《工業(yè)機器人技術基礎》教學課件 模塊3 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)

工業(yè)機器人技術基礎模塊三工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)是由機械零件組成的工程系統(tǒng)，它是很多工具、機器及現(xiàn)代化設備的主體。從人類使用工具及金屬開始，各種機械結構不斷被應用于勞動生產。隨著物理學、數學及材料科學的發(fā)展，越來越多的新型結構被應用于各種機械產品。目錄單元1工業(yè)機器人機械系統(tǒng)概述單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)單元3工業(yè)機器人常用減速機單元1工業(yè)機器人機械系統(tǒng)概述單元1工業(yè)機器人機械系統(tǒng)概述最早的“機械”定義是古羅馬建筑師維特魯威在其著作《建筑十書》中所提出，主要是對搬運重物的機械和工具作了區(qū)別：“機械和工具之間似乎有著以下的區(qū)別，即機械是以多數人工和很大的力量而發(fā)生效果，如重弩炮和葡萄壓榨機；而工具則是由一名操縱人員慎重地處理來達到目的，如蝎形輕弩炮或不等圓的螺旋裝置?！币虼?，機械和工具都是實際生產中不可缺少的東西。古羅馬數學家希羅認為機械的要素有五類：輪與軸、杠桿、滑車、尖劈、螺旋。這一論述反映了古典機械的特征?，F(xiàn)代機械的定義來源于機械工程學。機器是執(zhí)行機械運動的裝置，用來變換或傳遞能量、物料、信息。在生產和日常生活中，機器已成為代替或減輕人類勞動、提高勞動生產率的主要手段。使用機器的水平是衡量一個國家現(xiàn)代化程度的重要標志，如圖3－1－1所示的就是一個比較復雜的機械系統(tǒng)。一、機械系統(tǒng)的意義單元1工業(yè)機器人機械系統(tǒng)概述工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)主要指的是本體部分的機械結構，它主要由驅動機構、傳動機構、執(zhí)行機構組成，如圖3－1－2所示。驅動機構是為機械的運動功能提供驅動力的機構，常用的有電機驅動機構、液壓驅動機構和氣動驅動機構。傳動機構是指把驅動機構的動力傳遞給執(zhí)行機構的結構部分。在實際應用中，除了本身的傳動功能，傳動機構還能進行變速、變向、改變扭矩及改變運動形式等功能，這為機械運動提供了廣闊的設計天地。執(zhí)行機構是指在機械設備中用于執(zhí)行具體工作的部分。在很多機械設備中，有的既是傳動機構也是執(zhí)行機構，整個系統(tǒng)中，它們沒有明顯的區(qū)分。二、機械系統(tǒng)的組成及功能目錄單元1工業(yè)機器人機械系統(tǒng)概述單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)單元3工業(yè)機器人常用減速機單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)機械設備中的傳動系統(tǒng)是指把動力設備的動力傳遞給工作機構的中間機械裝置。工業(yè)機器人中常用的傳動系統(tǒng)有齒輪傳動機構、同步帶傳動機構、絲杠與導軌傳動機構、絲杠與滾珠花鍵傳動機構等。單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)齒輪是指輪緣上有齒的輪狀連續(xù)嚙合傳遞運動和動力的機械元件。由兩個或以上齒輪組成的機構是齒輪傳動機構。齒輪機構是應用最廣的傳動機構之一。為了獲得大的傳動比，或為了將輸入軸的一種轉速變換為輸出軸的多種轉速等原因，常采用一系列互相嚙合的齒輪將輸入軸和輸出軸連接起來。這種由一系列齒輪組成的傳動系統(tǒng)稱為輪系。輪系可分為兩種類型：定軸輪系和周轉輪系。如圖3－2－1（a）為定軸輪系，定軸輪系的各齒輪軸心固定。如圖3－2－1（b）為周轉輪系，周轉輪系由軸心固定的齒輪和繞其轉動的活動齒輪組成。一、齒輪傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)

1.齒輪機構的優(yōu)點（1）傳動比和功率范圍廣。（2）傳動比穩(wěn)定，傳動效率高。（3）可實現(xiàn)平行軸、任意角度相交軸及任意角交錯軸之間的傳動。

2.齒輪機構的缺點（1）制造和安裝精度要求高，成本較高。（2）不適于遠距離傳動。按照兩軸的相對位置和齒向，齒輪機構可按圖3－2－2所示分類。工業(yè)機器人使用的減速機均是以齒輪為傳動基體，所以，齒輪是工業(yè)機器人傳動機構的核心部件。不僅是工業(yè)機器人，齒輪的應用幾乎涵蓋了整個現(xiàn)代動力設備。一、齒輪傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)一、齒輪傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)現(xiàn)代齒輪主要以漸開線齒輪為主。有興趣的同學可以深入學習一下漸開線齒輪的嚙合原理以及相關參數（圖3－2－3），如漸開線、模數、分度圓、壓力角，以及直齒輪和斜齒輪等各種齒輪的特點。一、齒輪傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)如圖3－2－4，同步帶傳動是以內壁成齒狀的同步帶和外周成齒狀的同步輪嚙合實現(xiàn)傳動的機構。如圖3－2－5（a)所示，同步帶通常是由橡膠、抗拉體和包布制成的?？估w在傳動中為同步帶提供支撐力。根據齒形分類，同步帶有梯形齒、圓弧形齒、S型齒和拋物線型齒等類型，最常用的是梯形齒和圓弧形齒，如圖3－2－5（b）所示。二、同步帶傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)同步帶同步輪一般由45#、鋁合金等材料制成，再進行相應的表面處理（圖3－2－6）。二、同步帶傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)

