第三章机器人的机械结构系统36机器人传动系统.docx
《第三章机器人的机械结构系统36机器人传动系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章机器人的机械结构系统36机器人传动系统.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
第三章机器人的机械结构系统36机器人传动系统
第三章机器人的机械结构系统
3.6机器人传动系统
【内容提要】
本课主要学习工业机器传动系统。
介绍机器人传动系统的功用、类型；介绍几种常见的传动方式：
齿轮链、齿轮齿条、谐波减速器、RV减速器、丝杠传动、连杆传动、带传动、链传动。
知识要点：
✓传动系统的功用及类型
✓谐波减速器
✓RV减速器
✓连杆传动
✓齿轮齿条
✓带传动
✓链传动
重点：
✓传动系统的功用及类型
✓谐波减速器
✓RV减速器
✓连杆传动
难点：
✓谐波减速器
✓RV减速器
关键字：
✓传动系统、谐波减速器、RV减速器、连杆传动、齿轮齿条、丝杠传动、带传动、链传动
【本课内容相关资料】
3.6机器人传动系统
工业机器人的驱动源通过传动部件来驱动关节的移动或转动，从而实现机身、手臂和手腕的运动。
因此，机器人的传动系统，是将驱动器输出的运动、动力传送到工作单元。
传动部件是构成工业机器人的重要部件。
机器人传动系统主要有以下几个功用：
（1）调速。
工作单元往往和驱动器速度不一致，利用传动机构达到改变输出速度的目的。
（2）调转矩。
调整驱动器的转矩使其适合工作单元使用。
（3）改变运动形式。
驱动器的输出轴一般是等速回转运动，而工作单元要求的运动形式则是多种多样的，如直线运动、螺旋运动等，靠传动机构实现运动形式的改变。
（4）动力和运动的传递和分配。
用一台驱动器带动若干个不同速度、不同负载的工作单元。
机器人传动系统有机械传动、流体（液体、气体）传动、电气传动三类；主要的传动形式有齿轮传动、齿条传动、丝杠传动、带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动、摆线针轮传动、流体传动、连杆传动、凸轮传动等多种形式。
根据传动类型的不同，传动部件可以分为两大类:
直线传动机构和旋转传动机构。
机器人的直线运动包括直角坐标结构的X、Y、Z向运动，圆柱坐标结构的径向运动和垂直升降运动，以及球坐标结构的径向伸缩运动。
常用的直线传动机构可以直接由汽缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、滚珠丝杠螺母等传动元件由旋转运动转换得到。
机器人的旋转运动包括基座的旋转、臂部旋转等。
多数普通电机和伺服电机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转速比所需要的转速高。
因此，需要采用各种传动装置把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。
有时也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。
这种运动的传递和转换必须高效率地完成，并且不能有损于机器人系统所需要的特性，特别是定位精度、重复精度和可靠性。
运动的传递和转换可以选择齿轮链传动、同步皮带传动和谐波齿轮等传动方式。
下面介绍工业机器人常用的几种传动形式。
3.6.1齿轮传动
齿轮传动是机械传动中用得最为广泛的传动方式。
由于齿轮传动能够减速增矩、适于近距离传动、传动效率高、传动可靠等原因使得其在机器人中也广泛应用，主要有齿轮链传动、齿轮齿条传动、谐波齿轮传动、摆线针轮传动、行星齿轮系传动等多种形式。
1.齿轮链
齿轮链是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。
它不但可以传递运动角位移和角速度,而且可以传递力和力矩。
现以具有两个齿轮的齿轮链为例,说明其传动转换关系。
其中一个齿轮装在输入轴上,另一个齿轮装在输出轴上,如图3-80所示。
图3-80齿轮链机构
使用齿轮链机构应注意两个问题。
一是齿轮链的引入会改变系统的等效转动惯量,从而使驱动电机的响应时间减小,这样伺服系统就更加容易控制。
