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带你读《工业机器人系统及应用》之三:驱动系统

简介: 本书聚焦于工业机器人,涵盖其组成结构、电气控制及实践应用,重点从使用的角度展开介绍,不涉及数学原理分析。书中综合了机械、控制、计算机、传感器、驱动等专业的知识,包含大量新近的工业机器人产品实例,并配有丰富的图表和数据手册,为机器人的设计、生产、布置、操作和维护提供全流程的详细指南。

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第3章

驱动系统

3.1 本章目标

读完这一章,你可以掌握以下内容:

  • 知道液压系统在机器人操作中的作用。
  • 了解压力是如何产生的,泵是如何使用的,气体力学又是如何得名的。
  • 了解电机在机器人中的作用。
  • 了解在机器人中使用的电机类型。
  • 了解什么是滑动、末端执行器、夹持器、末端工具和定位。
  • 理解两个专业术语:重复定位精度和精度。
  • 了解驱动器的工作原理以及齿轮的使用方法。
  • 识别滚珠丝杠和锥齿轮,并了解谐波传动的作用。
  • 确定机器人使用的皮带类型。
  • 确定机器人使用的链条类型。
  • 识别并论述本章使用的关键术语。
  • 回答本章最后的思考题。

机器人需要依靠动力才能正常运行。为了驱动机器人的机器臂及其他部分,需要开发一些现成的单元以比较方便地组成机器人的动力系统。前文中已经提到有三种可用于驱动机器人及操作机的方式:液压系统、气动系统和电力驱动系统。当然,在气动系统和液压系统的运行中也需要应用到电力。但是,电力机器人是指把电机连接到机器人操作机上直接驱动的全电驱动机器人。

3.2 液压系统

在机器人的三种驱动系统中,液压系统能够承受并移动最重的负载,这也是液压系统如此受欢迎的原因(如图3-1所示)。对于使用电力系统很可能会发生危险的喷涂行业,液压系统却非常适用。汽车使用液压系统进行制动,当踩下制动踏板时,油箱内的制动油液压力升高,制动液在压力的推动下移动到制动油缸,制动油缸对活塞施加压力从而实现对车轮的制动。可以根据需求,对活塞施加不同大小的压力,以使正在行进的汽车停止或减速行驶。机器人的液压系统与汽车的制动系统类似。

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流体力学一词的起源跟希腊语中的“?水?”有关。但在机器人驱动系统中使用的是油,而不是水(在铸造和锻造操作中会使用到一些水基液压油)。为了驱动操作机或夹持器,这种油会在适当的时间对合适的位置施加压力。液压系统会对受约束的液体施加压力,施加到油上的压力越大,容器中液体的压力也就越大。
压强
作用在给定面积上的力叫作压强,压强的单位是磅/平方英寸,可以缩写为psi。压强的公制单位是帕斯卡,1帕斯卡=?1牛顿/平方米(牛顿是力的单位)。由于帕斯卡是一个非常小的单位数,所以常使用千帕和兆帕,例如,典型的汽车轮胎压力是190千帕,典型的工业气压管道的压力为700千帕(1磅/平方英寸=6.896千帕,1千帕=1.45磅/平方英寸)。
液压系统的压强大小取决于施加在油箱上的推力的大小(如图3-2所示)。有几种方法可以产生机器人液压系统所需的压强。在液压回路中产生的压强用单位面积上施加力的大小来表示。压强的产生源于液压回路输出的负载或是由某种流动阻力造成的。泵用于使管道内的液体产生流动,从而驱动机器人的夹持器或操作机的运动。重力也可以用来产生压强。

