项目3 认识工业机器人的机械部分

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学习工具目录1初识工业机器人2认识工业机器人运动学3认识工业机器人的机械部分4认识工业机器人传感器5认识工业机器人控制系统6了解工业机器人编程技术项目3认识工业机器人的机械部分学习目标掌握工业机器人末端执行器的类型及特点熟悉工业机器人腕部、臂部、腰部、机座的类型及特点熟悉工业机器人的驱动器和驱动方式了解工业机器人的传动机构知识目标技能目标能够指出工业机器人机械结构系统的组成及其功能能够区分不同工业机器人机械结构系统的相同与不同之处素质目标培养开拓进取、勇于创新的精神养成团结协作的团队精神项目引入3.1末端执行器项目导航3.2腕部3.4腰部3.3臂部3.5机座3.6驱动器3.7传动机构3.1传动机构3.1.0末端执行器工业机器人的末端执行器即工业机器人的手部。安装位置：腕部末端。作用：用于直接抓握工件或执行焊接、喷涂等作业。末端执行器存在意义：对工业机器人工作完成的质量起着关键作用，是工业机器人最为重要的执行机构。通常，根据用途和结构的不同，末端执行器可分为夹持式末端执行器、吸附式末端执行器和专用工具三种类型。（a）夹持式末端执行器（b）吸附式末端执行器（c）专用工具（柔性焊枪）末端执行器的类型3.1.1夹持式末端执行器夹持式末端执行器组成：手指、驱动机构、传动机构和支架等。夹持式末端执行器原理：通过手指的开合动作实现对工件的夹持。夹持式末端执行器的结构夹持式末端执行器3.1.1夹持式末端执行器手指是工业机器人直接与工件接触的部件，它的结构形式一般取决于工件的形状和特性。常用的手指类型

V形指用于夹持圆柱形工件。平面指用于夹持具有两个平行平面的方形工件、方形板或细小棒料。尖指用于夹持小型、柔性或炙热工件。特形指用于夹持形状不规则的工件。夹持式末端执行器回转型末端执行器平移型末端执行器根据手指开合动作特点的不同3.1.1夹持式末端执行器→1．回转型末端执行器在夹持式末端执行器中，回转型末端执行器应用较多，其手指为一对杠杆，可与其他部件组成复合式杠杆传动机构，用以改变传动比和运动方向。常用的回转型末端执行器类型单作用斜楔式双支点连杆式滑槽杠杆式3.1.1夹持式末端执行器→1．回转型末端执行器1）单作用斜楔式夹紧过程：斜楔向下运动，克服弹簧拉力，使手指装着滚子的一端向外撑开，从而夹紧工件；松开过程：斜楔向上运动，在弹簧拉力作用下使手指松开工件。优化设计：手指与斜楔一般通过滚子接触，可以减小摩擦力，提高机械效率。单作用斜楔式回转型末端执行器3.1.1夹持式末端执行器→1．回转型末端执行器2）双支点连杆式工作原理：当驱动杆做直线往复运动时，带动连杆推动两手指各绕其支点（铰销）做回转运动，从而控制手指的松开或闭合。单作用斜楔式回转型末端执行器3.1.1夹持式末端执行器→1．回转型末端执行器3）滑槽杠杆式工作原理：驱动杆上的圆柱销嵌套在滑槽内，当驱动杆同圆柱销一起做直线往复运动时，即可拨动两个手指各绕其支点（铰销）做相对回转运动，从而控制手指的松开或闭合。滑槽杠杆式回转型末端执行器3.1.1夹持式末端执行器→2．平移型末端执行器平移型末端执行器通过手指的指面做直线往复运动或平面平行移动来实现松开或闭合动作，常用于夹持具有平行平面的工件，如冰箱、洗衣机等。平移型末端执行器移动机构直线往复移动机构平面平行移动机构3.1.1夹持式末端执行器→2．平移型末端执行器1）直线往复移动机构直线往复移动机构类型斜楔平移机构、杠杆平移机构、螺旋平移机构等。结构分类按手指数量：双指型、三指型、多指型按定心功能：自动定心型、非自动定心型杠杆平移机构直线往复移动机构3.1.1夹持式末端执行器→2．平移型末端执行器2）平面平行移动机构核心结构采用平行四边形铰链机构（双曲柄铰链机构）来实现手指平移。传动方法分类齿轮齿条传动蜗轮蜗杆传动连杆斜滑槽传动齿轮齿条平移机构3.1.1夹持式末端执行器→2．平移型末端执行器夹持式末端执行器最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。多指灵巧手有多个手指，每个手指有多个回转关节，每个关节的自由度都是独立控制的。因此，人类手指能完成的复杂动作它几乎都能模仿，如拧螺钉、弹钢琴、拿水杯等。多指灵巧手若再配置触觉、力觉、视觉、温度等传感器，则会达到更完美的程度。多指灵巧手的应用前景十分广泛，它可在各种极限环境下完成人类难以执行的操作，如在核辐射区域或宇宙空间中作业。知识窗口多指灵巧手3.1.2吸附式末端执行器吸附式末端执行器气吸式末端执行器磁吸式末端执行器根据吸附原理的不同吸附式末端执行器3.1.2吸附式末端执行器→1．