输出轴转动惯量转换到驱动电机上,等效转动惯量的下降与输入输出齿轮齿数的平方成正比。
二是在引入齿轮链的同时，由于齿轮间隙误差,将会导致机器人手臂的定位误差增加;而且，假如不采取一些补救措施，齿隙误差还会引起伺服系统的不稳定性。
2.谐波减速器
在工业机器人中，减速器是连接机器人动力源和执行机构的中间装置，是保证工业机器人实现到达目标位置的精确度的核心部件。
通过合理的选用减速器，可精确地将机器人动力源转速降到工业机器人各部位所需要的速度。
与通用减速器相比，应用于机器人关节处的减速器应当具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。
目前应用于工业器人的减速器产品主要有3类，分别是谐波减速器、RV减速器和摆线针轮减速器，其中关节机器人主要采用谐波减速器和RV减速器。
在关节型机器人中，由于RV减速器具有更高的刚度和回转精度，一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置，而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部等轻负载的位置。
下面分别介绍谐波减速器、RV减速器。
谐波减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器，是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。
由固定的内齿刚轮、柔轮和使柔轮发生径向变形的波发生器三个基本构件组成。
与普通齿轮传动相比，具有精度高、承载力高、效率高、体积小，质量轻，结构简单等特点。
广泛用于航空、航天、工业机器人、机床微量进给、通信设备、纺织机械、化纤机械、造纸机械、差动机构、印刷机械、食品机械和医疗器械等领域。
（1）谐波减速器的特点
①结构简单、体积小、质量轻。
谐波减速器主要由波发生器、柔轮、刚轮组成。
它与传动比相当的普通减速器比较，体积和质量均减少1/3左右或更多。
②传动比范围大。
单级谐波减速器传动比可在50～300之间，优选在75～250之间；双级谐波减速器传动比可在3000～60000之间；复波谐波减速器传动比可在200～140000之间。
③同时啮合的齿数多，传动精度高，承载能力大。
④运动平稳、无冲击、噪声小。
谐波减速器齿轮间的啮入、啮出是随着柔轮的变形，逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过程中以齿面接触，滑移速度小，且无突然变化。
⑤传动效率高，可实现高增速运动。
⑥可实现差速传动。
由于谐波齿轮传动的三个基本构件中，可以任意两个主动、第三个从动，因此如果让波发生器、刚轮主动、柔轮从动，就可以构成一个差动传动机构，从而方便实现快、慢速工作状况的转换。
（2）谐波减速器的结构
如图3-81所示，谐波减速器由具有内齿的刚轮、具有外齿的柔轮和波发生器组成。
通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。
图3-81谐波减速器结构图
1）波发生器。
波发生器与输入轴相连，对柔轮齿圈的变形起产生和控制的作用。
它由一个椭圆形凸轮和一个薄壁的柔性轴承组成。
柔性轴承不同于普通轴承，它的外环很薄，容易产生径向变形，在未装入凸轮之前环是圆形的，装上之后为椭圆形。
2）柔轮。
柔轮有薄壁杯形、薄壁圆筒形或平嵌式等多种。
薄壁圆筒形柔轮的开口端外面有齿圈，它随波发生器的转动而变形，筒底部分与输出轴连接。
3）刚轮。
它是一个刚性的内齿轮。
双波谐波传动的刚轮通常比柔轮多两齿。
谐波齿轮减速器多以刚轮固定，外部与箱体连接。
（3）谐波减速器传动原理
波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。
此时柔轮由原来的圆形变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与刚轮轮齿完全啮合，形成啮合区（一般有30%左右的齿处在啮合状态）；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开。