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使用液压系统的缺点之一是其内在的泄漏问题。流体受到压力后,会突破系统中最薄弱的地方并流出。这意味着沿管道的每个接头都必须具备承受高压而不发生泄漏的能力。这也意味着机器人的移动部分或操作机必须能够在流体受到压力时保持可靠密封。在大多数情况下,用于接头密封的O型环不能容纳流体,会发生泄漏。对于操作机的移动端及流体管路的终端,用于密封的O型环是关键元件,这也是重载机器人的相关维护问题之一。使用液压系统提升重物时,在操作过程中必须能够保持系统的完整性,避免流失过多的液体。液体很滑,若洒在地板上需要及时进行处理,以防止在该区域的工作人员发生事故。
由于液压系统中的压强是逐渐增大的,因此有必要采取相应措施以防止其因不断增加而超过管道和容器的承载范围。当系统中的液体压强超过系统能够安全承受的最大值时,安全阀就可以实现溢流的功能,这时安全阀就变得尤为重要了。只要系统内的液体压强值低于设定值,安全阀就一直处于关闭状态。一旦压强增加到设定值,安全阀就会开启。随后,多余的液体会返回到容器或油箱中。这意味着液压系统的设计必须包括安全阀及保证溢出的流体返回到油箱的油路。
液压系统需要使用滤油器来保持流体清洁,即使是很小的污染物也能造成系统的迅速磨损,即使是微米大小的污染物也需要用滤油器过滤出来。为保持流体和系统处于良好的运行状态,滤油器必须定期更换。
几千磅/平方英寸的压力在机器人的操作中并不少见,这意味着即使像针孔一样小的泄漏也可能会引发巨大的危险。如果把手放在漏孔附近,通过漏孔排出的液体可以在你做出反应之前就将手切断。当压力小于2000磅/平方英寸时,这种情况是不会发生的,但是在高压状态下是非常危险的。
机器人操作的附加容积可以通过使用气体对调压器加压的方法来获得。蓄能器是专门用来为主系统补充压强的。有些情况下,为驱动机器人实现快速运动,需要为其提供比单独使用泵能得到的更多的液体量,此时,安装在回路高压侧的调压器可以通过柔性容器中的气体进行加压。该柔性容器位于油箱内部,在工作时展开。压力过高时,流体的高压会压缩气体。当系统需要更多的液体以进行快速运动时,回路内的液体压强会略微下降,并使油箱中的气体膨胀,迫使更多的液体流入系统。
安装在操作机上的液压马达的操作由液压阀控制,液压阀是打开一段时间还是一直保持阀门关闭则由变频器的信号控制。稍后讨论的控制系统是非常重要的,它能使机器人按工作需要去完成相应的操作。液压马达和液压缸虽然结构紧凑,但却能产生较大的力并做功。它们能够迅速地实现精确运动(如图3-3所示)。

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3.3 泵

液压系统需要有泵才能工作,泵可以将电机提供的机械能转换为液压能。需要使用泵来推动液压流体在系统中流动。
液压泵有两种基本类型:流体动压泵和流体静压泵。流体动压泵是一种低阻力泵,一般不在机器人系统中使用。因此,此处重点介绍流体静压泵。
流体静压泵进一步又可分为齿轮泵和叶片泵,它们可以为操作机提供恒定流量的流体。齿轮泵通过在进油口处的齿轮未啮合时所产生的局部真空,将流体吸入泵内以填充真空,从而达到抽吸的目的。随着齿轮的不断运动,使得流体或液压油流到齿轮外侧,最终到达顶部的出油口位置。齿轮在出油口处啮合对液压油产生推动作用,迫使液压油流出口外并进入系统。
叶片泵因其设计而得名,齿轮泵也是如此。叶片作用于流体使其从容积较大的区域向容积较小的区域流动,这时,由于流体本身的不可压缩性,流体的压力增加(如图3-4所示)。叶片泵可提供中低等的压力和速度,可以用来为操作机提供能够提升较大负载的能量。每分钟大约25加仑的流体在系统中流动,就可以产生高达2000磅/平方英寸的压力。
活塞式回转泵也用于为液压系统加压。活塞收回时从输入端口吸收大量的流体,伸展时将流体推入高压输出端口。该装置通常具有七个或九个液压缸,随机器的不同配置而变化。直列式柱塞泵具有很高的容量,速度可达中高速范围,压强可超过5000磅/平方英寸(如图3-5所示),方便在机器人中应用。