气吸式末端执行器组成：由吸盘、吸盘架及进/排气系统组成。特点：结构简单、质量轻、使用方便。应用领域：广泛应用于非金属材料（如玻璃、塑料板材等）或无剩磁材料的吸附。气吸式末端执行器对工件表面没有损伤，且对被吸附工件预定的定位精度要求不高，但要求被吸工件材质致密，没有透气空隙，工件上与吸盘接触的部位光滑、平整、洁净。工作原理：利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的。3.1.2吸附式末端执行器→1．气吸式末端执行器气吸式末端执行器真空气吸喷气式负压气吸挤压排气负压气吸3.1.2吸附式末端执行器→2．磁吸式末端执行器工作原理：利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料。适用范围：只对铁磁物体起作用。局限性：对某些不允许有剩磁的零件应禁止使用。（a）吸附滚动轴承底座（b）吸附钢板（c）吸附齿轮（d）吸附多孔钢板几种电磁式吸盘吸料示意图磁吸式末端执行器的组成电磁式吸盘防尘盖线圈壳体3.1.2吸附式末端执行器→2．磁吸式末端执行器实际应用：一般用盘式电磁铁，其衔铁是固定的，衔铁内用隔磁材料将磁力线切断。当衔铁接触铁磁零件时，零件即被磁化而形成磁力线回路，并在电磁吸力的作用下被吸住。工作原理：线圈通电后，在铁心内外产生磁场，磁力线经过铁心、气隙和衔铁形成回路。衔铁受到电磁吸力的作用被牢牢吸住。1—线圈2—铁心3—衔铁3.1.3专用工具核心特性：通用性强，可通过更换专用工具执行多样化作业。工具更换方式：通过电磁吸盘式换接器（工具快换装置）快速进行更换，从而满足用户的不同加工需求。例如通用工业机器人安装焊枪便可成为一台焊接机器人，安装拧螺母机便可成为一台装配机器人。（a）电磁吸盘式换接器（b）专用工具1—气路接口；2—电磁吸盘；3—定位销；4—电接头。电磁吸盘式换接器和专用工具随堂检测一、用于夹持圆柱形工件的手指类型是（）。A．平面指B．V形指C．尖指D．特形指二、对比气吸式末端执行器和磁吸式末端执行器的适用范围。B课堂小结3.2腕部3.2.0简介人类的手腕连接着手掌和手臂，工业机器人亦是如此。工业机器人的腕部是连接末端执行器和臂部的部件，其具有独立的自由度，作业时通过腕部调整或改变末端执行器的位姿，可使末端执行器适应复杂的动作要求。3.2.1腕部概述→1．腕部的运动形式腕部一般需要三个自由度，由三个回转关节组合而成。腕部绕臂部轴线方向的旋转运动腕部相对于臂部进行的上下、左右摆动末端执行器绕自身轴线的旋转腕部回转关节的运动形式3.2.1腕部概述→1．腕部的运动形式根据转动特点的不同特点：组成关节的两个零件回转轴线重合，可实现360°无障碍旋转。标记：用

R表示。滚转特点：组成关节的两个零件回转轴线相互垂直，受结构限制，相对转动角度小于360°。标记：用B表示。弯转腕部回转关节的转动根据使用要求的不同，腕部的自由度不一定是三个，也可以是其他数目。腕部自由度的选用与工业机器人的通用性、加工工艺要求、工件放置位置和定位精度等因素有关。知识窗口3.2.1腕部概述→2．腕部的结合方式

（a）BBR型（b）BRR型（c）RBR型

（d）BRB型（e）RBB型（f）RRR型三自由度腕部的结合方式3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理常见工业机器人的腕部RRR型三自由度腕部二自由度腕部齿轮链轮传动三自由度腕部柔顺腕部3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→1．RRR型三自由度腕部结构与运动传递：RRR型三自由度腕部的中间关节是斜置的，三根转动轴内外套在同一转动轴线上。RRR型三自由度腕部原理图最外面的转动轴套直接驱动整个腕部转动。中间的轴套驱动斜置的中间关节运动。中心轴驱动第三个滚转关节。特点与应用：制造简单，润滑条件好，机械效率高，容易实现远距离传动，应用较为普遍。3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→2．二自由度腕部设计思路：通过轴B转动实现腕摆运动，通过轴S转动实现手转运动。某种二自由度腕部原理图1，2，3，4，5，6—锥齿轮构架末端执行器末端执行器3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→2．二自由度腕部腕部的诱导运动：某种二自由度腕部原理图3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→2．