第2章機器人機械系統(tǒng)1課件

主要內(nèi)容：1、工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設(shè)計準則、步驟及設(shè)計要點；2、液壓、氣動和電氣三種驅(qū)動方式的特點、設(shè)計要點；3、工業(yè)機器人工作站氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計要點和常見故障；4、關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的類型、特點與選用；5、工業(yè)機器人主流驅(qū)動電機---交流伺服電機的工作原理、選用和常見故障；6、工業(yè)機器人減速器的作用、選用注意事項；7、工業(yè)機器人主流減速器---諧波齒輪減速器和RV減速器工作原理及特點；8、工業(yè)機器人流行動力傳遞方案分析-----以安川機器人為例，對各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式、機械傳動方案及常見故障進行案例分析。第2章工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設(shè)計（1）

（1）最小運動慣量原則由于機器人運動部件多，運動狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動，采用最小運動慣量原則，可增加機器人運動平穩(wěn)性，提高操作機動力學特性。為此，在設(shè)計時應(yīng)注意在滿足強度和剛度的前提下，盡量減小運動部件的質(zhì)量，并注意運動部件對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心配置。

2.1.1機器人整機設(shè)計原則

（2）尺度規(guī)劃優(yōu)化原則

當設(shè)計要求滿足一定工作空間要求時，通過尺度優(yōu)化以選定最小的臂桿尺寸，這將有利于機器人剛度的提高，使運動慣量進一步降低。（3）高強度材料選用原則

由于機器人從手腕、小臂、大臂到機座是依次作為負載起作用的，選用高強度材料以減輕零部件的質(zhì)量是十分必要的。（4）剛度設(shè)計的原則

機器人設(shè)計中，剛度是比強度更重要的問題，要使剛度最大，必須恰當?shù)剡x擇桿件剖面形狀和尺寸，提高支承剛度和接觸剛度，合理地安排作用在臂桿上的力和力矩，盡量減少桿件的彎曲變形。（5）可靠性原則

機器人操作機因機構(gòu)復雜、環(huán)節(jié)較多，可靠性問題顯得尤為重要。一般來說，元器件的可靠性應(yīng)高于部件的可靠性，而部件的可靠性應(yīng)高于整機的可靠性?？梢酝ㄟ^概率設(shè)計方法設(shè)計出可靠度滿足要求的零件或結(jié)構(gòu)，也可以通過系統(tǒng)可靠性綜合方法評定操作機系統(tǒng)的可靠性。（6）工藝性原則

機器人是一種高精度、高集成度的自動機械系統(tǒng)，良好的加工和裝配工藝性是設(shè)計時要體現(xiàn)的重要原則之一。僅有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計而無良好的工藝性，必然導致機器人性能的降低和成本的提高。2.1.2工業(yè)機器人總體設(shè)計（1）根據(jù)機器人的使用場合，明確采用機器人的目的和任務(wù)。（2）分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括與己有設(shè)備的兼容性。（3）認真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。（4）進行必要的調(diào)查研究，搜集國內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料，進行綜合分析，找出借鑒、選用之處和需要注意的問題。系統(tǒng)分析技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)分析

技術(shù)設(shè)計1.機器人基本參數(shù)的確定自由度工作范圍承載能力運動速度定位精度等

2.機器人運動形式的選擇

直角坐標型圓柱坐標型極坐標型關(guān)節(jié)型SCARA型確定驅(qū)動方式，選擇運動部件和設(shè)計具體結(jié)構(gòu)，繪制機器人總裝圖及主要零部件圖。3.擬定檢測傳感系統(tǒng)框圖選擇合適的傳感器，以便結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮安裝位置。4.確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖選擇機器人的控制方式，確定控制系統(tǒng)類型，設(shè)計計算機控制硬件電路并編制相應(yīng)控制軟件。最后確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制出控制系統(tǒng)框圖，并選擇合適的電器元件。5.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計2.2驅(qū)動機構(gòu)（DriveMechanism）

