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机械手的机械传动机构设计?

发表时间:2015-12-26
机械手的机械传动机构设计?
 工业机器人传动机构设计应注意的问题 ?
 
机器人是由多级联杆和关节组成的多自由度的空间运动机构。除直接驱动型机器人以外,机器人各联杆及各关节的运动都是由驱动器经过各种机械传动机构进行驱动的。机器人所采用的传动机构与一般机械的传动机构相类似。常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动等。由于传动部件直接影响着机器人的精度、稳定性和快速响应能力,因此,应设计和选择满足传动间隙小,精度高,低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传递转矩大、谐振频率高以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。 在设计机器人的传动机构时要注意以下问题:

(1) 为了提高机器人的运动速度及控制精度,要求机器人各运动部件的重量要轻,惯量要小。因此,机器人的传动机构要力求结构紧凑,重量轻,体积小。 (2) 在传动链及运动副中要采用间隙调整机构,以减小反向空回所造成的运动误差。 (3) 系统传动部件的静摩擦力应尽可能小,动摩擦力应是尽可能小的正斜率,若为负斜率则易产生爬行,精度降低,寿命减小。因此,要采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件,如滚珠丝杠副、滚动导向支承等。

(4) 缩短传动链,提高传动与支承刚度,如用预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度;采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接,以减小中间传动机构;丝杠的支承设计采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。 (5) 选用最佳传动比,以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量,尽可能提高加速能力。 (6) 缩小反向死区误差,如采取消除传动间隙、减少支承变形等措施。 (7) 适当的阻尼比,机械零件产生共振时,系统的阻尼越大,最大振幅就越小,且衰减越快;但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大,稳态误差增大,精度降低。故在设计时要使传动机构的阻尼合适。 

 工业机器人常用的传动机构形式
 
(1) 齿轮传动机构 在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮,圆锥齿轮,谐波齿轮,摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。 机器人系统中齿轮传动设计的一些问题 (a) 齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择。齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求,其输入电动机为高转速,低转矩,而输出则为低转速,高转矩。故齿轮传动系统要有足够的刚度,还要求其转动惯量尽量小,以便在获得同一加速度时所需的转矩小,即在同一驱动功率时,其加速度响应最大。齿轮的啮合间隙会造成传动死区(失动量),若该死区是闭环系统中,则可能造成系统不稳定,常使系统产生低频振荡,因此要尽量采用齿侧间隙小,精度高的齿轮;为尽量降低制造成本,要采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙,从而提高传动精度和系统的稳定性。 
(b) 各级传动比的最佳分配原则。当计算出传动比后,为使减速系统结构紧凑,满足动态性能和提高传动精度的要求,要对各级传动比进行合理的分配,原则如下: (c) 输出轴转角误差最小原则。为了提高齿轮传动系统的运动精度,各级传动比应按“先小后大”的原则分配,以便降低齿轮的加工误差、安装误差及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转

由此可知总转角误差主要取决于最末级齿轮的转角误差和传动比的大小。因此,在设计中最末两级的传动比应取大一些,并尽量提高其加工精度。 (d) 等效转动惯量最小原则。利用该原则设计的齿轮系统要使换算到电动机轴上的等效转动惯量最小,各级传动比也是按照“先小后大”的次序分配,以使其结构紧凑。 具体而言有几点: (a) 对要求运动平稳,起停频繁和动态性能好的伺服系统,按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。 (b) 对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数,避免同期啮合以降低噪音和振动。 (c) 对于提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系统,按总转角误差最小原则;对于增速传动,由于增速时容易破坏传动齿轮系工作的平稳性,应在开始几级就增速,并且要求每级增速比最好大于1:3,以有利于增加轮系的刚度,减小传动误差。 

(d) 对以比较大传动比传动的齿轮系,往往需要将定轴轮系和行星轮系结合为混合轮系。对于相当大大传动比、并且要求传动精度与传动效率高,传动平稳以及体积小重量轻时。可选用新型的谐波齿轮传动。 (2) 谐波齿轮传动 谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻,传动比大(几十到几百),传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳,承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似,它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的,故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。

(3) 螺旋传动 螺旋传动及丝杠螺母,它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的,如螺旋压力机、千斤顶等;有以传递运动为主的,如机床工作台的进给丝杠。 丝杠螺母传动分为普通丝杠(滑动摩擦)和滚珠丝杠(滚动摩擦),前者结构简单、加工方便、制造成本低,具有自锁能力;但是摩擦阻力矩大、传动效率低(30%~40%)。后者虽然结构复杂、制造成本高,但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高(92%~98%),其运动平稳性好,灵活度高。通过预紧,能消除间隙、提高传动刚度;进给精度和重复定位精度高。使用寿命长;而且同步性好,使用可靠、润滑简单,因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁;因此在用于垂直方向传动时,须附加自锁机构或制动装置。在选用滚珠丝杠要考虑以下几项指标: (a) 滚珠丝杠的精度等级; (b) 滚珠丝杠的传动间隙允许值和预加载荷的期望值; (c) 载荷条件(静、动载荷)以及载荷允许值; (d) 滚珠丝杠的工作寿命; (e) 滚珠丝杠的临界转速; (f) 滚珠丝杠的刚度; 减小滚珠丝杠空回行程的方法,多是采用双螺母结构,使螺母与丝杠之间有一定的预加载荷。这样可以消除传动间隙,提高传动精度与刚度。但是预加载荷会使滚珠丝杠寿命下降,所以,预加载荷不应超过工作载荷的1/3。

(4) 同步带传动 同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动,它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿,通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动,齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料,无弹性滑动,以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高(可达98%)、节能效果好;能吸振、噪声低、不需要润滑;传动平稳,能高速传动(可达40m/s)、传动比可达10,结构紧凑、维护方便等优点,故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格,同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。 (5) 钢带传动 钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大,是无间隙传动、摩擦阻力大,无滑动,结构简单紧凑、运行可靠、噪声低,驱动力矩大、寿命长,钢带无蠕变、传动效率高。 (6) 链传动 在机器人中链传动多用于腕传动上,为了减轻机器人末端的重量,一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远,故采用精密套筒滚子链来传动。 (7) 钢丝绳轮传动 钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软,成本较低等优点。其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。 
2.6.3  设计具体采用方案 
具体到本设计,因为选用了液压缸作为机械手的水平手臂和垂直手臂,由于液压缸实现直接驱动,它既是关节机构,又是动力元件。故不需要中间传动机构,这既简化了结构,同时又提高了精度。而机械手腰部的回转运动采用步进电机驱动,必须采用传动机构来减速和增大扭矩。经分析比较,选择圆柱齿轮传动,为了保证比较高的精度,尽量减小因齿轮传动造成的误差;同时大大增大扭矩,同时较大的降低电机转速,以使机械手的运动平稳,动态性能好。这里只采用一级齿轮传动,采用大的传动比(大于100),齿轮采用高强度、高硬度的材料,高精度加工制造。 

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