1.同步帶傳動的特點（1）傳動準確，工作時無滑動，具有恒定的傳動比。（2）傳動平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低。（3）傳動效率高，可達0.98，節(jié)能效果明顯。（4）維護保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護費用低。（5）速率比范圍大，一般可達10，線速度可達50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達幾瓦到幾百千瓦。（6）可用于長距離傳動，中心距可達10m以上。（7）相對于V型帶傳送，預緊力較小，軸和軸承上所受載荷小。因此，同步帶傳動被廣泛用于紡織、機床、煙草、通訊電纜、輕工、化工、冶金、儀表儀器、食品、礦山、石油、汽車等各行業(yè)各種類型的機械傳動中，尤其在靜音、無塵、干燥的工作環(huán)境下具有巨大的優(yōu)勢。二、同步帶傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)

2.同步帶的失效形式（1）帶體疲勞斷裂。（2）帶齒剪斷和壓潰。（3）帶側、帶齒磨損，包布剝離。（4）承載層伸長、節(jié)距增大，形成齒的干涉、爬齒。（5）沖擊、過載使帶體斷裂。（6）帶背面裂紋或帶變軟。（7）運行噪音過大。圖3－2－7所示是工業(yè)機器人中同步帶的應用。二、同步帶傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)（一）滾珠絲杠滾珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的機械機構，是工具機械和精密機械上最常用的傳動元件，兼具高精度、可逆性和高效率的特點。由于滾珠絲杠運動時摩擦阻力極小，因此被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。滾珠絲杠根據鋼珠回流方式分為三類，分別是外循環(huán)式、內循環(huán)式、端蓋式。

1.外循環(huán)式外循環(huán)式滾珠絲杠設計有外部回流管，為鋼珠提供循環(huán)回路，回流管數量可以為多個，其加工和安裝相對容易（圖3－2－8）。三、絲杠與導軌傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)

2.內循環(huán)式內循環(huán)式滾珠絲杠沒有外部回流管，鋼珠通過回流蓋進行循環(huán)，每一圈鋼珠用一個回流蓋，其鋼珠的循環(huán)路徑短，靈敏性高，集成度高，加工成本較高（圖3－2－9）。三、絲杠與導軌傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)