在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称为啮出；有的逐渐进入刚轮齿间，处在半啮合状态，称为啮入。
波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，波发生器的连续转动，使柔轮齿循环往复的进行啮入→啮合→啮出→脱开这四种状态，不断改变各自原来的啮合状态，如图3-82所示。
这种现象称为错齿运动，正是这一错齿运动，使减速器将输入的高速转动变为输出的低速转动。
图3-82谐波减速器传动原理图
（4）单级谐波齿轮常见的传动形式和应用
单级谐波齿轮常见的传动形式如图3-83所示。
a）刚轮固定、柔轮输出b）柔轮固定、刚轮输出c）波发生器固定、刚轮输出
图3-83单级谐波齿轮常见的传动形式
1）刚轮固定、柔轮输出
刚轮固定不变，以波发生器为主动件，柔轮为从动件，如图3-83（a）所示。
该输出形式结构简单、传动比范围较大、效率较高、应用广泛，i=75〜500,其传动比的式如下：
式中，ZG-刚轮齿数；ZR-柔轮齿数；
-刚轮固定、柔轮输出的传动比。
2）柔轮固定、刚轮输出
波发生器主动，单级减速，如图3-83（b）所示。
该输出形式结构简单、传动比范围较大、效率较高，可用于中小型减速器，i=75〜500,其传动比的计算公式如下:
式中，ZG-刚轮齿数；ZR-柔轮齿数；
-柔轮固定、刚轮输出的传动比。
3）波发生器固定、刚轮输出
柔轮主动，单级微小减速，如图3-83（c）所示。
该输出形式传动比准确，适用于高精度微调传动装置，i=1.002〜1.015,其传动比的计算公式如下:
式中，ZG-刚轮齿数；ZR-柔轮齿数；
-波发生器固定、刚轮输出的传动比。
3.RV减速器
RV减速器的传动装置采用的是一种新型的二级封闭行星轮系，是在摆线针轮传动基础上发展起来的一种传动装置，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且因为具有体积小、质量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点，日益受到国内外的广泛关注，在机器人领域占有主导地位。
RV减速器与机器人中常用的谐波减速器相比，具有较高的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定，不像谐波减速器那样随着使用时间增长，运动精度显著降低，因此世界上许多高精度机器人传动装置多采用RV减速器。
（1）RV减速器的特点
①传动比范围大，传动效率高。
②扭转刚度大，远大于一般摆线针轮减速器的输出机构。
③在额定转矩下，弹性回差小。
④传递同样转矩与功率时，RV减速器较其他减速器体积小。
（2）RV减速器的结构
图3-84RV减速器结构图
如图3-84所示，RV减速器主要由齿轮轴、行星轮、曲柄轴、摆线轮、针轮、刚性盘和输出盘等结构组成。
①齿轮轴。
齿轮轴又称为渐开线中心轮，用来传递输入功率，且与渐开线行星轮互相啮合。
②行星轮。
与曲柄轴固连，均匀分布在一个圆周上，起功率分流的作用，将齿轮轴输入的功率分流传递给摆线轮行星机构。
③曲柄轴。
曲柄轴是摆线轮的旋转轴。
它的一端与行星轮相连接，另一端与支撑圆盘相连接。
既可以带动摆线轮产生公转，也可以使摆线轮产生自转。
④摆线轮。
为了在传动机构中实现径向力的平衡，一般要在曲柄轴上安装两个完全相同的摆线轮，且两摆线轮的偏心位置相180°。
⑤针轮。
针轮上安装有多个针齿，与壳体固连在一起统称为针轮壳体。
⑥刚性盘。
刚性是动力传动机构，其上均匀分布轴承孔，曲柄轴的输出端通过轴承安装在这个刚性盘上。
⑦输出盘。
输出盘是减速器与外界从动工作机相连接的构件，与刚性盘相互连接成为一体，输出运动或动力。
（3）RV减速器的传动原理
如图3-85为RV传动简图。
RV传动装置是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成。
渐开线行星轮2与曲柄轴3连成一体，作为摆线针轮传动部分的输入。
如果渐开线中心轮1顺时针方向旋转，那么渐开线行星齿轮在公转的同时还进行逆时针方向自转，并通过曲柄轴带动摆线轮进行偏心运动，此时摆线轮在其轴线公转的同时，还将在针齿的作用下反向自转，即顺时针转动。
同时通过曲柄轴将摆线轮的转动等速传给输山机构。