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3.4 气体力学

气体力学(Pneumatic)中的Pneu在拉丁语中的含义是“空气”。气体力学是物理学中研究空气和气体的内容。机器人应用气体力学来控制夹持器的运动,有时也会控制机械臂。因此,在机器人中压缩空气常作为传递运动和动力的媒介。
气动系统在工业应用中通常用来为手工工具提供动力,并在加工过程中夹持和提升零件。气动系统使用的压缩机都配有一个储气罐以储存压缩空气。压缩机由内燃机或电机驱动。使用过滤器来净化气体,并在排气管上加一个冷凝阀以除去水分。某些情况下,可以人为地在气体中添加一定量的油雾以使气动部件得到润滑(如图3-6所示)。

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为了保持储气罐内的气体压强恒定,当油箱中的压强下降到预定值时,电机开始运行以增大压强。压强达到预定值后会立即关闭电机和压缩机,直到再次需要加压时再重新开启。与液压系统相比,气动系统的优点是可以将压缩空气排入大气,而液压系统则需要一个回流系统来容纳流体以供重复使用。
气动系统包含一个电动压缩机、一个储气罐以及将空气从压缩机或油箱输送到使用设备的管道。系统有几种对流动气体的控制方法。可以用手动截止阀和溢流阀来控制空气,通过调节器和三通阀调节气体流量及压强。气动系统和液压系统有许多相似之处。但是也应注意到它们的差别。当气动系统完成压力操作后,只是把空气排入大气中,并用消音器减小噪声。液压系统必须设置从操作设备到油箱的回流管路,这样一来,就使液压系统的安装和使用更加昂贵。
气缸是利用气体压力进行工作的负载装置,将气体的机械能转变为驱动气缸活塞的直线运动。气动负载装置也可用于产生旋转运动。气动系统维护的最主要问题是保持空气源不含水分。气动线路必须保持清洁和干燥。

3.5 电机

电机在机器人中使用得非常普遍。电机易于用计算机或微处理器进行控制,并且很容易改变方向。在机器人中使用电机的另一个原因是电机的转矩和速度是可控的。
电机的电源主要分直流电(DC)和交流电(AC)。每一种类型的电机都有其自身的局限性和应用场合。这里不会对所有类型的电机进行全盘介绍,只是针对机器人中使用的电机类型做简要的叙述。

3.6 直流电机

根据励磁方式的不同,直流电机可分为串励、并励和复励三种(如图3-7所示),每种类型都有其各自的优缺点。例如,在需要大转矩来提升或移动物体的场合,可以使用串励结构。但是串励结构不能用于带传动或是需要恒定速度的设备。并励结构不能提供启动转矩,但是具有恒定速度特性。复励结构同时具有串励、并励两种特性,但也有其他一些局限性。

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大多数直流电机是有刷电机,有刷电机内部都有由云母绝缘体隔开的小铜块组成的换向器。由于电刷磨损以及在电机加载时电刷和换向器之间会产生电弧,有刷电机需要经常维护。
可以通过调节电压、电流或同时调节两者来实现直流电机的速度控制。已经设计出了能够控制直流电机速度的电子控制器。通过将供给绕组的电流极性反向,很容易使电机反转。也可以用可变电阻来实现直流电机的速度控制。把电阻与励磁绕组串联,通过电阻阻值的变化就可以提高或降低电机所获得的电压。

