《工业机器人技术基础》教学课件 模块3 工业机器人的机械系统

工业机器人技术基础模块三工业机器人的机械系统机械系统是由机械零件组成的工程系统，它是很多工具、机器及现代化设备的主体。从人类使用工具及金属开始，各种机械结构不断被应用于劳动生产。随着物理学、数学及材料科学的发展，越来越多的新型结构被应用于各种机械产品。目录单元1工业机器人机械系统概述单元2工业机器人的传动系统单元3工业机器人常用减速机单元1工业机器人机械系统概述单元1工业机器人机械系统概述最早的“机械”定义是古罗马建筑师维特鲁威在其著作《建筑十书》中所提出，主要是对搬运重物的机械和工具作了区别：“机械和工具之间似乎有着以下的区别，即机械是以多数人工和很大的力量而发生效果，如重弩炮和葡萄压榨机；而工具则是由一名操纵人员慎重地处理来达到目的，如蝎形轻弩炮或不等圆的螺旋装置。”因此，机械和工具都是实际生产中不可缺少的东西。古罗马数学家希罗认为机械的要素有五类：轮与轴、杠杆、滑车、尖劈、螺旋。这一论述反映了古典机械的特征。现代机械的定义来源于机械工程学。机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。在生产和日常生活中，机器已成为代替或减轻人类劳动、提高劳动生产率的主要手段。使用机器的水平是衡量一个国家现代化程度的重要标志，如图3－1－1所示的就是一个比较复杂的机械系统。一、机械系统的意义单元1工业机器人机械系统概述工业机器人的机械系统主要指的是本体部分的机械结构，它主要由驱动机构、传动机构、执行机构组成，如图3－1－2所示。驱动机构是为机械的运动功能提供驱动力的机构，常用的有电机驱动机构、液压驱动机构和气动驱动机构。传动机构是指把驱动机构的动力传递给执行机构的结构部分。在实际应用中，除了本身的传动功能，传动机构还能进行变速、变向、改变扭矩及改变运动形式等功能，这为机械运动提供了广阔的设计天地。执行机构是指在机械设备中用于执行具体工作的部分。在很多机械设备中，有的既是传动机构也是执行机构，整个系统中，它们没有明显的区分。二、机械系统的组成及功能目录单元1工业机器人机械系统概述单元2工业机器人的传动系统单元3工业机器人常用减速机单元2工业机器人的传动系统单元2工业机器人的传动系统机械设备中的传动系统是指把动力设备的动力传递给工作机构的中间机械装置。工业机器人中常用的传动系统有齿轮传动机构、同步带传动机构、丝杠与导轨传动机构、丝杠与滚珠花键传动机构等。单元2工业机器人的传动系统齿轮是指轮缘上有齿的轮状连续啮合传递运动和动力的机械元件。由两个或以上齿轮组成的机构是齿轮传动机构。齿轮机构是应用最广的传动机构之一。为了获得大的传动比，或为了将输入轴的一种转速变换为输出轴的多种转速等原因，常采用一系列互相啮合的齿轮将输入轴和输出轴连接起来。这种由一系列齿轮组成的传动系统称为轮系。轮系可分为两种类型：定轴轮系和周转轮系。如图3－2－1（a）为定轴轮系，定轴轮系的各齿轮轴心固定。如图3－2－1（b）为周转轮系，周转轮系由轴心固定的齿轮和绕其转动的活动齿轮组成。一、齿轮传动单元2工业机器人的传动系统

1.齿轮机构的优点（1）传动比和功率范围广。（2）传动比稳定，传动效率高。（3）可实现平行轴、任意角度相交轴及任意角交错轴之间的传动。

2.齿轮机构的缺点（1）制造和安装精度要求高，成本较高。（2）不适于远距离传动。按照两轴的相对位置和齿向，齿轮机构可按图3－2－2所示分类。工业机器人使用的减速机均是以齿轮为传动基体，所以，齿轮是工业机器人传动机构的核心部件。不仅是工业机器人，齿轮的应用几乎涵盖了整个现代动力设备。一、齿轮传动单元2工业机器人的传动系统一、齿轮传动单元2工业机器人的传动系统现代齿轮主要以渐开线齿轮为主。有兴趣的同学可以深入学习一下渐开线齿轮的啮合原理以及相关参数（图3－2－3），如渐开线、模数、分度圆、压力角，以及直齿轮和斜齿轮等各种齿轮的特点。一、齿轮传动单元2工业机器人的传动系统如图3－2－4，同步带传动是以内壁成齿状的同步带和外周成齿状的同步轮啮合实现传动的机构。如图3－2－5（a)所示，同步带通常是由橡胶、抗拉体和包布制成的。抗拉体在传动中为同步带提供支撑力。根据齿形分类，同步带有梯形齿、圆弧形齿、S型齿和抛物线型齿等类型，最常用的是梯形齿和圆弧形齿，如图3－2－5（b）所示。二、同步带传动单元2工业机器人的传动系统同步带同步轮一般由45#、铝合金等材料制成，再进行相应的表面处理（图3－2－6）。二、同步带传动单元2工业机器人的传动系统