1-渐开线屮心轮，2-渐开线行星轮，3-曲枘轴，4-摆线轮，5-针齿，6-输出盘，7-针齿充（机架）
图3-85RV传动简图
（4）RV减速器的传动过程
①笫一级减速的形成：
执行电动机的旋转运动由齿轮轴传递给两个渐幵线行星轮，进行第一级减速。
②第二级减速的形成：
行星轮的旋转通过曲柄轴#动相距180。
的摆线轮，从而生成摆线轮的公转；同时由于摆线轮存金转过程中受到固定于针齿壳上的针齿的作用力而形成与摆线轮公转方向相反的力矩，也造就了摆线轮的自转运动，这样完成了第二级减速。
③运动的输出通过两个曲柄轴使摆线轮和刚性盘构成平行四边形的等角速度输出机构，将摆线轮的转动等速传递给刚性盘及输出盘。
4.齿轮齿条
通常，齿条是固定不动的，当齿轮传动时，齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动，这样，齿轮的旋转运动就转换成为拖板的直线运动。
如图3-86所示，托板是由导杆或导轨支撑的，该装置的回差较大。
1-托板；2-导向杆；3-齿轮；4-齿条
图3-86齿轮齿条装置
3.6.2丝杠传动
1.普通丝杠
普通丝杠驱动是由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向移动，传动方式如图3-87所示。
当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，从而带动螺母沿丝杠轴向移动。
由于普通丝杠的摩擦力较大，效率低，惯性大，在低速时容易产生爬行现象，而且精度低，回差大，因此在机器人上很少采用。
（a）螺杆转动,螺母移动 （b）螺母转动,螺杆移动
（c）螺母固定,螺杆转动和移动 （d）螺杆固定,螺母转动和移动
图3-87普通丝杠的传动形式
2.滚珠丝杠
在机器人上经常采用滚珠丝杠，这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度很快，滚珠丝杠的基本组成如图3-88所示。
在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。
当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿着滚道滚动，螺母螺旋槽的两端用回珠管连接起来，使滚珠能作周而复始的循环运动，管道的两端还起着挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。
由于滚珠丝杠在丝杠螺母槽里放置了许多滚珠，传动过程中所受的摩擦力是滚动摩擦，可极大地减小摩擦力，因此传动效率高，消除了低速运动时的爬行现象。
在装配时施加一定的预紧力，可消除回差。
1-丝杠；2-.螺母；3-滚珠；4-导向槽
图3-88滚珠丝杠的基本组成
3.6.3连杆传动
连杆机构是指由若干（两个以上）有确定相对运动的构件用低副（转动副或移动副）联接组成的机构，，用以实现运动变换和传递动力。
连杆机构构件运动形式多样，如可实现转动、摆动、移动和平面或空间复杂运动，广泛应用于各种机械、仪表和机电产品中。
平面连杆机构中最基本也是应用最广泛的一种型式是由四个构件组成的铰链四杆机构。
如下图3-89所示。
机构中固定不动的构件称为机架。
与机架连接的构件是连架杆。
连架杆又分为曲柄和摇杆，若能绕机架作整周转动的连架杆则称为曲柄，只能绕着机架在一定范围内摆动的连架杆则称为摇杆。
不直接与机架相连的构件则是连杆。
图3-89平面四杆机构
铰链四杆机构按是否存在曲柄可分为三类：
铰链四杆机构的两个连架杆中，若一个是曲柄，另一个是摇杆，则称为曲柄摇杆机构，它可以实现将连续转动转换为摆动，或者将摆动转换为连续转动；具有两个曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄机构，它可以实现将等速转动转换为等速同向、不等速同向等多种转动；铰链四杆机构的两个连架杆若都是摇杆，则称为双摇杆机构，它可以实现将一种摆动转换为另一种摆动。
三种类型可以根据杆长条件来判断。
连杆机构存在急回特性。
以曲柄摇杆四杆机构为例，如下图3-90所示。
原动件曲柄作连续转动时，作往复运动的摇杆在空回行程的平均速度大于工作行程的特性称为急回特性。
急回特性可以采用行程速比系数或者极位夹角来描述。