二自由度腕部设计注意：在设计二自由度腕部时要注意采取补偿措施，以消除诱导运动的影响。某种二自由度腕部原理图3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→3．齿轮链轮传动三自由度腕部齿轮链轮传动三自由度腕部原理图油缸链轮3，4，12，13，14，15，16，17，18，20—锥齿轮5，6—花键轴传动轴S腕架行星架10，11，22，24—圆柱齿轮链轮21，23—双联圆柱齿轮油缸3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→3．齿轮链轮传动三自由度腕部实现腕部绕摆动轴19腕摆运动的路线为：传动轴B→圆柱齿轮24→双联圆柱齿轮21→锥齿轮20→锥齿轮16→锥齿轮17→锥齿轮18（固定轮）→腕部绕摆动轴19腕摆。当行星架9固定不动实现末端执行器手转运动的路线为：传动轴S→圆柱齿轮10→双联圆柱齿轮23→圆柱齿轮11→锥齿轮12→锥齿轮13→锥齿轮14→锥齿轮15→末端执行器手转。3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→3．齿轮链轮传动三自由度腕部行星架9增加腕部转动的自由度运动路线​：油缸1中的活塞左右移动→链轮2→锥齿轮3，4→花键轴5，6→行星架9运动。行星架9的运动可增加腕部转动的自由度行星架9运动引发的诱导运动​：腕摆运动：当行星架9运动时，由于圆柱齿轮22绕双联圆柱齿轮21和圆柱齿轮11绕双联圆柱齿轮23转动，因此圆柱齿轮22的自转通过锥齿轮20，16，17，18传递到摆动轴19，引起腕部绕摆动轴19的腕摆运动。手转运动：圆柱齿轮11的自转通过锥齿轮12，13，14，15传递到末端执行器产生手转运动。3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→4．柔顺腕部精密装配作业中，被装配零件之间的配合精度相当高。由于被装配零件的不一致性，导致工件的定位夹具、末端执行器的定位精度无法满足装配要求，产生装配困难，因此便有了对装配动作柔顺性的要求。主动柔顺装配：从检测、控制的角度，采取各种不同的传感方法，实现边校正边装配。被动柔顺装配：从结构的角度在腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。0102柔顺装配技术3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→4．柔顺腕部具有水平浮动和摆动浮动机构的柔顺腕部水平浮动机构：由平面、钢珠和弹簧构成，以实现两个方向的浮动。摆动浮动机构：由上、下球面和弹簧构成，以实现两个方向的摆动。在装配作业中，如遇夹具定位不准或末端执行器定位不准时可自行校正。在插入装配作业中，当工件局部被卡住时，阻力促使柔顺腕部进行微小的修正，工件便能顺利插入。柔顺腕部动作过程3.2.2常见工业机器人腕部的工作原理→4．柔顺腕部腕部结构是工业机器人中最复杂的结构之一，且因传动系统互相干扰，更增加了腕部结构的设计难度。为满足末端执行器作业时的姿态要求，腕部应轻量化，传动系统结构应简单并有利于臂部对整机的静力平衡。知识窗口随堂检测一、工业机器人腕部实现“末端执行器绕自身轴线旋转”的运动形式称为（）。A．臂转B．腕摆C．手转二、柔顺腕部为何需要水平浮动和摆动浮动机构？C课堂小结3.3臂部3.3.0课堂引入未来的你走进一家“机器人厨房”：一台机器人像顶级厨师一样，左手颠锅翻炒、右手精准调味，还能瞬间伸长手臂从高处取来调料瓶；而隔壁仓库的机器人更夸张——它“站”在角落里，却能像章鱼触手般灵活抓取远处的货物。这些神奇的操作，全都依赖工业机器人的“百变手臂”！这些“钢铁手臂”究竟藏着什么秘密？为什么有的手臂能“一柱擎天”，有的却像“九曲回廊”？今天，我们就化身“机器人工程师”，拆解工业机器人臂部的三大运动密码、四大配置形态和结构设计黑科技！3.3.1臂部概述臂部组成核心部件：臂杆、传动装置、导向定位装置、支撑连接和位置检测元件。外形结构：由回转关节、大臂和小臂组成。定义：臂部的上下运动。实现方式：采用液压缸机构或通过调整工业机器人机身在垂直方向上的安装位置。垂直移动径向移动定义：臂部的伸缩运动。作用：使臂部的工作空间发生变化。回转运动定义：臂部绕铅垂轴的运动。作用：决定了臂部所能达到的角度位置。3.3.2臂部的配置形式常见的配置形式横梁式立柱式机座式屈伸式臂部不同形式的配置3.3.2臂部的配置形式→1．横梁式配置基本构成与分类机座设计：机座为横梁，用于悬挂臂部机构。分类：分单臂悬挂式、双臂悬挂式。