工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)源通過(guò)傳動(dòng)部件來(lái)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身、手臂和手腕的運(yùn)動(dòng)。因此,傳動(dòng)部件是構(gòu)成工業(yè)機(jī)器人的重要部件。根據(jù)傳動(dòng)類(lèi)型的不同,傳動(dòng)部件可以分為兩大類(lèi):直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

一、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人常用的直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以直接由汽缸或液壓缸和活塞產(chǎn)生,也可以采用齒輪齒條、滾珠絲杠螺母等傳動(dòng)元件由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換得到。

1.移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌

在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌可以起到保證位置精度和導(dǎo)向的作用。移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌有五種:普通滑動(dòng)導(dǎo)軌、液壓動(dòng)壓滑動(dòng)導(dǎo)軌、液壓靜壓滑動(dòng)導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。

前兩種導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn),但是它必須留有間隙以便潤(rùn)滑,而機(jī)器人載荷的大小和方向變化很快,間隙的存在又將會(huì)引起坐標(biāo)位置的變化和有效載荷的變化;另外,這種導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)又隨著速度的變化而變化,在低速時(shí)容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象等缺點(diǎn)。

第三種靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生預(yù)載荷,能完全消除間隙,具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點(diǎn),但是它需要單獨(dú)的液壓系統(tǒng)和回收潤(rùn)滑油的機(jī)構(gòu)。

第四種氣浮導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是剛度和阻尼較低。

目前第五種滾動(dòng)導(dǎo)軌在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用最為廣泛,如圖2-15所示為包容式滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu),用支承座支承,可以方便地與任何平面相連,此時(shí)套筒必須是開(kāi)式的,嵌入在滑枕中,既增強(qiáng)剛度也方便了與其他元件的連接。

2.齒輪齒條裝置

齒輪齒條裝置中(圖2-16),如果齒條固定不動(dòng),當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運(yùn)動(dòng)。這樣,齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)換成拖板的直線運(yùn)動(dòng)。拖板是由導(dǎo)桿或?qū)к壷С械?該裝置的回差較大。

3.滾珠絲杠與螺母

在工業(yè)機(jī)器人中經(jīng)常采用滾珠絲杠,這是因?yàn)闈L珠絲杠的摩擦力很小且運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度快。

由于滾珠絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠,絲杠在傳動(dòng)過(guò)程中所受的是滾動(dòng)摩擦力,摩擦力較小,因此傳動(dòng)效率高,同時(shí)可消除低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的爬行現(xiàn)象;在裝配時(shí)施加一定的預(yù)緊力,可消除回差。

如圖2-17所示滾珠絲杠螺母里的滾珠經(jīng)過(guò)研磨的導(dǎo)槽循環(huán)往復(fù)傳遞運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率可以達(dá)到90%

4.液(氣)壓缸

液(氣)壓缸是將液壓泵(空壓機(jī))輸出的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件,使用液(氣)壓缸可以容易地實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。液(氣)壓缸主要由缸筒、缸蓋、活塞、活塞桿和密封裝置等部件構(gòu)成,活塞和缸筒采用精密滑動(dòng)配合,壓力油(壓縮空氣)從液(氣)壓缸的一端進(jìn)入,把活塞推向液(氣)壓缸的另一端,從而實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入液(氣)壓缸液壓油(壓縮空氣)的流動(dòng)方向和流量可以控制液(氣)壓缸的運(yùn)動(dòng)方向和速度。

二、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

一般電動(dòng)機(jī)都能夠直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),但其輸出力矩比所要求的力矩小,轉(zhuǎn)速比要求的轉(zhuǎn)速高,因此需要采用齒輪、皮帶傳送裝置或其他運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),把較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低的轉(zhuǎn)速,并獲得較大的力矩。運(yùn)動(dòng)的傳遞和轉(zhuǎn)換必須高效率地完成。并且不能有損于機(jī)器人系統(tǒng)所需要的特性,包括定位精度、重復(fù)定位精度和可靠性等。通過(guò)下列傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞和轉(zhuǎn)換。

1.齒輪副

齒輪副不但可以傳遞運(yùn)動(dòng)角位移和角速度,而且可以傳遞力和力矩,如圖2-18所示,一個(gè)齒輪裝在輸入軸上,另一個(gè)齒輪裝在輸出軸上,可以得到齒輪的齒數(shù)與其轉(zhuǎn)速成反比[式(2-1)],輸出力矩與輸入力矩之比等于輸出齒數(shù)與輸入齒數(shù)之比[式(2-2)]。