3.6.1 永磁电机

永磁电机(Permanent-Magnet,PM)主要用于驱动小型玩具以及汽车中的电动座椅和电动车窗等设备。除了玩具上的应用之外,也有一些其他用途,但是在机器人中用的很少。永磁电机由永磁体和转子绕组或电枢组成。电刷和换向器将直流电输送至电枢时,建立了一个能够被永磁体磁极吸引的磁场。磁极相反就会相互吸引。当换向器将直流电供给电枢时,电枢的磁场会使它产生转向固定的永磁体的运动,使其转动到另外两个部分,导致两个不同的磁极通电并被磁化,接着这个磁极就又会被永磁体吸引再产生转动。每当线圈接近永磁体时,线圈的能量就会通过换向器的作用使这部分线圈转动,接着就又与相邻两个部分上的电刷接触。这个过程会连续不断地进行,因为换向器的作用就相当于一个开关,决定哪部分的线圈通电,以及什么时候通电。

3.6.2 直流无刷电机

较新研发的直流无刷电机是通过晶体管或霍尔效应磁性器件来使通过励磁线圈的电流方向改变的。普通直流电机通过换向器在电枢中进行电流转换,直流无刷电机则使用电子器件作为开关操作。无刷电机有两种类型:霍尔效应电机和分相永磁电机。分相永磁电机具有中心抽头绕组(如图3-8所示)。使用晶体管建立一个振荡电路来向绕组供电。电机绕组的电阻、电容和电感决定振荡器工作的频率,也决定了电机的转动速度。

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霍尔效应电机利用晶体管的特性来对存在的磁场做出反应,以此作为开关。当晶体管附近有磁场通过时,晶体管中的半导体电阻减小,电路中的电流升高,升高的电流被输送到电子开关,电子开关进而控制电机励磁绕组供电电流(如图3-9所示)。

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无刷电机的永磁体安装在电枢轴上,而不是将其作为永磁磁场。励磁线圈是绕线式的转子。无刷电机的优点是使用寿命长。去掉电刷和换向器之后,便可使其成为几乎不需要任何维护的电机。无刷电机的主要缺点是由分相PM类型产生的低转矩。

3.6.3 步进电机

由步进电机驱动的教育机器人具备机器人的基本操作功能,但步进电机在工业领域用得并不多。步进电机有一个很大的缺点,就是一旦过载就会发生“?丢步?”现象,这意味着会产生由于丢步而导致的难以觉察的误差,并使正在加工和处理的工件报废(如图3-10a所示)。
步进电机主要用于将电脉冲转换成旋转运动,如此就可用来产生机械运动,这一点刚好与计算机的特点相匹配。计算机发出操作步进电机的脉冲。双相步进电机的操作是由四步开关序列完成的。开关1或2的四个组合中的任何一个都能够确定一个准确的转子位置(如
图3-10b所示)。在四个开关组合完成后,重复该周期。每个开关组合都会使步进电机运动一步。
有些步进电机使用八个开关组合来实现半步,在这种类型的操作期间,对于施加到定子的每一个输入脉冲,电机轴移动其正常步距角的一半,这会得到更精确可控的运动(如图3-10c所示)。这样的步进电机需要有八个定子绕组。

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3.7 交流电机

交流电机在工厂中用来操作空气压缩机及物料搬运设备。它们提供搬运材料和设备的能量。一般用直流电机控制机器人运动的主要原因是直流电机比交流电机更容易实现速度控制。直流电机也比交流电机更容易实现计算机控制。然而,近期的技术进步已经能够实现交流电机的精确计算机控制。
机器人最常用的两种交流电机是绕线转子感应电机和鼠笼式电机,根据机器人所在工厂能够提供的电压情况,它们可在120伏、240伏和440伏的电压下运行。

3.7.1 感应电机

感应电机可以分成很多种类型。但是我们在此只讨论绕线转子感应电机。这种电机在机器人上得到大量应用有几个原因:绕线转子感应电机在重载下依然具有平稳的加速度,且不会过热,它还具有高启动转矩和良好的运行特性。由于线绕转子的存在,可以获得高启动转矩。
但是这种电机的缺点是启动非常慢,这也限制了它的应用,感应电机只能应用在不要求操作机快速移动的操作中。
感应电机在具有转子绕组的电路中加入了一个高电阻。随着电机速度的增加,电阻减小。一旦电机超过某个速度,导致滑环脱离电阻箱(电阻保持为0,不再起到调节作用),此时的感应电机就相当于一个普通鼠笼式电机了。

