【文章內(nèi)容簡介】 精度和減小回程誤差為主的傳動齒輪系統(tǒng)，按總轉角誤差最小原則；對于增速傳動，由于增速時容易破壞傳動齒輪系工作的平穩(wěn)性，應在開始幾級就增速，并且要求每級增速比最好大于1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動誤差。（4）對以比較大傳動比傳動的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系結合為混合輪系。對于相當大大傳動比、并且要求傳動精度與傳動效率高，傳動平穩(wěn)以及體積小重量輕時?？蛇x用新型的諧波齒輪傳動。諧波齒輪傳動具有結構簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。故在工業(yè)機器人系統(tǒng)中得到廣泛的應用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質上的差別。螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)龋挥幸詡鬟f運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結構簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%~40%）。后者雖然結構復雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%~98%），其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。通過預緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進給精度和重復定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器人中應用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構或制動裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項指標：（1）滾珠絲杠的精度等級；（2）滾珠絲杠的傳動間隙允許值和預加載荷的期望值；（3）載荷條件（靜、動載荷）以及載荷允許值；（4）滾珠絲杠的工作壽命；（5）滾珠絲杠的臨界轉速；（6）滾珠絲杠的剛度；減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結構，使螺母與絲杠之間有一定的預加載荷。這樣可以消除傳動間隙，提高傳動精度與剛度。但是預加載荷會使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預加載荷不應超過工作載荷的1/3。同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動比準確、傳動效率高（可達98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10，結構緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機器人中使用很多。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，同時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結構簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅動力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。在機器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機器人末端的重量，一般都將腕關節(jié)驅動電機安裝在小臂后端或大臂關節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。鋼絲繩輪傳動具有結構簡單、傳動剛度大、結構柔軟，成本較低等優(yōu)點。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。 設計具體采用方案具體到本設計，因為選用了液壓缸作為機械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓缸實現(xiàn)直接驅動，它既是關節(jié)機構，又是動力元件。故不需要中間傳動機構，這既簡化了結構，同時又提高了精度。而機械手腰部的回轉運動采用步進電機驅動，必須采用傳動機構來減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，同時較大的降低電機轉速，以使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下。由于液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉換（電能轉換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調速，效率比電動驅動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。由于低慣量、大轉矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調制器）的廣泛采用，這類驅動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅動系統(tǒng)高。