2.同步帶傳動(dòng)裝置

在工業(yè)機(jī)器人中同步帶傳動(dòng)主要用來(lái)傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)。同步傳送帶和帶輪的接觸面都制成相應(yīng)的齒形,靠嚙合傳遞功率,其傳動(dòng)原理如圖2-19所示。齒的節(jié)距用包絡(luò)帶輪時(shí)的圓節(jié)距t表示。

式中:n1為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速(r/min);n2為被動(dòng)輪轉(zhuǎn)速(r/min);z1為主動(dòng)輪齒數(shù);z2為被動(dòng)輪齒數(shù)。

同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn):傳動(dòng)時(shí)無(wú)滑動(dòng),傳動(dòng)比準(zhǔn)確,傳動(dòng)平穩(wěn);速比范圍大;初始拉力小;軸與軸承不易過(guò)載。但是,這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的制造及安裝要求嚴(yán)格,對(duì)帶的材料要求也較高,因而成本較高。同步帶傳動(dòng)適合于電動(dòng)機(jī)和高減速比減速器之間的傳動(dòng)。

3.諧波齒輪

目前工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有60%~70%都使用諧波齒輪傳動(dòng)。

諧波齒輪傳動(dòng)由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個(gè)主要零件組成,如圖2-20所示。

工作時(shí),剛性齒輪6固定安裝,各齒均布于圓周上,具有外齒圈2的柔性齒輪5沿剛性齒輪的內(nèi)齒圈3轉(zhuǎn)動(dòng)。柔性齒輪比剛性齒輪少兩個(gè)齒,所以柔性齒輪沿剛性齒輪每轉(zhuǎn)一圈就反向轉(zhuǎn)過(guò)兩個(gè)齒的相應(yīng)轉(zhuǎn)角。諧波發(fā)生器4具有橢圓形輪廓,裝在其上的滾珠用于支承柔性齒輪,諧波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)柔性齒輪旋轉(zhuǎn)并使之發(fā)生塑性變形。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),柔性齒輪的橢圓形端部只有少數(shù)齒與剛性齒輪嚙合,只有這樣,柔性齒輪才能相對(duì)于剛性齒輪自由地轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。通常剛性齒輪固定,諧波發(fā)生器作為輸入端,柔性齒輪與輸出軸相連。

式中:z1為柔性齒輪的齒數(shù);z2為剛性齒輪的齒數(shù)。假設(shè)剛性齒輪有100個(gè)齒,柔性齒輪比它少兩個(gè)齒,則當(dāng)諧波發(fā)生器轉(zhuǎn)50圈時(shí),柔性齒輪轉(zhuǎn)1圈,這樣只占用很小的空間就可以得到1∶50的減速比。通常將諧波發(fā)生器裝在輸入軸,把柔性齒輪裝在輸出軸,以獲得較大的齒輪減速比。

4.擺線針輪傳動(dòng)減速器

擺線針輪傳動(dòng)是在針擺傳動(dòng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型傳動(dòng)方式,20世紀(jì)80年代日本研制出了用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的擺線針輪傳動(dòng)減速器,圖2-21所示為擺線針輪傳動(dòng)簡(jiǎn)圖,

它由漸開(kāi)線圓柱齒輪行星減速機(jī)構(gòu)和擺線針輪行星減速機(jī)構(gòu)兩部分組成。漸開(kāi)線行星輪6與曲柄軸5連成一體,作為擺線針輪傳動(dòng)部分的輸入。如果漸開(kāi)線中心輪7順時(shí)針旋轉(zhuǎn),那么,漸開(kāi)線行星齒輪在公轉(zhuǎn)的同時(shí)還逆時(shí)針自轉(zhuǎn),并通過(guò)曲柄軸帶動(dòng)擺線輪做平面運(yùn)動(dòng)。此時(shí),擺線輪因受與之嚙合的針輪的約束,在其軸線繞針輪軸線公轉(zhuǎn)的同時(shí),還將反方向自轉(zhuǎn),即順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí),它通過(guò)曲柄軸推動(dòng)行星架輸出機(jī)構(gòu)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。