3.7.2 鼠笼式电机

鼠笼式电机转子的设计就像一个鼠笼,因此该名称表示这是一种转子中含有短路导体条的电机(如图3-11a所示)。由于交流电机本质上相当于一个短路转换器,其转子或次级被短路并允许旋转。使用轴端的风扇为这个被短路的转子降温,因此转子能够旋转且不会产生过大的电流,也不会过热(如图3-11b所示)。
机器人操作机通常由鼠笼式电机提供动力。不同的设计特点可以满足操作机的不同需求。这些设计特点大多涉及转子的制造方法,以及处理工作任务所需的速度和电流等方面。
鼠笼式电机的转子类似于松鼠和沙鼠被装在笼子里的时候,它们用来保持自己的姿势的轮子。转子由硅钢片叠片铁芯、铜端环或铝端环以及转子长度的导体条制成。
鼠笼式电机分为六类。根据工作方式和工作条件的不同特点,分为从A类到F类。电机的分类有利于在实际应用中对电机的恰当选用。

  • A类:正常转矩,正常启动电流。最常用的鼠笼式电机。
  • B类:正常转矩,低启动电流。

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  • C类:高转矩,低启动电流。
  • D类:非常高的滑移率。最常应用于机器人。
  • E类:低启动转矩,正常启动电流。
  • F类:低转矩,低启动电流。

3.7.3 滑移

感应电机的转子无法保持与磁极或定子中的磁场变化同步。转子的速度与由60赫兹交流电产生的磁场变化之间的差称为滑移。当定子磁极和转子导体之间存在感应电流损失时,就会产生滑移。负载转矩是导致电机发生滑移的原因。转子的速度和磁场的变化之间的差是电机转动的原因。如果转子和磁场以相同的速度旋转,则感应磁场和定子中的磁场的差异将抑制转子产生转矩以保持其速度不变。即使没有负载,想使转子跟上磁场的变化也难以做到,因为除了转子中感应电流的损失之外,还存在轴承的摩擦以及风扇和运动转子之间产生的风阻等因素。
滑移以百分比表示,数值可能是1%到100%之间的任意值。电机运行后的正常滑移是5%。这个值会随着转子的结构、电机的负载以及电机的结构不同而变化。
直到电机达到转子轴上负载的转矩需求,电机都有加速的趋势,也就是增加扭矩以满足负载的要求。一旦超过转矩极限,电机就会发生过载堵转,这会导致出现过电流、烟雾,电机也会变得非常热。

3.8 末端执行器

一个能够正常工作的机器人,必须能够完成取放物体、焊接、喷漆或移动物体的操作。人手是一个能做各种动作的复杂装置,因此很难把它设计成单一的机械装置。大多数工业机器人都只有一只手臂,在手臂(操作机)的末端安装工具,以使机械臂抓起或移动物体。这些工具被称为末端执行器或末端工具。这两个术语都可以在文献中找到,但是“?末端执行器?”似乎已经被接受为规范术语使用。
操作机将末端执行器移动到需要其工作的地方。末端执行器到达工作位置后,就可以以某种方式来抓持物体。如果末端执行器是由气体负压来驱动的,机器人到达程序预定位置后,就必须以某种方式关闭负压以释放物体。机器人制造商会为用户提供多种类型的末端执行器,它们通常使用真空气体负压、电磁铁或机械夹持器进行操作。
末端执行器可以分为两组:夹持器(与人手类似)和手臂末端工具。