1.同步带传动的特点（1）传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比。（2）传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低。（3）传动效率高，可达0.98，节能效果明显。（4）维护保养方便，不需润滑，维护费用低。（5）速率比范围大，一般可达10，线速度可达50m/s，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦。（6）可用于长距离传动，中心距可达10m以上。（7）相对于V型带传送，预紧力较小，轴和轴承上所受载荷小。因此，同步带传动被广泛用于纺织、机床、烟草、通讯电缆、轻工、化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、石油、汽车等各行业各种类型的机械传动中，尤其在静音、无尘、干燥的工作环境下具有巨大的优势。二、同步带传动单元2工业机器人的传动系统

2.同步带的失效形式（1）带体疲劳断裂。（2）带齿剪断和压溃。（3）带侧、带齿磨损，包布剥离。（4）承载层伸长、节距增大，形成齿的干涉、爬齿。（5）冲击、过载使带体断裂。（6）带背面裂纹或带变软。（7）运行噪音过大。图3－2－7所示是工业机器人中同步带的应用。二、同步带传动单元2工业机器人的传动系统（一）滚珠丝杠滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的机械机构，是工具机械和精密机械上最常用的传动元件，兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于滚珠丝杠运动时摩擦阻力极小，因此被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠根据钢珠回流方式分为三类，分别是外循环式、内循环式、端盖式。

1.外循环式外循环式滚珠丝杠设计有外部回流管，为钢珠提供循环回路，回流管数量可以为多个，其加工和安装相对容易（图3－2－8）。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统

2.内循环式内循环式滚珠丝杠没有外部回流管，钢珠通过回流盖进行循环，每一圈钢珠用一个回流盖，其钢珠的循环路径短，灵敏性高，集成度高，加工成本较高（图3－2－9）。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统