（a）单臂悬挂式（b）双臂悬挂式横梁式配置运动方式：大多为移动式。优点：占地面积小、空间利用率高、动作简单直观。横梁安装形式及位置安装形式：可固定，也可行走。安装位置：一般装在厂房原有建筑柱梁/设备上，也可从地面上架设。3.3.2臂部的配置形式→2．立柱式配置分类：较常见，分单臂式、双臂式。运动及优点：臂部可在水平面内回转；优点为占地面积小、工作空间大。（a）单臂式（b）双臂式立柱式配置安装方式：立柱可固定安装在空地上，也可固定安装在床身上。结构与功能：结构较为简单，主要承担上、下料或转运等工作。3.3.2臂部的配置形式→3．机座式配置属性：为独立的、自成系统的完整装置。分类：单臂回转式、双臂回转式、多臂回转式。特点：可随意安放和搬动。可沿地面上的专用轨道移动，扩大其活动范围。（a）单臂回转式（b）双臂回转式（c）多臂回转式机座式配置3.3.2臂部的配置形式→4．屈伸式配置构成：臂部由大臂、小臂组成，大臂与小臂间有相对运动，称为屈伸臂。分类：分平面屈伸式、立体屈伸式。（a）平面屈伸式（b）立体屈伸式屈伸式配置1—立柱2—大臂3—小臂4—腕部5—末端执行器运动实现：屈伸臂与机座一起，结合工业机器人的运动轨迹，既可实现平面运动，又可实现空间运动。3.3.3臂部结构的设计工业机器人臂部的总重量较大、受力较复杂，直接承受腕部、末端执行器和操作工具的静、动载荷，在高速运动时会产生较大的惯性力。臂部结构的设计应满足工业机器人作业空间的要求。（1）合理选择臂部截面形状，并选用高强度轻质材料。工字形截面的弯曲刚度一般比圆形截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大，所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支撑板。（2）臂部结构的设计要求3.3.3臂部结构的设计尽量减小臂部重量和整个臂部相对于回转关节的转动惯量，以减小运动时的动载荷与冲击。（3）合理设计臂部与腕部、机座的连接部位。这些连接部位直接承担臂部的动载荷与力矩传递，若结构强度不足或刚性匹配不当，则可能导致工业机器人振动加剧，进而影响末端执行器的定位精度。（4）臂部结构的设计要求工业机器人臂部的制作材料中，非金属材料主要有聚酰胺（PA）、聚醚醚酮（PEEK）和碳纤维等；金属材料以轻合金，特别是以铝合金为主。知识窗口随堂检测一、工业机器人臂部实现上下运动的自由度称为（）。A．径向移动B．垂直移动C．回转运动二、简述工业机器人臂部的三大自由度及其作用。B课堂小结3.4腰部课堂引入在未来的科幻工厂里，一台工业机器人正执行高难度任务：它要在高速旋转中，将精密零件像“穿针引线”般准确装配到移动的设备上。突然，它的“腰”没撑住，零件散落一地——这背后，藏着工业机器人“腰部”设计的哪些秘密？其实，工业机器人的腰部就像我们的“小蛮腰”，看似纤细，却承担着支撑手臂、灵活转向的重任。但与人类不同的是，它不仅要在焊接时保持纹丝不动，还要在搬运重物时灵活扭转，甚至在高速运动中精准定位。这就好比要求运动员既要像雕塑般稳定，又要像舞者般灵活！让我们一起拆解工业机器人的“钢铁之腰”，看看如何让它又稳、又轻、又灵活！腰部功能与作用腰部（立柱）：支撑臂部的部件。它既可在机座上转动，也可与机座制成一体。腰部可与臂部运动结合，将腕部移送到需要到达的工作位置。因此，腰部不仅可以帮助工业机器人获得更大的运动范围和更高的灵活性，还可以增加工业机器人的姿态调节能力，使其适应不同的作业环境。工业机器人腰部作为连接机座与臂部的核心部件，其结构设计直接影响工业机器人的负载能力、运动精度、刚性和动态性能。腰部结构的设计要求（1）选用高强度材料，如铸铁或碳纤维复合材料，以承受扭转和弯曲力矩。（2）通过拓扑优化或中空结构减轻腰部重量，在保证刚性的前提下去除冗余材料，如采用镂空支撑框架或蜂窝状内部结构。（3）需要通过动力学仿真精确计算臂部运动产生的惯性力矩，并据此优化腰部结构刚性，避免在高速运动工况下腰部变形导致末端执行器定位不精确。（4）采用多支撑轴承布局，如交叉滚子轴承与双列角接触球轴承组合，以强化腰部结构刚性。拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。知识窗口一、工业机器人腰部的主要功能是（）。A．支撑末端执行器B．连接机座与臂部，扩大运动范围C．实现直线往复运动二、简述工业机器人腰部的两大核心功能。随堂检测B课堂小结3.5机座课堂引入如果要设计一个能在多种复杂环境下工作的超级工业机器人，我们该如何结合这些行走机构的特点呢？快一起学习一下吧！