【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 測(cè)速機(jī)、編碼器、減速器及制動(dòng)器東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 組裝在一次加工的殼體中，使得整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)體積小，可靠性和通用性也得到很大提高 。另外，電動(dòng)機(jī)根據(jù)運(yùn)行距離及電機(jī)的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，可達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度，這些都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)的，液壓與氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成機(jī)構(gòu)繁瑣，維護(hù)不方便，液壓源和氣壓源裝置體積大，對(duì)于關(guān)節(jié)機(jī)器人來(lái)說(shuō)也是一個(gè)無(wú) 法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)于關(guān)節(jié)機(jī)器人操作機(jī)械手所要求的位置精度，液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)也很難滿(mǎn)足。 綜上所述，本文選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)裝置 的對(duì)比分析及選擇 通常，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種 [3]： ：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制；位置誤差不會(huì)積累；步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力（變磁阻式）和保持轉(zhuǎn)矩（永磁式）的能力，有利于控制系統(tǒng)的定位。但步進(jìn)電機(jī)基本上不具有過(guò)載能力，功率偏大者，體積較大，并且其空間分辨率較低；功率較小 者，只適于傳動(dòng)功率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人。 ：直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，成本較高，而且需要外圍轉(zhuǎn)換電路與微機(jī)配合實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。若使用直流伺服電機(jī)，還要考慮電刷放電對(duì)實(shí)際工作的影響。 ：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，體積較小，運(yùn)行可靠，使用維修方便，價(jià)格比直流伺服電機(jī)便宜，但高于步進(jìn)電機(jī)。隨著可關(guān)斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管 GTR 和場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET 等電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用 16 位 CPU+32 位 DSP 三環(huán)（位置、速度、電流）全數(shù)字控制，增量式碼盤(pán)的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過(guò)載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。 ：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率 /體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，而且其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護(hù)不方便。 由于本課題研 究的機(jī)器人的額定負(fù)載較小，體積和重量均要求較小，綜合分析后，決定采用交流伺服電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)。腰部、大臂和小臂要求動(dòng)態(tài)特性好、傳動(dòng)功率較大，采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；腕部雖然所需傳動(dòng)功率較小，為了統(tǒng)一也采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 減速裝置的對(duì)比分析與選擇 減速器的類(lèi)型主要有：漸開(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪減速器、圓錐圓柱齒輪減速器、圓弧圓柱蝸桿減速器、諧波傳動(dòng)減速器、擺線(xiàn)針輪減速器、行星齒輪減速器。 現(xiàn)在只考慮行星齒輪減速器和諧波齒輪減速器，現(xiàn)將二者進(jìn)行對(duì)比： 行星齒輪傳動(dòng) 1. 行星齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 行星齒輪傳動(dòng)與 普通齒輪傳動(dòng) 相比 ，他具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。在各種需要齒輪傳動(dòng)裝置中，行星齒輪傳動(dòng)已得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它的最顯著的特點(diǎn)是：在傳遞動(dòng)力時(shí)它可以進(jìn)行功率分流；同時(shí)，輸入軸與輸出軸具有同軸性，即輸出軸與輸入軸均設(shè)置在同一主軸線(xiàn)上。所以，行星齒輪傳動(dòng)現(xiàn)在 已被人們用來(lái)代替普通齒輪傳動(dòng)，而作為各種機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的減速器、 增速器和變速裝置。尤其是對(duì)于那些要求體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊和傳動(dòng)效率高的變速器。 