第2章机器人机械系统1

1、主要内容：主要内容：1、工业机器人机械系统设计准则设计准则、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、关节驱动电机驱动电机的类型、特点与选用；5、工业机器人主流驱动电机主流驱动电机-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。第第2章章 工业机器人机械系统设计（工业机器人机

2、械系统设计（1）（1）最小运动惯量原则）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。2.1.1 机器人整机设计原则机器人整机设计原则（2）尺度规划优化原则）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）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

3、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）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）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）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

4、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（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。l 系统分析系统分析l 技术设计技术设计l 系统分析系统分析l技术设计技术设计1.机器人基本参数的确定机器人基本参数的确定自由度工作范围承载能力运动速度定位精度等2.机器人运机器

5、人运动动形式的形式的选择选择直角坐标型圆柱坐标型极坐标型关节型SCARA型 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。3.拟拟定定检测传检测传感系感系统统框框图图选择合适的传感器，以便结构设计时考虑安装位置。4.确定控制系确定控制系统总统总体方案，体方案，绘绘制框制框图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.机械机械结结构构设计设计2.2 2.2 驱动机构（驱动机构（Drive MechanismDrive Mechanism）用来把驱动器（Act

6、uators）的运动传递到关节和动作部位。 按实现的运动方式：n液压驱动n气压驱动n电气驱动分类：分类：按驱动方式：3种基本类型u直线驱动机构u旋转驱动机构2种2.2.1 三种驱动方式液压驱动液压驱动首先提问？1、工作介质？2、工作压力？4、液压元件的图形符号？5、直线运动的实现？3、液压元件的类型？6、旋转运动的实现？典型液压回路工作介质?压缩空气（Compressed Air）气压驱动气压驱动系统压力?小于0.7MPa典型气动回路图图 摩托车车架焊接机器人工作站气动系统原理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电气驱动v 步进电机（步进电机（Stepping Motor）v 直

7、流伺服电机（直流伺服电机（DC Servo Motor）v 交流伺服电机交流伺服电机（AC Servo Motor 控制类电机p 压电元件(piezo electric actuator)p 形状记忆合金(shape memory alloy actuator)p 其它新型功能材料新型驱动元件 （一） 步进电机步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。AABBCC定子转子绕组结构：主要由定子定子、转子转子和励磁励磁绕组绕组三部分组成。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

8、片叠成。 三相 四相 五相 六相等励磁相数通电顺序 ABCA，步进电动机正转，如何反转？这种通电方式称为三相三拍这种通电方式称为三相三拍通常的通电方式为三相六拍通常的通电方式为三相六拍AABBBCCCAA 正转AACCCBBBAA 反转可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 N转角（度）转速(rpm）60fnf-脉冲频率（Hz）N-脉冲数-步距离计算公式：角度如何控制？速度如何控制？脉冲信号：脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比占空比则越大。控

9、制系统组成信号分配和功率放大由驱动器来完成。脉冲信号环形分配器负载步进电机功率放大驱动器CPU产生ForExample步进电机8031单片机驱动器CP脉冲方向信号方式信号P1.0P1.2P1.1驱动器 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。一般用于开环系统一般用于开环系统实际应用例子实际应用例子Y3150E型滚齿机的数控改造-鼓形齿轮加工鼓形齿轮加工 洛阳起重机厂步进电机数控系统桌面式3-D打印-步进电机系统通电线圈与磁场的相互作用产生了伺服电机的转矩定子：磁场定子：磁场永

10、磁体永磁体转子：电枢绕组转子：电枢绕组换向：换向器与碳刷换向：换向器与碳刷（二）直流伺服电机（二）直流伺服电机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。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。 式中：n-电枢的转速，r/min U-电枢电压 Ia-电机电枢电流 Ra-电枢电阻 Ke-电势系数 转速公式：aae=UI RnK改变电枢电压U，实现直流伺服电机的调速，常用此方法，调速范围较大。直流电机控制 改变电枢电压来控制转速PWM控制原理ondssDTtUUU电枢电压的平均值Ud ：U s

11、电源电压ton 开关接通时间T 开关接通、断开时间onDTt占空比优点：起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制、效率高。Features: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）（三） 交流伺服电机交流伺服电机 Brushless Motor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（Synchronous Motor） 。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

