第2章机器人机械系统1

第2章工业机器人机械系统设计（1）主要内容：1、工业机器人机械系统设计准则、步骤及设计要点；2、液压、气动和电气三种驱动方式的特点、设计要
点；3、工业机器人工作站气压传动系统的设计要点和常见故障；4、关节驱动电机的类型、特点与选用；5、工业机器人主流驱动电机---交流
伺服电机的工作原理、选用和常见故障；6、工业机器人减速器的作用、选用注意事项；7、工业机器人主流减速器---谐波齿轮减速器和RV减
速器工作原理及特点；8、工业机器人流行动力传递方案分析-----以安川机器人为例，对各个关节的驱动方式、机械传动方案及常见故障进行
案例分析。2.1.1机器人整机设计原则（1）最小运动惯量原则由于机器人运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动，采
用最小运动惯量原则，可增加机器人运动平稳性，提高操作机动力学特性。为此，在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下，尽量减小运动部件的
质量，并注意运动部件对转轴的质心配置。（2）尺度规划优化原则当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸
，这将有利于机器人刚度的提高，使运动惯量进一步降低。（3）高强度材料选用原则由于机器人从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起
作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。（4）刚度设计的原则机器人设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大，
必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。（5）可靠性原
则机器人操作机因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整
机的可靠性。可以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构，也可以通过系统可靠性综合方法评定操作机系统的可靠性。（6）工艺性
原则机器人是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好
的工艺性，必然导致机器人性能的降低和成本的提高。2.1.2工业机器人总体设计系统分析技术设计系统分析（1）根据机器人的使用
场合，明确采用机器人的目的和任务。（2）分析机器人所在系统的工作环境，包括与己有设备的兼容性。（3）认真分析系统的工作要求，确定机
器人的基本功能和方案。（4）进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料，进行综合分析，找出借鉴、选用之处和需要注意的问题。技术
设计自由度工作范围承载能力运动速度定位精度等1.机器人基本参数的确定直角坐标型圆柱坐标型极坐标型关节型SCARA型2.机器人
运动形式的选择3.拟定检测传感系统框图选择合适的传感器，以便结构设计时考虑安装位置。4.确定控制系统总体方案，绘制框图选择机器
人的控制方式，确定控制系统类型，设计计算机控制硬件电路并编制相应控制软件。最后确定控制系统总体方案，绘制出控制系统框图，并选择合适
的电器元件。5.机械结构设计确定驱动方式，选择运动部件和设计具体结构，绘制机器人总装图及主要零部件图。2.2驱动机构（Driv
eMechanism）用来把驱动器（Actuators）的运动传递到关节和动作部位。分类：按实现的运动方式：直线驱动机构旋转
驱动机构2种按驱动方式：液压驱动气压驱动电气驱动3种基本类型2.2.1三种驱动方式液压驱动首先提问？1、工作介质？2、工作压力
？3、液压元件的类型？4、液压元件的图形符号？5、直线运动的实现？6、旋转运动的实现？典型液压回路气压驱动工作介质?压缩空气（Co
mpressedAir）系统压力?小于0.7MPa典型气动回路图摩托车车架焊接机器人工作站气动系统原理图电气驱动控制类电机步
进电机（SteppingMotor）直流伺服电机（DCServoMotor）交流伺服电机（ACServoMotor
新型驱动元件压电元件(piezoelectricactuator)形状记忆合金(shapememoryalloyac
tuator)其它新型功能材料（一）步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。结构：主要由定子、转子和励磁绕组三部分
组成。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。定子和转子均由带齿的硅钢片叠成。一般
用于开环系统这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛
应用。一般用于经济型机器人和经济型数控机床。（二）直流伺服电机定子：磁场—永磁体转子：电枢绕组换向：换向器与碳刷通电线圈与磁场的相
互作用产生了伺服电机的转矩为了得到连续的旋转方向,必须随着转子的转动角度不断改变电流方向,因此,必须有换向器与碳刷。实用中转子上的
绕组是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。Features:优点：起动转矩大、体积小、重量轻、转矩