2. 行星齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)如下 [17]： （ 1）體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大 由于行星齒輪具有功率分流和各 種中心輪購(gòu)成共軸線(xiàn)式的傳動(dòng)以及合理地應(yīng)用內(nèi)嚙合齒輪副，因此可使其結(jié)構(gòu)非常緊湊。再由于在中心輪的周?chē)鶆虻胤植夹切禽唩?lái)共同分擔(dān)載荷，從而使得每個(gè)齒輪所承受的負(fù)荷較小、并允許這些采用較小的模數(shù)。此外，在結(jié)構(gòu)充分利用內(nèi)齒嚙合承載能力大和內(nèi)齒圈本身的可容體積，從而有利于縮小其外廓尺寸，使其體積小，質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)非常緊湊，且承載能力大。一般，行星齒輪傳動(dòng)的外廓尺寸和質(zhì)量約為普通齒輪傳動(dòng)的 1/2～ 1/3（即在承受相同的載荷條件下）。 （ 2）傳動(dòng)效率高 由于行星齒輪結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，即它具有數(shù)個(gè)勻稱(chēng)分布的行星輪，使得作用于中心 輪和轉(zhuǎn)臂軸承中的反作用力能互相平衡，從而有利于達(dá)到提高傳動(dòng)效率的作用。在傳動(dòng)類(lèi)型選擇恰當(dāng)、其效率值可達(dá) ～ 。 （ 3）傳動(dòng)比較大 可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成與分解 只要適當(dāng)選擇行星齒輪傳動(dòng)類(lèi)型及配齒方案，便可以用少數(shù)幾個(gè)齒輪而獲得很大的傳動(dòng)比。在僅作為傳遞運(yùn)動(dòng)的行星齒輪傳動(dòng)中，其傳動(dòng)比可達(dá)到幾千。應(yīng)該指出，行星齒輪傳動(dòng)在其傳動(dòng)比很大時(shí)，仍然可保持結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、體積小等許多優(yōu)點(diǎn)。而且，它還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成與分解以及實(shí)現(xiàn)各種變速的復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。 （ 4）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、抗沖擊和振動(dòng)的能力較強(qiáng) 由于采用了數(shù)個(gè) 結(jié)構(gòu)相同的行星輪，均與地分布于中心輪的周?chē)?，從而可使行星輪與轉(zhuǎn)臂的慣性力相互平衡。同時(shí)，也使參與嚙合的齒數(shù)增多，故星星輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，抵抗沖擊和振動(dòng)的能力較強(qiáng)，工作可靠。 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 總之，行星齒輪傳動(dòng)具有質(zhì)量小、體積小、傳動(dòng)比大及效率高（類(lèi)型選用得當(dāng)）等優(yōu)點(diǎn)。因此，行星齒輪傳動(dòng)現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備。行星齒輪傳動(dòng)不僅適用于高轉(zhuǎn)速、大功率，而且在低速大轉(zhuǎn)矩的裝置上也已獲得了應(yīng)用。它幾乎可適用于一切功率和轉(zhuǎn)速范圍，故目前行星傳動(dòng)技術(shù)已成為世界各國(guó)機(jī)械傳動(dòng)發(fā)展的重點(diǎn)之一。在汽車(chē)工業(yè)行星齒輪的作用尤其得到體現(xiàn)。 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動(dòng)原理發(fā)展起來(lái)的一種新型減速器。諧波齒輪傳動(dòng)（簡(jiǎn)稱(chēng)諧波傳動(dòng)），它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機(jī)械波來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的一種行星齒輪傳動(dòng)。 1. 諧波齒輪傳動(dòng)由三個(gè)基本構(gòu)件組成： 一： 諧波發(fā)生器（簡(jiǎn)稱(chēng)波發(fā)生器） …… 是凸輪（通常為橢圓形）及薄壁軸承組成，隨著凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形變形運(yùn)動(dòng)（彈性范圍內(nèi)）。 二： 剛輪 …… 是剛性的內(nèi)齒輪。 三： 柔輪 …… 是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。 以上三個(gè)構(gòu)件可以任意固定一個(gè)，成為減速傳動(dòng)及增速傳動(dòng)，或者發(fā)生器、剛輪主動(dòng)， 柔輪從動(dòng) ，成為差動(dòng)機(jī)構(gòu)（即轉(zhuǎn)動(dòng)的代數(shù)合成）。諧波傳動(dòng)工作過(guò)程如 圖 ： 圖 諧波減速器構(gòu)件 2. 諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)原理： 當(dāng)波發(fā)生器為主動(dòng)時(shí)，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，就近使柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形），這時(shí)柔輪的齒就在變形的過(guò)程中進(jìn)入（嚙合）或退出（嚙離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長(zhǎng)軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完全的脫開(kāi)。 波發(fā)生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內(nèi)，再將它們裝入柔輪?wèn)|南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 內(nèi)。