移动式机座组成：含驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等。功能：支撑工业机器人的臂部、腕部和末端执行器。根据作业任务的要求，带动工业机器人在更广阔的空间内运动。3.5.1机座概述固定式用铆钉直接固定于地面或工作台上移动式安装在行走机构上机座3.5.1机座概述工业机器人的行走机构无固定轨迹式行走机构固定轨迹式行走机构安装在一个可移动的拖板座上，整个工业机器人可以靠丝杠螺母的驱动沿丝杠纵向移动。除此之外，此类工业机器人也可采用类似起重机梁的移动方式行走。应用场景：工作区域大的作业场合，如大型设备装配，立体化仓库中的材料搬运和堆垛，大面积喷涂等。类型：常见类型：履带式行走机构、轮式行走机构和足式行走机构等。特殊类型：步进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等。3.5.2行走机构→1．履带式行走机构履带式行走机构组成支重轮拖链轮导向轮（引导轮）驱动轮履带行走架张紧装置行走液压马达减速机履带式行走机构的结构1—导向轮2—张紧装置3—行走架3—行走架5—履带6—拖链轮7—驱动轮8—行走液压马达和减速机3.5.2行走机构→1．履带式行走机构履带式行走机构特点（1）支撑面积大，接地比压小，下陷度小，滚动阻力小，适合在松软或泥泞场地作业。（2）越野机动性好，可以在凹凸不平的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不大的台阶，爬坡、越沟等性能优越。（3）履带支撑面上有履齿，因此不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。（4）没有自定位轮和转向机构，只能靠左右两个履带的速度差实现转弯，因此转向和前进方向都会产生滑动，且转弯阻力大，不能准确地确定回转半径。（5）结构复杂、重量大、运动惯性大、减振功能差，零件容易损坏。不同形式的行走机构3.5.2行走机构→2．轮式行走机构应用场景：平坦的地面上。轮式行走机构在工业机器人中的应用车轮类型与适用场景车轮类型适用地面实心钢轮轨道充气轮胎室外路面实心轮胎室内平坦地面轮式行走机构一轮二轮三轮四轮多轮根据车轮数量的不同实际应用的轮式行走机构3.5.2行走机构→2．轮式行走机构1）三轮行走机构特点：稳定性较好，其最具代表性的车轮配置方式是一个前轮、两个后轮。两个后轮驱动，前轮仅起支撑作用，通过后轮速度差实现转向。前轮驱动，并通过前轮转向。两后轮驱动并配有差动器，通过前轮转向。3.5.2行走机构→2．轮式行走机构2）四轮行走机构特点：在工业机器人中的应用最为广泛，其可采用不同的方式实现驱动和转向。后轮分散驱动。四轮同步转向机构，这种机构可实现更灵活的转向和较大的回转半径。与三轮行走机构相比，四轮行走机构的稳定性有很大提高。但是，要保证四组车轮同时和地面接触就必须使用特殊的轮系悬架系统，该系统需要四个驱动电动机，控制系统比较复杂，造价较高。3.5.2行走机构→3．足式行走机构履带式行走机构优势：可以行走在凹凸不平的地面上。劣势：适应性较差，行走时晃动太大，在软地面上行驶速度较慢。轮式行走机构理想条件：平坦坚硬的地面。局限性：若地面凹凸不平或地面很软，则其运动阻力将大大增加。参照人类和动物四肢的运动原理而设计的足式行走机构应运而生。3.5.2行走机构→3．足式行走机构足式行走机构的足数单足双足三足四足六足3.5.2行走机构→3．足式行走机构双足机器人优势：能够跨越沟壑，上下台阶，适应性较好。劣势：在保证静、动行走性能，稳定性和高速运动等方面是比较困难的。六足机器人优势：稳定性极佳，可以实现XOY平面内任意方向的行走和原地转动，且适合于重载。劣势：灵活性不如双足机器人。工业机器人具体应用几足行走机构，需要通过工作环境及任务要求来进行综合评定。3.5.2行走机构→3．足式行走机构一、工业机器人中，固定式机座的安装方式是（）。A．安装在行走机构上B．用铆钉固定于地面或工作台C．通过丝杠螺母驱动移动二、简述移动式机座的两大功能，并说明其组成部件。随堂检测B课堂小结3.6驱动器3.6.0简介工业机器人驱动器的结构框图工业机器人的自由度较多，运动速度较快，因此需要有专门的驱动器来驱使各个末端执行器协同工作。根据动力源的不同，工业机器人的驱动器可分为电动驱动器、液压驱动器和气动驱动器三种。根据需要，工业机器人可采用三种基本驱动类型中的单独一种或几种组合而成的驱动系统。分类电动驱动器（电动驱动器）定义：利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构驱动工业机器人的关节，以满足所要求的位置、速度和加速度的驱动器。