但因為這類驅動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。 工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)的選擇原則設計機器人時，驅動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機器人的用途、作業(yè)要求、機器人的性能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅動系統(tǒng)特點的基礎上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟性及可靠性后進行最終的選擇。一般情況下：（包括上下料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負荷的選擇液壓驅動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅動系統(tǒng)。沖壓機器人多采用氣動驅動系統(tǒng)。，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、弧焊機器人多采用電動驅動系統(tǒng)。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅動系統(tǒng)。 機器人液壓驅動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自1962年在世界上第一臺機器人中應用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機器人中獲得了廣泛的應用。目前，雖然在中等負荷以下的工業(yè)機器人中大量采用電機驅動系統(tǒng)，但是在簡易經(jīng)濟型、重型的工業(yè)機器人和噴涂機器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。液壓系統(tǒng)在機器人中所起的作用是通過電液轉換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機器人手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動馬達，連續(xù)回轉的液壓馬達用得很少。在工業(yè)機器人中，中、小功率的液壓驅動系統(tǒng)用節(jié)流調速的為多，大功率的用容積調速系統(tǒng)。節(jié)流調速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。容積調速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。機器人液壓驅動系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。這類機器人屬非伺服控制的機器人，在只有簡單搬運作業(yè)功能的機器人中，常常采用簡易的邏輯控制裝置或可編程控制器對機器人實現(xiàn)有限點位的控制。這類機器人的液壓系統(tǒng)設計要重視以下方面：（1）液壓缸設計：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減小摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。（2）定位點的緩沖與制動：因為機器人手臂的運動慣量比較大，在定位點前要加緩沖與制動機構或鎖定裝置。（3）對慣量比較大的運動軸的液壓缸兩側最好加設安全保護回路，防止因碰撞過載而損壞機械結構。（4）液壓源應該加蓄能器，以利于多運動軸同時動作或加速運動提供瞬時能量儲備。具有點位控制和連續(xù)軌跡控制功能的工業(yè)機器人，需要采用電液伺服驅動系統(tǒng)。其電液轉換和功率放大元件有電液伺服閥，電液比例閥，電液脈沖閥等。由以上各類閥件與液壓動力機構可組成電液伺服馬達，電液伺服液壓缸，電液步進馬達，電液步進液壓缸，液壓回轉伺服執(zhí)行器（RSARotory Serve Actuator）等各種電液伺服動力機構。根據(jù)結構設計的需要，電液伺服馬達和電液伺服液壓缸可以是分離式，也可以是組合成為一體。如果是分離式的連接方式，要盡量縮短連接管路，這樣可以減少伺服閥到液壓機構間的管道容積，以增大液壓固有頻率。在機器人的驅動系統(tǒng)中，常用的電液伺服動力機構是電液伺服液壓缸和電液伺服擺動馬達，也可以用電液步進馬達。液壓回轉執(zhí)行器是一種由伺服電機，步進電機或比例電磁鐵帶動的一個安放在擺動馬達或連續(xù)回轉馬達轉子內(nèi)的一個回轉滑閥，通過機械反饋，驅動轉子運動的一種電液伺服機構。它可安裝在機器人手臂和手腕的關節(jié)上，實現(xiàn)直接驅動。它既是關節(jié)機構，又是動力元件。 機器人氣動驅動系統(tǒng)氣動機器人采用壓縮空氣為動力源，一般從工廠的壓縮空氣站引到機器人作業(yè)位置，也可以單獨建立小型氣源系統(tǒng)。由于氣動機器人具有氣源使用方便、不污染環(huán)境、動作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡便以及適宜在惡劣環(huán)境下工作等特點，因此它在沖壓加工、注塑及壓鑄等有毒或高溫條件下作業(yè)，機床上、下料，儀表及輕工行業(yè)中、小型零件的輸送和自動裝配等作業(yè)，食品包裝及運輸，電子產(chǎn)品輸送、自動插接，彈藥生產(chǎn)自動化等方面獲得大量應用。