3.8.1 夹持器

夹持器不能对夹持的物体进行操作,它们只是用来抓取物体并将其放置在其他地方(如图3-12所示)。可以使用夹持器将零件放入热炉中,并在加热后将其取出。然后,再把零件放入到一个池子中,对零件进行一段时间的热处理。接着把处理完的零件放置在运输带或托盘上,以便传送到下一站并进行下一步的操作。夹持器就像一只手,抓住一个物体并握紧它。夹持器可以用来握持住物体或移动物体。不论哪种情况,夹持器或者由制造商设计,或者由用户根据机器人特定功能需求设计。

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3.8.2 真空夹持器

手指式夹持器并不是唯一可用的夹持器,真空吸盘也可作为标准配件使用(如
图3-13所示)。根据需要被移动物体的重量,可以选用合适的真空吸盘来提升物体。真空吸盘安装在操作机的末端,真空软管连接在吸盘上。一个良好的真空系统能够产生足够的吸力来夹持平板型的物体,然后移动物体并将其放置到设定的位置。部件达到其编程设定的位置后,就必须关闭真空。控制器用来确定拾取物体的时间和拾取动作,以及释放物体的时间,并将其释放在编程设定的位置。

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3.8.3 磁性夹持器

电磁铁也可以用作末端执行器。电磁铁的设计应该保证其形状与抓取的物体相适应。在这种情况下,物体必须表面平整且具有铁磁性,这样才能保证使用磁铁能很容易地将物体拾起来(如图3-14所示)。

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3.8.4 末端工具

焊接或喷漆机器人需要使用另一种末端执行器。可以在操作机的末端安装割炬,或者可以把喷雾胶管连接到喷嘴上,以保证喷涂操作的精度。末端执行器通过法兰连接喷嘴、焊枪或割炬,使操纵变得简单且精确。
在操作机的末端通常都有安装孔,以适应不同类型的末端工具的连接(如图3-15所示)。操作机承载能力对机器人的功能而言是至关重要的。操作机的有效载荷或者承载能力根据末端工具的重量而变化。末端工具也是操作机需要拾起重量的一部分,有效载荷通常用千克表示。所以,如果一个末端工具重4千克,操作机的承重极限是10千克,那么被操作的物体重量不能超过6千克。末端工具有时候也通过安全接头连接到操作机上,一旦机器人发生故障,安全接头能够保护末端工具。
末端工具的路径由控制器确定。对焊接机器人来说,控制器是非常重要的部分。焊接时,末端工具移动的路线必须精确。焊接一般是在大型制造工厂中进行的,典型实例包括在汽车和家用电器的制造中的焊接。点焊、弧焊和气焊都是由机器人完成的,焊接工具安装在操作机的末端,如图3-15所示。

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3.9 定位

设计机器人时最重要也是最需要注意的方面之一是机器人定位操作机的能力。机器人在执行来自于控制器的任务的过程中,必须始终保持操作机的位置要求。
机器人控制器分为低技术、中等技术和高技术。这种分类代表了机器人完成任务的操作水平(图3-16)。(注意并不是机器人领域的每个人都认同这种低技术、中等技术、高技术的分类,这里使用这些术语是为本书提供思想的连续性。)

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低技术控制器
1.重新编程困难,依靠机械停止来控制它们的运动。