特点：控制精度高，能精确定位，反应灵敏，可实现高速度、高精度的连续路径控制。适用场景：中小负载驱动，一般用于喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人和装配机器人等。3.6.1电动驱动器3.6.1电动驱动器伺服电动机特点：作为电动驱动器的执行元件，具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。工业机器人电动驱动器常用的伺服电动机交流伺服电动机直流伺服电动机步进伺服电动机3.6.1电动驱动器→1．交流伺服电动机1）交流伺服电动机的结构交流伺服电动机（AC伺服电动机）：其结构比较简单，主要由定子和转子两大基本部分组成。定子主要由机座、定子铁心和定子绕组等组成；转子主要由转子铁心、转子绕组和转轴等组成。交流伺服电动机的结构3.6.1电动驱动器→1．交流伺服电动机2）交流伺服电动机的工作原理磁极与转子之间没有机械联系。当转动外面的磁极时，转子随着磁极同方向一起转动。磁极转动得快，转子转动得也快。磁极反转，转子也反转。实验说明，交流伺服电动机工作的关键是有旋转磁场。交流伺服电动机工作原理的模拟实验在交流伺服电动机中，由于各相绕组中的电流是交变的，因此各电流的磁场也是交变的，而三相电流的合磁场则是一旋转磁场。3.6.1电动驱动器→1．交流伺服电动机2）交流伺服电动机的工作原理三相电流波形曲线3.6.1电动驱动器→1．交流伺服电动机2）交流伺服电动机的工作原理三相电流波形曲线3.6.1电动驱动器→1．交流伺服电动机随着定子绕组中三相电流的不断变化，所产生的合磁场也在空间不断旋转。电流变化一周期，合磁场在空间旋转360°。2）交流伺服电动机的工作原理三相电流波形曲线3.6.1电动驱动器→1．交流伺服电动机3）交流伺服电动机的特点优势可通过大电流，无电刷，运行安全可靠，适用于频繁的启动、制动工作，且过载能力、力矩惯量比、定位精度等优于直流伺服电动机。不足控制比较复杂，所构成的驱动系统价格比较昂贵。3.6.1电动驱动器→2．直流伺服电动机1）直流伺服电动机的结构直流伺服电动机（DC伺服电动机）：最普通的电动机，速度控制相对比较简单。结构组成：由定子和转子两部分组成。关键结构：定子固定不动，转子可以旋转，在这两部分之间形成的间隙称为空气隙。直流伺服电动机的结构3.6.1电动驱动器→2．直流伺服电动机1）直流伺服电动机的结构有刷直流伺服电动机电刷作用：电刷固定在机座上，它可以将外电路的电压、电流引入转子绕组或将转子绕组中的电动势、电流引出到外电路。换向原理：虽然通过电刷的电流是直流电，但换向器使线圈中流过的直流电变为交流电，线圈所受的电磁转矩方向保持不变，使转子能朝着一个方向持续旋转。无刷直流伺服电动机换向改进：采用电子换向替代电刷。性能优势：大大提高工作效率和延长使用寿命。电刷的结构3.6.1电动驱动器→2．直流伺服电动机2）直流伺服电动机的工作原理初始状态电源连接：将电刷A端接直流电源的正极，电刷B端接直流电源的负极。电流流向：线圈电流沿abcda方向。受力与转动：ab边（N极下）受力右→左，cd边（S极上）受力左→右电磁力形成逆时针方向的电磁转矩，电动机转子按逆时针方向旋转。（a）（b）有刷直流伺服电动机的模型3.6.1电动驱动器→2．直流伺服电动机2）直流伺服电动机的工作原理旋转90°后状态临界变化：电流因为换向器的空隙而为零，电磁感应强度也变为零。此时，线圈边不受力，电磁转矩消失机械惯性：线圈仍能转过一个角度，使原N极下的导体ab转到S极上，原S极上的导体cd转到N极下。电流与转动恢复电源切换：电刷A接负极，电刷B接正极。电流流向：变为dcbad。受力与转动：cd边（N极下）受力右→左，ab边（S极上）受力左→右，转子继续逆时针旋转。3.6.1电动驱动器→2．直流伺服电动机3）直流伺服电动机的特点优势可实现宽范围、高精度调速，响应速度快，在低速时便可输出较大扭矩，适用于需要快速启动、制动或重载启动的工作。不足无法精确控制电动机转动的转数（即位置控制），因此必须加上一个编码盘进行反馈，以获得实际转动的转数。3.6.1电动驱动器→3．步进伺服电动机步进伺服电动机：将电脉冲信号转换为相应角位移或直线位移的一种特殊电动机。运动逻辑：每输入一个电脉冲信号，电动机就转动一个角度；输入的脉冲数决定转角值，脉冲频率决定转子的速度。3.6.1电动驱动器→3．步进伺服电动机1）步进伺服电动机的结构三相反应式步进伺服电动机由于各相绕组沿圆周方向均匀排列，因此又称为径向分相式步进伺服电动机。三相反应式步进伺服电动机的径向截面图3.6.1电动驱动器→3．