急回平面连杆机构实现了机构工作行程的慢速进给和空回行程的快速退回，从而提高了生产率。
若摇杆CD为原动件，当连杆和曲柄在一条直线上时，机构的传动角γ=0º（α=90º），这时转动力矩为零，从动件不转动，机构处于停顿位置称为死点位置。
因此，由于机构有死点，从动件出现卡死或运动方向不确定现象，对传动不利，所以采用惯性等方法来克服死点。
当然，工程上也利用死点位置进行工作。
图3-90连杆机构特性图
连杆机构在工业机器人中应用广泛。
从机构学的角度来分析工业机器人时，一般将机器人简化成由连杆、关节和末端执行器首尾相接，通过关节相连而构成的一个开式连杆系，在连杆系的开端安装有末端执行器。
因此连杆机构的传动特点也适用于工业机器人。
例如，如下图3-91所示，可以采用液压缸-连杆机构实现机器人手臂关节的回转运动。
图3-91采用活塞杆和连杆机构的一种双臂机器人手臂
3.6.4带传动
带传动是一种应用很广泛的机械传动装置，它是利用传动带作为中间的挠性件，依靠传动带与带轮之间的摩擦力或者啮合力来传递运动和动力。
根据传动原理，带传动可分为摩擦型带传动和啮合型带传动。
机器人中采用带传动原理来进行动力运动和动力传递的传动方式有以下两种。
1.绳传动与钢带传动
（1）绳传动
绳传动广泛应用于机器人的手爪开合传动，特别适合有限行程的运动传递。
绳传动的主要优点是：
钢丝绳强度大，各方向上的柔软性好，尺寸小，预载后有可能消除传动间隙。
绳传动的主要缺点是：
不加预载时存在传动间隙；因为绳索的蠕变和索夹的松弛使传动不稳定；多层缠绕后，在内层绳索及支承中损耗能量；效率低；易积尘垢。
（2）钢带传动
钢带传动的优点是传动比精确，传动件质量小，惯量小，传动参数稳定，柔性好，不需润滑，强度高。
图3-92所示为钢带传动，钢带末端紧固在驱动轮和被驱动轮上，因此，摩擦力不是传动的重要要素。
钢带传动适合于有限行程的传动。
图3-92（a）所示适合于等传动比；图3-92（c）所示适合于变化的传动比；图3-92（b）和图3-92（d）所示为一种直线传动，而图3-92（a）和图3-92（c）所示为一种回转传动。
（a）等传动比回转传动 （b）等传动比直线传动
（c）变传动比回转传动 （d）变传动比直线传动
图3-92钢带传动
2.同步带
在工业机器人中同步带传动主要用来传递平行轴间的运动。
同步传送带和带轮的接触面都制成相应的齿形,靠啮合传递功率,其传动原理如图3-93所示。
齿的节距用包络带轮时的圆节距t表示。
同步带的计算公式为：
式中：
n1为主动轮转速（r/min）；n2为被动轮转速（r/min）；z1为主动轮齿数；z2为被动轮齿数。
同步带传动的优点：
传动时无滑动，传动比准确，传动平稳；速比范围大；初始拉力小；轴与轴承不易过载。
但是，这种传动机构的制造及安装要求严格，对带的材料要求也较高，因而成本较高。
同步带传动适合于电动机和高减速比减速器之间的传动。
图3-93同步带传动原理
3.6.5链传动
链传动是依靠链轮轮齿与链条链节之间的啮合来传动运动和动力，是以链条为中间挠性件的啮合传动。
它由主动链轮、从动链轮、链、机架构成链传动系统。
图3-94链传动原理
链传动具有以下优点：
①与带传动相比，链传动没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比；效率较高；②与带传动相比，需要的张紧力小，作用在轴上的径向压力小，可减少轴承的摩擦损失；③与齿轮传动相比，制造和安装精度较低，中心距较大时其传动结构简单。
④能在高温，有油污等恶劣环境下工作。
链传动也存在一定的缺点，链传动具有多边形效应（即运动不均匀性），造成链传动瞬时速度不均匀，传动的平稳性较差，并附加有一定的冲击和噪声；此外链传动无过载保护作用；磨损后易发生跳齿、掉链。
链传动广泛应用于工程机械中。
同样，链传动也在机器人传动系统也有应用。
如下图3-95所示为BJDP-1型电动喷砂机器人，采用了链轮链条传动机构来实现腕部的俯仰。
图3-95BJDP-1型电动喷砂机器人
【本课小结】
本课主要讲解了工业机器传动系统，涉及机器人传动系统的功用、类型；以及几种常见的传动方式：
齿轮链、齿轮齿条、谐波减速器、RV减速器、摆线针轮减速器、普通丝杠、滚珠丝杠、连杆传动、带传动、链传动。
升级会员 