此時(shí)柔輪由原來(lái)的圓形而變成橢圓形，橢圓長(zhǎng)軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于 完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有 30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開(kāi)狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)脫開(kāi)；在波發(fā)生器長(zhǎng)軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長(zhǎng)的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開(kāi)狀態(tài)，稱(chēng)之為嚙出。 波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時(shí)波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就使柔輪齒的嚙入 —嚙合 —嚙出 —脫開(kāi)這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來(lái)的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱(chēng)之錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，正是這一錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，作為減速器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)檩敵龅牡退?轉(zhuǎn)動(dòng)。 對(duì)于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動(dòng)，當(dāng)波發(fā)生器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 1/8 周時(shí)，柔輪齒與剛輪齒就由原來(lái)的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來(lái)脫開(kāi)狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_(kāi)，嚙合變?yōu)閲С?，這樣柔輪相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)動(dòng)（角位移）了1/4 齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動(dòng) 1/8 周時(shí)，重復(fù)上述過(guò)程，這時(shí)柔輪位移一個(gè)齒距。依此類(lèi)推，波發(fā)生器相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，柔輪相對(duì)剛輪的位移為兩個(gè)齒距。 柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過(guò)程就如同兩個(gè)純滾動(dòng)（無(wú)滑動(dòng)）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長(zhǎng)上少 了兩個(gè)齒距，所以柔輪在嚙合過(guò)程中，就必須相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)過(guò)兩個(gè)齒距的角位移，這個(gè)角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了減速的目的。 波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使柔輪上的一點(diǎn)不斷的改變位置，這時(shí)在柔輪的節(jié)圓的任一點(diǎn)，隨著波發(fā)生器角位移的過(guò)程，形成一個(gè)上下左右相對(duì)稱(chēng)的和諧波，故稱(chēng)之為： ―諧波 ‖。 圖 諧波傳動(dòng)的工作原理 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 3. 傳動(dòng)特點(diǎn) ，體積小，重量輕 ； 諧波齒輪傳動(dòng)的主要構(gòu)件只有三個(gè)：波發(fā)生器、柔輪、剛輪。它與傳動(dòng)比相當(dāng)?shù)钠胀p速器比較，其零件減少 50%，體積和重量 均減少 1/3 左右或更多。 ； 單級(jí)諧波減速器傳動(dòng)比可在 50—300 之間，優(yōu)選在 75—250 之間； 雙級(jí)諧波減速器傳動(dòng)比可在 3000—60000 之間； 復(fù)波諧波減速器傳動(dòng)比可在 200—140000 之間。 ； 雙波諧波減速器同時(shí)嚙合的齒數(shù)可達(dá) 30%，甚至更多些。而在普通齒輪傳動(dòng)中，同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有 2—7%，對(duì)于直齒圓柱漸開(kāi)線(xiàn)齒輪同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有1—2 對(duì)。正是由于同時(shí)嚙合齒數(shù)多這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使諧波傳動(dòng)的精度高，齒的承載能力大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大速比、小體積。 ； 諧波齒輪傳動(dòng)同時(shí)嚙合齒數(shù)多，即承受載荷的齒數(shù)多，在材料和速比相同的情況下，受載能力要大大超過(guò)其它傳動(dòng)。其傳遞的功率范圍可為幾瓦至幾十千瓦。 ； 由于多齒嚙合，一般情況下，諧波齒輪與相同精度的普通齒輪相比，其運(yùn)動(dòng)精度能提高四倍左右。 ，無(wú)沖擊，噪聲小 ； 齒的嚙入、嚙出是隨著柔輪的變形，逐漸進(jìn)入和逐漸退出剛輪齒間的，嚙合過(guò)程中齒面接觸，滑移速度小，且無(wú)突然變化。 ； 諧波齒輪傳動(dòng)在嚙合中，柔輪和剛輪齒之間主要取決于波發(fā)生器外形 的最大尺寸，及兩齒輪的齒形尺寸，因此可以使傳動(dòng)的回差很小，某些情況甚至可以是零側(cè)間隙。 ； 與相同速比的其它傳動(dòng)相比，諧波傳動(dòng)由于運(yùn)動(dòng)部件數(shù)量少，而且嚙合齒面的速度很低，因此效率很高，隨速比的不同（ u=60250)，效率約在 65—96%左右（諧波復(fù)波傳動(dòng)效率較低），齒面的磨損很小。 ； 諧波齒輪減速器的高速軸、低速軸位于同一軸線(xiàn)上。 ； 采用密封柔輪諧波傳動(dòng)減速裝置，可以驅(qū)動(dòng)工作在高真空、有腐蝕性及其它東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 有害介質(zhì)空間的機(jī)構(gòu)，諧波傳動(dòng)這 一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難于達(dá)到的。 ； 由于諧波齒輪傳動(dòng)的效率高及機(jī)構(gòu)本身的特點(diǎn)，加之體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，因此是理想的高增速裝置。對(duì)于手搖發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等需要高增速的設(shè)備有廣闊的應(yīng)用前景。 。 由于諧波齒輪傳動(dòng)的三個(gè)基本構(gòu)件中，可以任意兩個(gè)主動(dòng)，第三個(gè)從動(dòng)，那么如果讓波發(fā)生器、剛輪主動(dòng)，柔輪從動(dòng)，就可以構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而方便的實(shí)現(xiàn)快慢速工作狀況。這一點(diǎn)對(duì)許多機(jī)床的走刀機(jī)構(gòu)很有實(shí)用價(jià)值，經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)，可以大大改變機(jī)床走刀部分的結(jié)構(gòu)性能。 由于自然形成的預(yù)加載諧波發(fā)生器嚙合齒數(shù)較多以及齒的嚙合比較平穩(wěn)，諧波齒輪傳動(dòng)的間隙幾乎為零，因此傳動(dòng)精度高。目前，機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有60%70%都是用諧波齒輪，所以本次設(shè)計(jì)也采用諧波齒輪傳動(dòng)。 通過(guò)各方面的綜合考慮，最后選用 XB2524A。 機(jī)器人傳動(dòng)方案的確定 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的查閱，分析了大量的工具書(shū)和網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)后，開(kāi)始了這次的畢業(yè)設(shè)計(jì) —— 六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人抓取 /上臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)?？偟目磥?lái)可分兩大部分設(shè)計(jì)：一是六自由度機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，二是六自由度機(jī)械手前臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 六自由度機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)即手部又稱(chēng)末端執(zhí)行器，是工業(yè)機(jī)器人直接進(jìn)行工作的部分，可以是個(gè)中夾持器。也可以是各種加工的刀具等，在這里選用是夾持器。常用的夾持器有：滑槽杠桿式、齒輪齒條式、扇齒齒條式、平行連桿杠桿式、滑塊搖桿式、彈簧外卡式、鋼絲柔性式、柔性材料式、電磁氣動(dòng)式等，由于此設(shè)計(jì)是柔性實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)機(jī)械手，且工件最重為 公斤，綜合考慮個(gè)夾持器的性能特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求，參照哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所的設(shè)計(jì)，決定采用電磁氣動(dòng)式夾持器，因?yàn)楣ぜ《覛鈩?dòng)夾持器體積小、反應(yīng)快、易于控制，并且能在市場(chǎng)上買(mǎi) 到。 由于此次設(shè)計(jì)難度比較大，而且時(shí)間比緊迫，沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在此采用市場(chǎng)上可以買(mǎi)到的外購(gòu)件 電磁氣動(dòng)式夾持器。外形見(jiàn)圖 。 東南 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 圖 電磁氣動(dòng)夾持器 六自由度機(jī)械手前臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 六自由度機(jī)械手前臂機(jī)構(gòu)主要包 括：腕部、小臂和大臂三部分。腕部與手部相連，通常有三個(gè)自由度 ，主要功能是帶動(dòng)手部完成預(yù)定姿態(tài)，是操作機(jī)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分。臂部用以鏈接腰部和手部，通常有兩個(gè)臂桿組成，用以帶動(dòng)腕部做平面運(yùn)動(dòng)。 常用的驅(qū)動(dòng)裝置有步進(jìn)電機(jī)、伺服電 機(jī)和直流 電機(jī)等，根據(jù)要求選用伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置。伺服電機(jī)體積小、傳動(dòng)精度高、噪音小。常用的減速方式有很多，最常用的有齒輪減速傳動(dòng)，它主要包括行星減速器、諧波齒輪減速器兩種。此次設(shè)計(jì)學(xué)用諧波減速器，它傳動(dòng)功率大比且較平穩(wěn)、噪聲小。故腕部旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)方式采用：伺服電機(jī) +諧波減速器。 驅(qū)動(dòng)裝置同上選擇伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。段距離的傳動(dòng)方式有齒