3轴限位开关B13安装在肩壳上臂处。

4)手腕间距(J4轴)

(1) J4轴电机B14安装在小臂内。 J4轴同步带B15将电机的转动传递给调谐齿轮B16,从而带动表壳转动。

(2) J4轴限位开关B17安装在小臂下侧。

5)手腕旋转(J5轴)

(1) J5轴电机B18和J5轴调谐齿轮B19安装在腕壳内的同一轴上,它们带动夹持器安装法兰转动。

(2) J5轴限位开关B20安装在小臂下方。

2. PUMA 562机器人驱动

图 2.80 是 PUMA 562 机器人的外形图。 该机器人有 6 个自由度,其传动方式如图 2.80 所示。 从图中可以看出:

电机1通过两对齿轮Z1、Z2、Z3、Z4带动立柱旋转。

电机2通过联轴器驱动齿轮Z9,一对锥齿轮Z5、Z6和一对圆柱齿轮Z7、Z8,齿轮Z9绕固定连接在立柱上的齿轮Z10旋转,从而形成旋转繁荣相对于专栏。

电机3通过两个联轴器、一对锥齿轮Z1、Z2和两对圆柱齿轮Z13、Z14、Z15、Z16(Z16与小臂固定连接)带动小臂相对于大臂转动.

图2.79 PUMA 562机器人传动图

电机4首先通过一对圆柱齿轮Z17、Z18、两个联轴器和另一对圆柱齿轮Z19、Z20(Z20固定连接在手腕套上)带动手腕相对小臂转动。

电机5通过联轴器、一对圆柱齿轮Z21、Z22、一对锥齿轮Z23、Z24(Z24固定连接)带动手腕相对小臂摆动(即套筒相对手腕)到手腕的球壳)。

电机6通过联轴器、两对锥齿轮Z25、Z26、Z27、Z28和一对圆柱齿轮Z29、Z30驱动机器人机械接口(法兰盘)相对手腕球壳转动。

 
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