用來把驅(qū)動器（Actuators）的運動傳遞到關(guān)節(jié)和動作部位。按實現(xiàn)的運動方式：液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動電氣驅(qū)動

分類：按驅(qū)動方式：3種基本類型直線驅(qū)動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)2種2.2.1三種驅(qū)動方式液壓驅(qū)動首先提問？1、工作介質(zhì)？2、工作壓力？4、液壓元件的圖形符號？5、直線運動的實現(xiàn)？3、液壓元件的類型？6、旋轉(zhuǎn)運動的實現(xiàn)？典型液壓回路工作介質(zhì)?壓縮空氣（CompressedAir）氣壓驅(qū)動系統(tǒng)壓力?小于0.7MPa典型氣動回路圖摩托車車架焊接機器人工作站氣動系統(tǒng)原理圖電氣驅(qū)動

步進電機（SteppingMotor）直流伺服電機（DCServoMotor）

交流伺服電機（ACServoMotor控制類電機壓電元件(piezoelectricactuator)

形狀記憶合金(shapememoryalloyactuator)

其它新型功能材料新型驅(qū)動元件（一）步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。結(jié)構(gòu)：主要由定子、轉(zhuǎn)子和勵磁繞組三部分組成。定子上有六個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，每相對的兩個磁極組成一相，分成A、B、C三相。定子和轉(zhuǎn)子均由帶齒的硅鋼片疊成。三相四相五相六相等勵磁相數(shù)通電順序A—B—C—A…，步進電動機正轉(zhuǎn)，如何反轉(zhuǎn)？這種通電方式稱為三相三拍通常的通電方式為三相六拍A—AB—B—BC—C—CA—A…正轉(zhuǎn)A—AC—C—CB—B—BA—A…反轉(zhuǎn)可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。轉(zhuǎn)角（度）轉(zhuǎn)速(rpm）f---脈沖頻率（Hz）

N---脈沖數(shù)---步距離計算公式：角度如何控制？速度如何控制？脈沖信號：脈沖信號一般由單片機或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大?？刂葡到y(tǒng)組成信號分配和功率放大由驅(qū)動器來完成。ForExample驅(qū)動器這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟型機器人和經(jīng)濟型數(shù)控機床。一般用于開環(huán)系統(tǒng)實際應(yīng)用例子Y3150E型滾齒機的數(shù)控改造---鼓形齒輪加工

洛陽起重機廠步進電機數(shù)控系統(tǒng)桌面式3-D打印---步進電機系統(tǒng)通電線圈與磁場的相互作用產(chǎn)生了伺服電機的轉(zhuǎn)矩定子：磁場—永磁體轉(zhuǎn)子：電樞繞組換向：換向器與碳刷（二）直流伺服電機為了得到連續(xù)的旋轉(zhuǎn)方向,必須隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度不斷改變電流方向,因此,必須有換向器與碳刷。實用中轉(zhuǎn)子上的繞組是由多個線圈連接而成，以減少電動機電磁轉(zhuǎn)矩的波動，繞組形式同發(fā)電機。式中：n--電樞的轉(zhuǎn)速，r/min

U--電樞電壓

Ia--電機電樞電流

Ra--電樞電阻

Ke--電勢系數(shù)

轉(zhuǎn)速公式：改變電樞電壓U，實現(xiàn)直流伺服電機的調(diào)速，常用此方法，調(diào)速范圍較大。直流電機控制—改變電樞電壓來控制轉(zhuǎn)速PWM控制原理電樞電壓的平均值Ud：Us——電源電壓ton——開關(guān)接通時間T

——開關(guān)接通、斷開時間——占空比優(yōu)點：起動轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制、效率高。Features:缺點：由于電刷和換向器的存在，其壽命、噪聲等方面存在不足。開發(fā)研制了無刷直流電機（brushless）（三）

交流伺服電機－－BrushlessMotor改變電機的結(jié)構(gòu)–—磁極作轉(zhuǎn)子，線圈作定子。目前，主要應(yīng)用的是永磁式交流同步電機（SynchronousMotor）