和转速容易控制、效率高。缺点：由于电刷和换向器的存在，其寿命、噪声等方面存在不足。开发研制了无刷直流电机（brushless）（三
）交流伺服电机－－BrushlessMotor改变电机的结构–—磁极作转子，线圈作定子。目前，主要应用的是永磁式交流同步电机
（SynchronousMotor）。结构：定子具有齿槽，内装三相绕组，形状与普通感应电机相同；转子由多块永久磁铁和冲片组成。
定子转子光电编码器工作原理：驱动器控制的U/V/W三相电，使定子三相绕组通上交流电，产生一个同步转速为ns的旋转磁场。按照同性相斥
、异性相吸的原理，定子旋转磁极就要与转子的永磁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转。因此，转子也将以ns与旋转磁场一起旋转。式中：f
—电源频率；p—极对数(2，4，6)；s—转速滑差率。对于异步电机，s≠０；对于同步电机，则s＝０。结论：交流伺服电机变频调
速的关键是要获得可调频调压的交流电源。可控硅整流器逆变器逆变器整流器交流伺服电机的变频调速：需要相当于变频器(Inverter
)功能的电路----放置在控制器中。频率的调节范围：0～400Hz交-交变频器（直接式）交-直-交变频器（间接式）变频调速电压型
变频调速方案示意图交流伺服电动机的选用由于机器人要求结构紧凑、重量轻、运动特性好，故希望在同样功率的情况下，电动机重量要轻、外形尺
寸要小。特别是装在机器人横臂或立臂内部的电动机，重量要尽可能轻，外形尺寸要尽可能小。根据动力学计算得到的各轴所需的传动扭矩，除以减
速器的减速比，再将传动链的效率，如减速机的效率、轴承的效率和齿轮的效率等考虑进去，并考虑各轴所需的转速（运动耦合因素也要考虑在内）
，就可以选用电动机了。在选用时要注意，交流伺服电动机的速度是可调节的，且在相当大的转速范围内电动机输出的转矩是恒定的，故选用电动机
时只要电动机的额定转速大于各轴所需的最高转速就行。?同时还要注意与交流伺服电动机配置在一起的位置编码器的选用，并注明电动机是否需要
带制动器等。故障：电机抱闸失灵交流伺服电机的特点没有电刷等磨损元件；外形尺寸小；可频繁起、制动；能在重载下高速运行；加速性能好；能
实现动态控制和平滑运动；控制复杂，驱动器参数需要现场调整。2.2.2二种驱动机构（一）直线驱动机构（LinearDrives）
齿轮齿条装置(RackandPinion)普通丝杠(LeadScrew)滚珠丝杠（BallScrews;low
frictionrapidresponse）广泛使用1、机械装置2、液压驱动3、气压驱动Cylinders（二）旋转驱动机构（
RotaryDrive）1、齿轮链(GearTrains)：由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。传动误差大。2、同步皮带(T
imingBelt)：带齿的皮带，teethmoldedintothebelt,flexibility,lowc
ost。齿轮传动同步带传动3、谐波齿轮减速器（HarmonicDrives）结构：刚轮、柔轮、谐波发生器三大件刚轮:刚性的不可形
变的内齿型齿轮。柔轮:薄壳形元件，具有弹性的外齿型齿轮。随着内部凸轮（波发生器）转动，薄壁轴承的外环作椭圆形变形运动（弹性范围内
）。谐波发生器：通常为椭圆形凸轮。其旋转起来后，会对周围的薄壁轴承（柔轮）造成周期性的波状挤压力。刚轮的内齿圈柔轮的外齿谐波发生器
装配好后工作原理：谐波发生器为主动件，柔轮为从动件，刚轮固定。当谐波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面从原始的圆形变为椭圆形。其长
轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合；其余不同区段内的齿，有的处于啮入状态，有的处于啮出状态。当谐波发生器连续转动时，柔轮的变形部位
也随之转动，使柔轮的齿依次进入啮合，然后再依次退出啮合，从而实现啮合传动。柔轮和刚轮的齿距相同，但齿数比刚轮少2个，所以柔轮
在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的（刚轮=100，谐波发生器
=50转，柔轮=1转，即谐波发生器转1圈，柔轮沿反向转2个齿距）。4、RV(Rot-Vector)摆线针轮传动减速器是20世纪8
0年代日本研制用于机器人关节的传动装置。由渐开线圆柱齿轮行星减速机构和摆线针轮行星减速机构二部分组成。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。1是渐开线齿轮，2是双偏心轴，3是摆线轮，4是针齿。安装行星轮轴承行星轮3个or2个，动力分流
3个曲柄轴，偏心180度，安装摆线轮2个，两端轴承支撑在端盖上。2个相同的摆线轮，齿数比针轮少一个。针轮（固定）输入轴输出轴优点：
传动比范围大i=31~171运动精度高、回差小、刚度大、抗冲击能力强体积小、结构紧凑多齿啮合，承载能力大传动效率高~日本Nabtesco公司是目前世界上生产摆线针轮减速器规模最大的企业之一。机器人六个关节所用RV减速器的布局总结：机器人上所用的减速器，常见的有RV减速器和谐波减速器。RV减速器具有长期使用不需再加润滑剂、寿命长、刚度好、减速比大、低振动、高精度、保养便利等优点。缺点是重量重，外形尺寸较大。谐波减速器的优点是重量较轻，外形尺寸较小，减速比范围大，精度高，但刚性较差。建议：机器人设计中，一般1、2、3轴均采用RV减速器，4、5、6轴常用谐波减速器。谢谢观看！