氣動驅動系統(tǒng)在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式的或有限點位控制的中、小機器人中的。這類機器人多是圓柱坐標型和直角坐標型或二者的組合型結構；35個自由度；負荷在200N以下；速度3001000mm/s；重復定位精度為+/。5mm?？刂蒲b置目前多數(shù)選用可編程控制器（PLC）。在易燃、易爆的場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。氣動驅動系統(tǒng)大體由以下幾部分組成。 由總壓縮空氣站提供。氣源部分包括空氣壓縮機，儲氣罐，氣水分離器，調壓器，過濾器等。如果沒有壓縮空氣站的條件，可以按機器人及配套的其他氣動設備需要配置相應供氣量的氣源設備。 由分水濾氣器，調壓器，油霧器三大件組成，可以是分離式，也可以是三聯(lián)組裝式的，多數(shù)情況下用三聯(lián)組裝式結構。不論是由壓縮空氣站供氣還是用單獨的氣源，氣動三聯(lián)件是必備的。雖然用無潤滑氣缸可以不用油霧器，但是一般情況下，建議也在氣路上裝上油霧器，以減少氣缸摩擦力，增加使用壽命。 氣動閥的種類很多，在工業(yè)機器人的氣動驅動系統(tǒng)中，常用的閥件有電磁氣閥、節(jié)流調速閥、減壓閥等。 多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動氣缸）。直線氣缸分單動式和雙動式兩類。除個別用單動式氣缸外（如手爪機構上用的），多數(shù)采用雙動氣缸。為實現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點位置緩沖的氣缸。氣缸的結構形式以及與機器人機構的連接方式（如法蘭連接，尾部鉸接，前端或中間鉸接，氣缸桿的螺紋連接或鉸接等）由設計機器人時根據(jù)結構要求而定。氣缸的內(nèi)徑，行程大小可根據(jù)對機器人的運動分析和動力分析進行計算。為了確保氣缸的密封要求，同時又要盡量降低摩擦力，密封材料要選用橡膠和氟化塑料組合的密封環(huán)。無接觸感應式氣缸目前在氣動系統(tǒng)中已獲得廣泛的應用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過磁感應，使在氣缸外面安裝的非接觸磁性接近開關動作發(fā)訊，進行位置檢測。除了直線氣缸外，機器人中用得比較多還有有限角擺動氣缸，這種擺動缸多用于手腕機構上。 氣動機器人的定位問題很大程度上是如何實現(xiàn)停點的制動。，如果氣缸以1m/s的速度計算，電磁氣閥以較大關閉時間70ms計，那么氣缸活塞兩個停點的距離約為70mm，兩個停點的步長應大于這個數(shù)值。對于小流量的電磁氣閥，吸合關閉時間較小，停點的步長也要相應縮短。因此對機器人一個單自由度而言，停點數(shù)目最多69個。為增加定位點數(shù)，除采用多位置氣缸外可采用制動的方法還有：反壓制動，制動裝置制動。 氣動機器人各運動軸的制動和定位點到位發(fā)訊，可由編程器發(fā)指令，或由限位開關發(fā)訊。根據(jù)要求和條件，如果選用無接觸感應式氣缸，其限位開關是無接觸接近開關，這種開關的反映時間小于20ms，在機器人中應用比較理想。當氣缸活塞運動到定位點時，為保證定位精度，需要將運動軸鎖緊。常用的限位機構是由電磁閥控制的氣缸帶動鎖緊機構（插鎖，滑塊等）將機器人運動機構鎖定。再啟動時，事先打開鎖緊機構。 機器人電動驅動系統(tǒng)這些年來，針對機器人，數(shù)控機床等自動機械而開發(fā)的各種類型的伺服電動機及伺服驅動器的大量出現(xiàn)，為機器人驅動系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。由于高起動力矩、大轉矩低慣量的交、直流電機在機器人中的應用，因此一般情況下，負重在100kg以下的工業(yè)機器人大多數(shù)采用電動驅動系統(tǒng)。其驅動原理方塊圖如下所示：在機器人驅動系統(tǒng)中應用的電動機大致可分為如下類型：小慣量永磁直流伺服電動機，有刷繞組永磁直流伺服電動機，大慣量永磁直流伺服電動機（力矩電機），反應式步進電機，同步式交流伺服電動機，異步式交流伺服電動機。速度傳感器多數(shù)用的是測速發(fā)電機，位置傳感器多數(shù)用光電編碼器。伺服電動機可與測速發(fā)電機、光電編碼器、制動器、減速器相結合，實現(xiàn)部分組合、由幾種組合或全部組合，形成伺服電動機驅動單元。為了提高機器人的傳動精度，國外近幾年開發(fā)了直接驅動電動機，并將多級旋轉變壓器組合在一起，這種旋轉變壓器每轉可達4060萬個脈沖，這種直接驅動的電機（DD驅動電機）在快速高精度定位的裝配機器人中已經(jīng)得到應用。機器人的驅動系統(tǒng)電機的選擇要根據(jù)機器人的用途、功能、結構特點，結合各類電機自身的特點、性能、結構特點以及性能價格比等綜合考慮進行。根據(jù)機器人各運動軸所計算的、要求電機的轉速、負載額定力矩、加減速特性、額定功率、加速功率等參數(shù)選擇電機型號。有關各類驅動電動機主要特點及性能、結構特點、用途及使用范圍、適用的驅動器見表21：表21名 稱主要特點及性能結構特點用途及使用范圍驅動器小慣量直流永磁伺服電動機電機的慣量小，理論加速度大，快速反應性好，低速性好，調速比可達1：10e4范圍，但低速輸出力矩不大， 轉子直徑小，慣量小適用于對快速性要求嚴格而負載力矩不大的場合直流PWM伺服驅動器SCR變壓驅動器有刷繞組永磁直流伺服電動機轉動慣量小，快速響應性能好；轉子無鐵損，效率高；換向性能好，壽命長；負載波動對轉速影響小，輸出力矩平穩(wěn)。無鐵心，具有軸向平面間隙可頻繁起制動、正反轉工作，響應迅速，適用于機器人，數(shù)控等直流PWM伺服驅動器，SCR變壓驅動器大慣量永磁直流伺