。結(jié)構(gòu)：定子具有齒槽，內(nèi)裝三相繞組，形狀與普通感應(yīng)電機相同；轉(zhuǎn)子由多塊永久磁鐵和沖片組成。定子轉(zhuǎn)子光電編碼器驅(qū)動器控制的U/V/W三相電，使定子三相繞組通上交流電，產(chǎn)生一個同步轉(zhuǎn)速為ns的旋轉(zhuǎn)磁場。按照同性相斥、異性相吸的原理，定子旋轉(zhuǎn)磁極就要與轉(zhuǎn)子的永磁磁極互相吸引，并帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)子也將以ns與旋轉(zhuǎn)磁場一起旋轉(zhuǎn)。工作原理：式中：f—電源頻率；p

—極對數(shù)(2，4，6)；s—轉(zhuǎn)速滑差率。對于異步電機，s≠０；對于同步電機，則s＝０。結(jié)論：交流伺服電機變頻調(diào)速的關(guān)鍵是要獲得可調(diào)頻調(diào)壓的交流電源。交流伺服電機的變頻調(diào)速：需要相當于變頻器(Inverter)功能的電路----放置在控制器中。變頻調(diào)速交-交變頻器（直接式）交-直-交變頻器（間接式）可控硅整流器逆變器整流器逆變器電壓型變頻調(diào)速方案示意圖頻率的調(diào)節(jié)范圍：0～400Hz交流伺服驅(qū)動器的電路構(gòu)成

----由功率逆變電路（交-直-交，同變頻器）控制電路（三環(huán)）、開關(guān)電源和接口電路等部分組成。

交流伺服驅(qū)動器的電路原理矢量控制算法是目前在伺服驅(qū)動器當中應(yīng)用最多最為成熟的一種基本控制算法，該算法以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場為參考坐標系，將定子電流分解為直流和交流兩個分量，直流分量能夠調(diào)節(jié)電機勵磁，而交流分量正比于電機電磁轉(zhuǎn)矩，這樣就實現(xiàn)了電機電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制，從而可以取得像控制直流電機一樣的控制效果。普遍采用IPM模塊和IGBT模塊來實現(xiàn)逆變。控制電路是驅(qū)動裝置的控制核心，一般由DSP+CPLD(或FPGA)及其外圍電路組成。DSP完成鍵盤掃描、顯示、通信、電流／速度／位置控制、PWM波輸出以及電機控制核心算法等的處理。CPLD(或FPGA)則配合DSP，實現(xiàn)可編程I／O、I/0的點數(shù)擴展以及高頻脈沖信號的處理等工作。當前伺服系統(tǒng)普遍都采用基于矢量控制的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，其中調(diào)節(jié)器采用傳統(tǒng)的PI控制算法。

伺服電機外圍接線圖交流伺服電機的工作模式位置控制模式速度控制模式轉(zhuǎn)矩控制模式根據(jù)實際需要選擇一種或二種工作模式。當選擇二種工作模式時，需要通過外部開關(guān)來選擇。位置控制模式上位機產(chǎn)生脈沖來控制伺服電機轉(zhuǎn)動。脈沖的數(shù)量決定伺服電機轉(zhuǎn)動的角度（關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度或工作臺移動的距離），脈沖的頻率決定電機轉(zhuǎn)速。如機器人關(guān)節(jié)角度控制和數(shù)控機床工作臺位置控制，屬于位置控制模式。速度控制模式維持電機的轉(zhuǎn)速保持不變。當負載增大時，電機輸出的轉(zhuǎn)矩也增大；當負載減小時，電機輸出的轉(zhuǎn)矩也減小。轉(zhuǎn)矩控制模式維持電機的輸出的轉(zhuǎn)矩保持不變。當負載變化時，電機的轉(zhuǎn)速也在變化。如恒張力系統(tǒng)、收卷系統(tǒng)等。由于機器人要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、運動特性好，故希望在同樣功率的情況下，電動機重量要輕、外形尺寸要小。特別是裝在機器人橫臂或立臂內(nèi)部的電動機，重量要盡可能輕，外形尺寸要盡可能小。