12、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。工作原理：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；对于同步电机，则s。)1 (60spfnns交流伺服电机的变频调速：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-放置在控制器中放置在控制器中。 变频调速交-交变频器（直接式）交-直-交变频器（间接式）可控硅整流器逆变器整流器逆变器电压型变频调速方案示意图频率的调节范围：0400Hz交流伺服驱动器的电路构成-由功率逆

13、变电路（交-直-交，同变频器）控制电路（三环）、开关电源和接口电路等部分组成。交流伺服驱动器的电路原理矢量控制算法矢量控制算法是目前在伺服驱动器当中应用最多最为成熟的一种基本控制算法，该算法以转子旋转磁场为参考坐标系，将定子电流分解为直流和交流两个分量，直流分量能够调节电机励磁，而交流分量正比于电机电磁转矩，这样就实现了电机电磁转矩的解耦控制，从而可以取得像控制直流电机一样的控制效果。普遍采用IPM模块和IGBT模块来实现逆变。控制电路是驱动装置的控制核心，一 般由DSP+CPLD(或FPGA)及其外围电路组成。DSP完成键盘扫描、显示、通信、电流速度位置控制、PWM波输出波输出以及电机控制核

14、心算法等的处理。CPLD(或FPGA)则配合DSP，实现可编程IO、I/0的点数扩展以及高频脉冲信号的处理等工作。当前伺服系统普遍都采用基于矢量控制的电流环、速度环和位置环的控制结构，其中调节器采用传统的PI控制算法。伺服电机外围接线图交流伺服电机的工作模式位置控制模式速度控制模式转矩控制模式根据实际需要选择一种或二种工作模式。当选择二种工作模式时，需要通过外部开关来选择。位置控制模式位置控制模式上位机产生脉冲来控制伺服电机转动。脉冲的数量决定伺服电机转动的角度（关节转动的角度或工作台移动的距离），脉冲的频率决定电机转速。如机器人关节角度控制和数控机床工作台位置控制，属于位置控制模式。速度控制

15、模式速度控制模式维持电机的转速保持不变。当负载增大时，电机输出的转矩也增大；当负载减小时，电机输出的转矩也减小。转矩控制模式转矩控制模式维持电机的输出的转矩保持不变。当负载变化时，电机的转速也在变化。如恒张力系统、收卷系统等。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。交流伺服电动机的选用交流伺服电动机的选用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

16、因素也要考虑在内），就可以选用电动机了。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带制动器等。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额定转速大于各轴所需的最高转速就行。故障：电机抱闸失灵故障：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。驱动控制系统组成驱动控制系统组成v 半闭环系统v 全闭环系统伺服系统半闭环系

17、统：其测量反馈信号是从驱动装置（常用伺服电机）或从传动中端引出的，间接测量运动部件的移动量。误差补偿消除传动环节的误差，机器人与数控机床中广泛应用。全闭环系统：直接对运动部件的实际位置进行测量，可消除中间传动环节的误差，位置控制精度高，但检测传感器价格高，多用于超精设备。如镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。（一）直线驱动机构（Linear Drives）1、机械装置q 齿轮齿条装置 (Rack and Pinion)q 普通丝杠 (Lead Screw)q 滚珠丝杠（Ball Screws;low friction rapid response）广泛使用2、液压驱动3、气压驱动

18、Cylinders2.2.2 二种驱动机构（二）旋转驱动机构（Rotary Drive）1、齿轮链(Gear Trains)：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(Timing Belt)：带齿的皮带，teeth molded into the belt, flexibility, low cost。齿轮传动齿轮传动同步带传动同步带传动3、谐波齿轮减速器（Harmonic Drives）谐波发生器：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。结构结构：刚轮、柔轮、谐波发生器三大件刚轮刚轮: :刚性的不可形变的内齿型齿轮

19、。柔轮柔轮: :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）。刚轮的内齿圈柔轮的外齿谐波发生器装配好后工作原理：工作原理： 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。谐波发生器为主动件，柔轮为从动件，刚轮固定。 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）。 1. 结构简单，体积小，重量轻。3. 运动精度高和承载能力大。由于多齿啮合，与相同精