3.端蓋式循環(huán)端蓋式滾珠絲杠的回流管位于螺母內，兩側用端蓋封閉（圖3－2－10）。三、絲杠與導軌傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)滾珠絲杠機構的主要參數有行程、軸徑、螺距、珠圈、回流方式、珠卷回流系數、珠徑和螺帽形式等。（1）行程：螺母做線性運動的有效行程。（2）軸徑：絲杠直徑，軸徑越大，負載越大。（3）螺距：珠槽螺旋線螺距，螺距越大，速度比越小。大螺距通常用于高速運動的工作，小螺距用于中低速且定位精度較高的工作。（4）珠圈：螺母內回流鋼珠與絲杠珠槽的接觸圈數。珠圈數越大，負載越大，摩擦力也越大。（5）回流方式：外循環(huán)式、內循環(huán)式、端蓋式。（6）珠卷回流系數：每一個鋼珠回流系統(tǒng)中鋼珠與絲杠珠槽的接觸圈數。一個螺母可能有多個回流系統(tǒng)。（7）珠徑：鋼珠直徑。珠徑越大，負載越大，機構的外形尺寸也越大。（8）螺帽形式：螺帽形式指的螺帽外形結構，通常與安裝許可情況相關。三、絲杠與導軌傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)（二）導軌古埃及在修建金字塔時有大量的石材需要搬運，而它們都重達數噸，所以搬運這樣的重物是個不小的難題。埃及人用他們的智慧找到了很好的解決方法——在重石的下面墊上可以滾動的圓木，搬運重物就輕松了許多（圖3－2－11）。三、絲杠與導軌傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)這樣的簡易機構演變到今天，人們制造出了摩擦力更小、精度更高的精密滾動機構——線性導軌。導軌機構主要由導軌和滑塊組成?；瑝K內裝有滾動體，滾動體的兩側分別與導軌和滑塊的滑槽接觸產生滑動作用（圖3－2－12）。三、絲杠與導軌傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)根據滾動槽的位置和安裝方式不同，導軌的形式也各種各樣（圖3－2－13）。各種不同形式的導軌在受力上有所區(qū)別，根據滾動體的類型可分為滾珠式和滾柱式：常用的導軌機構多為滾珠式，該結構成本低、通用性強；滾柱式成本高但壽命長，承載能力強，多用于高速重載。三、絲杠與導軌傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)（三）組合應用滾珠絲杠和導軌在組合使用時，絲杠與導軌平行安裝，電機驅動絲杠轉動，這樣運動體就可以在導軌上做線性運動。根據實際需要與安裝環(huán)境的不同，通常一根絲杠配合一根或兩根導軌組合使用。圖3215線性模組用于直角坐標機器人如圖3－2－14，這種絲杠和導軌組合的結構稱為線性模組。幾乎大多數直角坐標機器人都是以線性模組作為運動機構，其結構簡單，設計限制少，成本相對于其他類機器人較低（圖3－2－15），因此是各種工業(yè)自動化生產的優(yōu)良選擇。三、絲杠與導軌傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)（一）滾珠花鍵如圖3－2－16所示，滾珠花鍵結構由花鍵軸和花鍵套組成，花鍵軸是一根表面加工有珠槽的光軸，花鍵套包括外筒主體、鋼珠、保持器、密封側環(huán)。鋼珠與花鍵軸的珠槽和保持器接觸，以使花鍵套在花鍵軸上做定向線性運動。與導軌相比，滾珠花鍵結構的載荷較低，長時間使用后，花鍵軸易彎曲變形。但其結構簡單，安裝容易，因此，也廣泛用于各種工業(yè)設備的傳動結構。四、絲杠與滾珠花鍵傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)常用的滾珠花鍵結構有很多種，常見的一些如圖3－2－17所示。滾珠花鍵的性能參數主要為扭矩：花鍵軸徑越大，扭矩越大；珠槽接觸面鋼珠數越多，扭矩越大。四、絲杠與滾珠花鍵傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)（二）絲杠與滾珠花鍵的應用如圖3－2－18所示，四軸Scara機器人的第3、4軸的傳動通常用的是滾珠絲杠和滾珠花鍵。滾珠絲杠被電機驅動旋轉，通過滾珠螺母使花鍵軸在z方向做線性運動?；ㄦI套被電機驅動回轉，使花鍵軸做回轉運動。四、絲杠與滾珠花鍵傳動單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)滾珠花鍵結構除了應用在Scara機器人上以外，還常用在Delta機器人上(圖3－2－19）。由于Delta機器人的末端執(zhí)行器需要在z軸方向運動，還要繞z軸做回轉運動，這樣的運動需求與Scara機器人第3軸的運動需求是一樣的，所以同樣需要用到滾珠花鍵結構。四、絲杠與滾珠花鍵傳動目錄單元1工業(yè)機器人機械系統(tǒng)概述單元2工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)單元3工業(yè)機器人常用減速機單元3工業(yè)機器人常用減速機單元3工業(yè)機器人常用減速機行星減速機是通過固定內齒圈驅動太陽輪和行星齒輪組所組成的減速裝置，如圖3－3－1所示。內齒圈固定安裝在減速器箱體內，其中心有一個靠外部動力（電機）所驅動的太陽齒輪，行星齒輪組位于兩者之間，它由三顆以上的齒輪在托盤上組合構成。一、行星減速機單元3工業(yè)機器人常用減速機若太陽輪齒數為R1，行星輪齒數為R2，內齒圈齒數為R3，則減速比i=R3/R1，且R1+（2×R2）=R3。有時因需要的減速比很大，行星減速機還被設計成多級減速器——將兩套或三套行星減速機構串聯(lián)在一起，以此實現(xiàn)大減速比。多級行星減速機比單級的長度要長一些。從傳動方向上分，行星減速機主要有同軸方向和垂直方向兩種，如圖3－3－2所示。如有特殊方向要求，也可定制。行星減速機因其體積小、傳動效率高、減速范圍廣、精度高等優(yōu)點，被廣泛應用于伺服、步進、直流等傳動系統(tǒng)中，在工業(yè)機器人中也常被使用。一、行星減速機單元3工業(yè)機器人常用減速機

RV減速機由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成，是在一定條件下具有自鎖功能的傳動機械，也是工業(yè)機器人領域應用最廣泛的減速機。如圖3－3－3所示，擺線針輪減速機由輸入軸、偏心軸承、擺線輪、針齒、輸出軸組成。輸入軸連接偏心軸承內孔，偏心軸承裝入偏心輪，當電機驅動時，偏心軸轉動并驅動擺線輪，擺線輪再帶動輸出軸轉動，達到減速的目的。二、RV減速機單元3工業(yè)機器人常用減速機

RV減速機是先以輸入軸按照擺線針輪減速原理驅動擺線輪，再以擺線輪驅動行星齒輪組，齒輪組與輸出軸齒嚙合，如圖3－3－4所示。

RV減速機是在傳統(tǒng)針擺行星傳動的基礎上發(fā)展而來，具有體積小、質量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動平穩(wěn)等一系列優(yōu)點。