交流伺服電動機的選用根據(jù)動力學計算得到的各軸所需的傳動扭矩，除以減速器的減速比，再將傳動鏈的效率，如減速機的效率、軸承的效率和齒輪的效率等考慮進去，并考慮各軸所需的轉(zhuǎn)速（運動耦合因素也要考慮在內(nèi)），就可以選用電動機了。

同時還要注意與交流伺服電動機配置在一起的位置編碼器的選用，并注明電動機是否需要帶制動器等。在選用時要注意，交流伺服電動機的速度是可調(diào)節(jié)的，且在相當大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)電動機輸出的轉(zhuǎn)矩是恒定的，故選用電動機時只要電動機的額定轉(zhuǎn)速大于各軸所需的最高轉(zhuǎn)速就行。故障：電機抱閘失靈交流伺服電機的特點沒有電刷等磨損元件；外形尺寸小；可頻繁起、制動；能在重載下高速運行；加速性能好；能實現(xiàn)動態(tài)控制和平滑運動；控制復雜，驅(qū)動器參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)整。驅(qū)動控制系統(tǒng)組成半閉環(huán)系統(tǒng)全閉環(huán)系統(tǒng)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng)：其測量反饋信號是從驅(qū)動裝置（常用伺服電機）或從傳動中端引出的，間接測量運動部件的移動量。誤差補償消除傳動環(huán)節(jié)的誤差，機器人與數(shù)控機床中廣泛應(yīng)用。直接對運動部件的實際位置進行測量，可消除中間傳動環(huán)節(jié)的誤差，位置控制精度高，但檢測傳感器價格高，多用于超精設(shè)備。如鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)（一）直線驅(qū)動機構(gòu)（LinearDrives）1、機械裝置齒輪齒條裝置(RackandPinion)

普通絲杠(LeadScrew)

滾珠絲杠（BallScrews;lowfrictionrapidresponse）廣泛使用2、液壓驅(qū)動3、氣壓驅(qū)動Cylinders2.2.2二種驅(qū)動機構(gòu)（二）旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)（RotaryDrive）1、齒輪鏈(GearTrains)：由兩個或兩個以上的齒輪組成的傳動機構(gòu)。傳動誤差大。2、同步皮帶(TimingBelt)：帶齒的皮帶，teethmoldedintothebelt,flexibility,lowcost。齒輪傳動同步帶傳動3、諧波齒輪減速器（HarmonicDrives）諧波發(fā)生器：通常為橢圓形凸輪。其旋轉(zhuǎn)起來后，會對周圍的薄壁軸承（柔輪）造成周期性的波狀擠壓力。結(jié)構(gòu)：剛輪、柔輪、諧波發(fā)生器三大件

剛輪:剛性的不可形變的內(nèi)齒型齒輪。柔輪:薄殼形元件，具有彈性的外齒型齒輪。隨著內(nèi)部凸輪（波發(fā)生器）轉(zhuǎn)動，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形變形運動（彈性范圍內(nèi)）。剛輪的內(nèi)齒圈柔輪的外齒諧波發(fā)生器裝配好后工作原理：當諧波發(fā)生器裝入柔輪后，迫使柔輪的剖面從原始的圓形變?yōu)闄E圓形。其長軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合；其余不同區(qū)段內(nèi)的齒，有的處于嚙入狀態(tài)，有的處于嚙出狀態(tài)。當諧波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時，柔輪的變形部位也隨之轉(zhuǎn)動，使柔輪的齒依次進入嚙合，然后再依次退出嚙合，從而實現(xiàn)嚙合傳動。諧波發(fā)生器為主動件，柔輪為從動件，剛輪固定。柔輪和剛輪的齒距相同，但齒數(shù)比剛輪少2個，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉(zhuǎn)過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了減速的目的（剛輪=100，諧波發(fā)生器=50轉(zhuǎn)，柔輪=1轉(zhuǎn)）。1.結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕。3.運動精度高和承載能力大。由于多齒嚙合，與相同精度的普通齒輪相比，其運動精度能提高四倍左右。受載能力也