第2章机器人机械系统1

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1、主要内容 1 工业机器人机械系统设计准则 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 关节驱动电机的类型 特点与选用 5 工业机器人主流驱动电机 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 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2章工业机器人机械系统设计 1 1 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

2、 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 2 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

3、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

4、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 系统分析技术设计 系统分析 技术设计 1 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 机器人运动形式的选择 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 拟定检测传感系统框图 选择合适的传感器 以便结构设计时考虑安装位置 4 确定控制系统总体方案 绘制框图 选择机器人的控制方式 确定控制系统类型 设计计

5、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 机械结构设计 2 2驱动机构 DriveMechanism 用来把驱动器 Actuators 的运动传递到关节和动作部位 按实现的运动方式 液压驱动气压驱动电气驱动 分类 按驱动方式 3种基本类型 直线驱动机构旋转驱动机构 2种 2 2 1三种驱动方式 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 CompressedAir 气压驱动 系统压力 小于0 7MPa 典型气

6、动回路 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 步进电机 SteppingMotor 直流伺服电机 DCServoMotor 交流伺服电机 ACServoMotor 控制类电机 压电元件 piezoelectricactuator 形状记忆合金 shapememoryalloyactuator 其它新型功能材料 新型驱动元件 一 步进电机 是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构 结构 主要由定子 转子和励磁绕组三部分组成 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片叠成 三相四相五相六相等 励磁相数 通电顺序

7、A B C A 步进电动机正转 如何反转 这种通电方式称为三相三拍 通常的通电方式为三相六拍 A AB B BC C CA A 正转A AC C CB B BA A 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 转角 度 转速 rpm f 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 控制系统组成 信号分配和功率放大由驱动器来完成 ForExample 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

8、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 实际应用例子 Y3150E型滚齿机的数控改造 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 永磁体转子 电枢绕组换向 换向器与碳刷 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 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 minU 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 改变电枢电压U 实现

9、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 电枢电压的平均值Ud Us 电源电压 ton 开关接通时间 T 开关接通 断开时间 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 交流伺服电机 BrushlessMotor 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 SynchronousMotor 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

10、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 结论 交流伺服电机变频调速的关键是要获得可调频调压的交流电源 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 变频调速 交 交变频器 直接式 交 直 交变频器 间接式 电压型变频调速方

11、案示意图 频率的调节范围 0 400Hz 交流伺服驱动器的电路构成 由功率逆变电路 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

12、显示 通信 电流 速度 位置控制 PWM波输出以及电机控制核心算法等的处理 CPLD 或FPGA 则配合DSP 实现可编程I O 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 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

13、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 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 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

14、轴所需的转速 运动耦合因素也要考虑在内 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 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 半闭环系统全闭环系统 伺服系统 半闭环系统 其测量反馈信号是从驱动装置 常用伺服电机 或从传动

15、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 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 全闭环伺服系统 一 直线驱动机构 LinearDrives 1 机械装置 齿轮齿条装置 RackandPinion 普通丝杠 LeadScrew 滚珠丝杠 BallScrews lowfrictionrapidresponse 广泛使用 2 液压驱动3 气压驱动 Cylinders 2 2 2二种驱动机构 二 旋转驱动机构 RotaryDr

16、ive 1 齿轮链 GearTrains 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 TimingBelt 带齿的皮带 teethmoldedintothebelt flexibility lowcost 齿轮传动 同步带传动 3 谐波齿轮减速器 HarmonicDrives 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 刚轮 柔轮 谐波发生器三大件 刚轮 刚性的不可形变的内齿型齿轮 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 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