3.端盖式循环端盖式滚珠丝杠的回流管位于螺母内，两侧用端盖封闭（图3－2－10）。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统滚珠丝杠机构的主要参数有行程、轴径、螺距、珠圈、回流方式、珠卷回流系数、珠径和螺帽形式等。（1）行程：螺母做线性运动的有效行程。（2）轴径：丝杠直径，轴径越大，负载越大。（3）螺距：珠槽螺旋线螺距，螺距越大，速度比越小。大螺距通常用于高速运动的工作，小螺距用于中低速且定位精度较高的工作。（4）珠圈：螺母内回流钢珠与丝杠珠槽的接触圈数。珠圈数越大，负载越大，摩擦力也越大。（5）回流方式：外循环式、内循环式、端盖式。（6）珠卷回流系数：每一个钢珠回流系统中钢珠与丝杠珠槽的接触圈数。一个螺母可能有多个回流系统。（7）珠径：钢珠直径。珠径越大，负载越大，机构的外形尺寸也越大。（8）螺帽形式：螺帽形式指的螺帽外形结构，通常与安装许可情况相关。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统（二）导轨古埃及在修建金字塔时有大量的石材需要搬运，而它们都重达数吨，所以搬运这样的重物是个不小的难题。埃及人用他们的智慧找到了很好的解决方法——在重石的下面垫上可以滚动的圆木，搬运重物就轻松了许多（图3－2－11）。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统这样的简易机构演变到今天，人们制造出了摩擦力更小、精度更高的精密滚动机构——线性导轨。导轨机构主要由导轨和滑块组成。滑块内装有滚动体，滚动体的两侧分别与导轨和滑块的滑槽接触产生滑动作用（图3－2－12）。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统根据滚动槽的位置和安装方式不同，导轨的形式也各种各样（图3－2－13）。各种不同形式的导轨在受力上有所区别，根据滚动体的类型可分为滚珠式和滚柱式：常用的导轨机构多为滚珠式，该结构成本低、通用性强；滚柱式成本高但寿命长，承载能力强，多用于高速重载。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统（三）组合应用滚珠丝杠和导轨在组合使用时，丝杠与导轨平行安装，电机驱动丝杠转动，这样运动体就可以在导轨上做线性运动。根据实际需要与安装环境的不同，通常一根丝杠配合一根或两根导轨组合使用。图3215线性模组用于直角坐标机器人如图3－2－14，这种丝杠和导轨组合的结构称为线性模组。几乎大多数直角坐标机器人都是以线性模组作为运动机构，其结构简单，设计限制少，成本相对于其他类机器人较低（图3－2－15），因此是各种工业自动化生产的优良选择。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统（一）滚珠花键如图3－2－16所示，滚珠花键结构由花键轴和花键套组成，花键轴是一根表面加工有珠槽的光轴，花键套包括外筒主体、钢珠、保持器、密封侧环。钢珠与花键轴的珠槽和保持器接触，以使花键套在花键轴上做定向线性运动。与导轨相比，滚珠花键结构的载荷较低，长时间使用后，花键轴易弯曲变形。但其结构简单，安装容易，因此，也广泛用于各种工业设备的传动结构。四、丝杠与滚珠花键传动单元2工业机器人的传动系统常用的滚珠花键结构有很多种，常见的一些如图3－2－17所示。滚珠花键的性能参数主要为扭矩：花键轴径越大，扭矩越大；珠槽接触面钢珠数越多，扭矩越大。四、丝杠与滚珠花键传动单元2工业机器人的传动系统（二）丝杠与滚珠花键的应用如图3－2－18所示，四轴Scara机器人的第3、4轴的传动通常用的是滚珠丝杠和滚珠花键。滚珠丝杠被电机驱动旋转，通过滚珠螺母使花键轴在z方向做线性运动。花键套被电机驱动回转，使花键轴做回转运动。四、丝杠与滚珠花键传动单元2工业机器人的传动系统滚珠花键结构除了应用在Scara机器人上以外，还常用在Delta机器人上(图3－2－19）。由于Delta机器人的末端执行器需要在z轴方向运动，还要绕z轴做回转运动，这样的运动需求与Scara机器人第3轴的运动需求是一样的，所以同样需要用到滚珠花键结构。四、丝杠与滚珠花键传动目录单元1工业机器人机械系统概述单元2工业机器人的传动系统单元3工业机器人常用减速机单元3工业机器人常用减速机单元3工业机器人常用减速机行星减速机是通过固定内齿圈驱动太阳轮和行星齿轮组所组成的减速装置，如图3－3－1所示。内齿圈固定安装在减速器箱体内，其中心有一个靠外部动力（电机）所驱动的太阳齿轮，行星齿轮组位于两者之间，它由三颗以上的齿轮在托盘上组合构成。一、行星减速机单元3工业机器人常用减速机若太阳轮齿数为R1，行星轮齿数为R2，内齿圈齿数为R3，则减速比i=R3/R1，且R1+（2×R2）=R3。有时因需要的减速比很大，行星减速机还被设计成多级减速器——将两套或三套行星减速机构串联在一起，以此实现大减速比。多级行星减速机比单级的长度要长一些。从传动方向上分，行星减速机主要有同轴方向和垂直方向两种，如图3－3－2所示。如有特殊方向要求，也可定制。行星减速机因其体积小、传动效率高、减速范围广、精度高等优点，被广泛应用于伺服、步进、直流等传动系统中，在工业机器人中也常被使用。一、行星减速机单元3工业机器人常用减速机

RV减速机由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成，是在一定条件下具有自锁功能的传动机械，也是工业机器人领域应用最广泛的减速机。如图3－3－3所示，摆线针轮减速机由输入轴、偏心轴承、摆线轮、针齿、输出轴组成。输入轴连接偏心轴承内孔，偏心轴承装入偏心轮，当电机驱动时，偏心轴转动并驱动摆线轮，摆线轮再带动输出轴转动，达到减速的目的。二、RV减速机单元3工业机器人常用减速机

RV减速机是先以输入轴按照摆线针轮减速原理驱动摆线轮，再以摆线轮驱动行星齿轮组，齿轮组与输出轴齿啮合，如图3－3－4所示。

RV减速机是在传统针摆行星传动的基础上发展而来，具有体积小、质量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点。