步进伺服电动机1）步进伺服电动机的结构核心部件构造定、转子铁心：由硅钢片叠压而成。定子结构磁极形式：凸极式，极面开有小齿。绕组配置：三套控制绕组，每套有两个串联的集中控制绕组分别绕在径向相对的两个磁极上。每套控制绕组称为一相，三相绕组接成星形，所以定子磁极数通常为相数的两倍。转子结构：无控制绕组，沿圆周方向有均匀的小齿，其齿距和定子磁极上小齿的齿距必须相等，且转子的齿数有一定的限制。3.6.1电动驱动器→3．步进伺服电动机2）步进伺服电动机的工作原理三相反应式步进伺服电动机的工作原理图3.6.1电动驱动器→3．步进伺服电动机2）步进伺服电动机的工作原理3.6.1电动驱动器→3．步进伺服电动机2）步进伺服电动机的工作原理转子转动规律：按A→B→C→A的顺序轮流通电，转子就会一步一步地按逆时针方向转动。3.6.1电动驱动器→3．步进伺服电动机2）步进伺服电动机的工作原理转子的转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。若按A→C→B→A的顺序通电，电动机便会按顺时针方向转动。3.6.1电动驱动器→3．步进伺服电动机2）步进伺服电动机的工作原理3.6.1电动驱动器→3．步进伺服电动机3）步进伺服电动机的特点优势控制电路较为简单，且不需要转动状态的检测电路，因此所构成的驱动系统价格比较低廉。不足功率较小，不适用于大负荷的工业机器人使用。3.6.2液压驱动器利用液压泵将原动机机械能→液体压力能，经控制阀、管路传递，再由液压执行元件将压力能→机械能，驱动工作机构做回转运动或直线往复运动。优势特点控制性能：控制精度高、可无级调速、反应灵敏、可实现连续路径控制等。负载适配：操作力大、功率体积比大，比较适合大负载低速驱动。局限性环境与密封：需要较高的密封性，不宜在高温或低温的场合工作。成本与维护：价格较贵，维护相对复杂。3.6.2液压驱动器→1．液压马达液压马达是旋转式执行元件，可将液体压力能转变为机械的回转运动。1，22—齿轮2—防尘罩3—电位器4—防尘器5，11—密封圈6，10—端盖7，13—输出轴8—壳体9，18—钢盘12—防尘圈14，19—滚针轴承15，21—泄油孔16，20—O形密封圈17—转子23—解算器3.6.2液压驱动器→1．液压马达部件材质壳体：一般由铝合金制成。转子：一般为钢制。密封与防护：密封圈和防尘圈可用来防止液压油的外泄及保护轴承。工作驱动：电液阀的控制下，液压油经进油孔进入，使转子转动。位置反馈：由一对消隙齿轮带动的电位器和一个解算器给出转子的位置信息。电位器：提供粗略位置。解算器：测定精确位置。液压马达的结构液压马达的测定精度不会超过其驱动电位器和解算器的齿轮系精度。知识窗口3.6.2液压驱动器→2．液压缸液压缸功能与优势功能：将液体压力能转变为机械的直线往复运动（或摆动运动）。优势：结构简单、工作可靠；在用液压缸实现直线往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳。应用：在工业机器人中应用比较广泛。3.6.2液压驱动器→2．液压缸直线液压缸典型类型与控制类型：电磁阀控制的直线液压缸是最简单、最便宜的开环液压驱动装置。减速控制：在直线液压缸的工作过程中，可通过受控节流口调节流量来实现到达运动终点时的减速，从而对停止过程加以控制。工作原理：基于液压油对活塞的作用，液压油经控制阀被送到液压缸的一端。在开环系统中，阀由电磁铁控制。在闭环系统中，阀由电液伺服阀控制。直线液压缸3.6.3气动驱动器气动驱动器的工作原理：靠压缩空气来推动气动马达或气缸运动，从而带动机械结构系统运动。气动驱动器的原理框图3.6.3气动驱动器缺点：由于气体压缩性大、精度低、阻尼效果差、低速不易控制，因此难以实现伺服控制，能效较低。优点：结构简单、成本低。适用场景：轻负载快速驱动和精度要求较低的有限点位控制的工业机器人（如冲压机器人）。点焊等较大型通用机器人的气动平衡。装配机器人的气动夹具（如气动手爪）。3.6.3气动驱动器目前，工业机器人的驱动方式以电动驱动为主。与液压驱动和气动驱动相比，电动驱动的优势是什么？一、工业机器人中，以下哪种驱动器因气体压缩性大而难以实现伺服控制？（）A．电动驱动器B．液压驱动器C．气动驱动器二、简述步进伺服电动机“三相单三拍”运行方式的含义。随堂检测C课堂小结3.7传动机构3.7.0减速器在工业机器人中，传动机构是连接动力源和机械结构系统的中间装置，通常包括连杆机构、滚珠丝杠、齿轮系、链、带、减速器等。在各种传动机构中，减速器是保证工业机器人实现到达目标位置精确度的核心部件。合理地选用减速器，可精确地将动力源转速降到工业机器人各部位所需要的速度。因此本节主要介绍减速器。目前应用于工业机器人（尤其是关节型机器人）中的减速器主要有谐波减速器和RV减速器。谐波减速器：利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器，运动本质：依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。3.7.1谐波减速器谐波减速器由具有内齿的刚轮、具有外齿的柔轮和波发生器组成。通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。3.7.1谐波减速器→1．谐波减速器的结构谐波减速器的结构刚轮是一个刚性的内齿轮，双波谐波传动的刚轮通常比柔轮多两齿。谐波减速器多以刚轮固定，外部与箱体连接。3.7.1谐波减速器→1．谐波减速器的结构谐波减速器的结构柔轮有薄壁杯式、薄壁圆筒式和平嵌式等多种形式。其中，薄壁圆筒式柔轮的开口端外面有齿圈，它随波发生器的转动而变形，筒底部分与输出轴连接。3.7.1谐波减速器→1．谐波减速器的结构谐波减速器的结构波发生器与输入轴相连，对柔轮齿圈的变形起产生和控制的作用。它由一个椭圆形的凸轮和一个薄壁的柔性轴承组成。柔性轴承不同于普通轴承，它的外环很薄，容易产生径向变形，在未装入凸轮之前外环是圆形的，装上之后外环变为椭圆形。3.7.1谐波减速器→2．谐波减速器的工作原理波发生器装入柔轮的状态波发生器形状：通常是椭圆形的，将其装入柔轮后，柔轮由原来的圆形变为椭圆形。啮合区域分布啮合区：长轴两端的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合（一般有30%左右的轮齿处在啮合状态）。脱开区：短轴两端的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开。啮出：逐渐退出刚轮，半脱开。啮入：逐渐进入刚轮轮齿间，处在半啮合状态。3.7.1谐波减速器→2．谐波减速器的工作原理波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形。波发生器的连续转动，使柔轮轮齿循环往复地进行啮入→啮合→啮出→脱开4种状态，不断改变各自原来的啮合状态。错齿运动正是这一错齿运动，使减速器将输入的高速转动变为输出的低速转动。谐波减速器的工作原理3.7.1谐波减速器→3．谐波减速器的特点（1）传动比范围大单级谐波齿轮传动比为70～320，在某些装置中可达到1000；多级谐波齿轮传动比可达30000以上。（2）体积小、重量轻与一般减速器相比，输出力矩相同时，谐波减速器的体积可减小2/3，重量可减轻1/2。3.7.1谐波减速器→3．谐波减速器的特点（3）结构简单谐波减速器仅有三个基本构件，且输入轴与输出轴同轴线布置，结构简单，安装方便。（4）承载能力高谐波减速器中，同时啮合的齿数多，且柔轮采用了高强度材料，齿与齿之间为面接触，因此承载能力比一般减速器高。3.7.1谐波减速器→3．谐波减速器的特点（5）传动精度高谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，误差平均化，即多齿啮合对误差有相互补偿作用，因此传动精度高。（6）传动效率高、运动平稳由于柔轮轮齿在传动过程中做均匀的径向移动，因此，即使输入速度很高，齿轮的相对滑移速度仍极低，所以齿轮磨损小、效率高。此外，由于在啮入和啮出时，齿轮的两侧都参加工作，因此运动平稳，无冲击现象。谐波减速器广泛用于航空、航天、工业机器人、机床微量进给、通信设备、纺织机械、化纤机械、造纸机械、差动机构、印刷机械、食品机械和医疗器械等领域。知识窗口3.7.2RV减速器→1．RV减速器的结构RV减速器的结构行星轮与曲柄轴固连，均匀分布在一个圆周上，将齿轮轴输入的功率分流传递给摆线轮行星机构，起功率分流的作用。刚性盘是动力传动机构，其上均匀分布轴承孔，曲柄轴的输出端通过轴承安装在刚性盘上。针轮上安装有多个针齿，其与壳体固连在一起统称为针轮壳体。3.7.2RV减速器→1．RV减速器的结构RV减速器的结构为了在传动机构中实现径向力的平衡，一般要在曲柄轴上安装两个完全相同的摆线轮，且两摆线轮的偏心位置相互成180°角。齿轮轴为渐开线中心轮，用来传递输入功率。3.7.2RV减速器→1．RV减速器的结构RV减速器的结构输出盘是减速器与外界从动工作机械相连接的构件，与刚性盘相互连接成为一体，用于输出动力。为了在传动机构中实现径向力的平衡，一般要在曲柄轴上安装两个完全相同的摆线轮，且两摆线轮的偏心位置相互成180°角。3.7.2