2.要花很长时间重新编程。

3.没有用来存储信息的内部存储器。

4.没有微处理器用来发出控制轴运动的命令信号。

中等技术控制器
1.用于两轴或四轴操作机。

2.有微处理器和内存。

3.对外围设备输入/输出信号的控制能力有限。

4.对命令的反应较慢,且一次只能支持一个轴上的运动。

5.有内存,可以重新编程。

6.可用内存通常是有限的(对于不需要重新编程的两个程序来说内存一般是充足的)。

高技术控制器
1.具有强大的记忆功能。

2.具有微处理器和协处理器。

3.对操作机进行伺服控制。

4.可以使用多达64个输入/输出信号与外围设备通信。

5.可以快速重新编程。

6.一次可以操纵多达10个轴。

7.能够实现机械臂(不限于高技术类型,可用于所有类型)的平滑操作。

8.可以在软盘、磁带及磁泡存储器上存储内存。

9.可应用于计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)系统。

10.有与传感设备的接口。

在任何机器人的操作中,操作机的运动控制都是非常重要的。选择的控制器不同,机器人的潜在应用能力也就不同。操作机接近工作设备中的编程点时各运动轴的速度非常重要。这是通过对操作机及末端执行器的电机速度控制来实现的。通过使用动态制动或反向制动,在到达编程点时使电机停止。
电机电枢断电的同时迅速接通电路内的电阻,就会发生动态制动(如图3-17所示)。当电机产生发电机效应的时候电枢就会产生电流,也就是说电枢如果继续旋转就会起到发电机的作用,且短时间内磁场仍然存在。在电枢上增加一个电阻器,使之产生相反方向的电流,因为不同磁极的相互吸引作用会使电枢停止旋转。

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使电机电源的极性反转时会发生反向制动(如图3-18所示)。极性反向会使电机即刻受到制动力的作用。但是如果这种操作过于频繁,很可能会损坏电机。这种操作必须快速完成,而且一旦电枢停止转动,反向极性就必须立刻断开。这种转换作用通常是在极性的快速反向应用使电机制动后,便使极性恢复到原始方向。

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中等技术的机器人操作机也可用步进电机驱动。步进电机向其绕组发送脉冲。根据电机的设计,这些脉冲将使电机转动一定的角度,而不是旋转整个360度,一个脉冲也可以仅旋转2度。通过施加确定的脉冲数,控制器就能够使电机步进到正确的位置。
高技术操作机一般采用直流无刷电机驱动。在有些情况下,也可以由交流电机驱动。无刷电机的主要优点是没有火花。当然,三相交流电机也不产生火花。而分相电机或单相电机在打开启动开关、电机达到一定速度后确实会产生火花。
操作机根据接收到的信号(命令)发生相应的移动。包括位置命令信号和速度命令信号。转速计将操作机的运行速度信号反馈给控制器。转速计在结构上其实就相当于一个直流永磁发电机。只不过它是由操作机的转动来驱动的,因此,当电枢在永磁场中旋转时会产生一个速度信号。转速计类似于用来驱动玩具的永磁电机,只不过转速计的精度更高一些。

3.10 重复定位精度和精度

机器人的一个最重要特点就是能够准确地不断重复同样的工作。机器人通过编程完成特定的操作任务。机器人根据指令移动到某一位置并在此完成操作任务。执行往返目标点位置的路径程序保存在存储器中。这些点的位置被保存起来,每次需要重复地到达这些位置时就重新调用。程序编写好并给出“?运行?”的命令后,机器人可能仍然无法精确地到达目标位置,可能会存在0.030英寸的偏差。如果这是机器人偏离目标点的最大误差,就可以说机器人的精度是0.030英寸。
中等技术机器人精度和重复定位精度没有低技术机器人高。这是由于中等技术机器人的轴数增加了。多个轴需要同时作用在一个目标点上,多个轴产生的误差是累积的,加起来后就会使精度较低。低技术机器人一次只能移动一个轴以达到目标位置,它们依靠硬停机来保证精度。中等技术机器人的精度在0.2到1.3毫米之间。
精度不是机器人唯一的重要参数。重复定位精度也是评价机器人定位能力的重要指标。重复定位精度是指机器人在执行程序的过程中,多次返回至同一编程点时的相对位置误差。例如,机器人在第一次执行程序时到达的位置与编程点间相差0.030英寸。在下一次执行程序的过程中,如果机器人到达的位置与之前到达的位置间相差0.010英寸,或者说与原始的编程点间总共相差0.040英寸,则机器人的精度为±0.040英寸,重复定位精度为±0.010英寸。
重复定位精度会随机器人的使用情况和时间而变化。随着使用时间的增长,机械部件逐渐磨损,就会降低整个系统的精确性。大多数情况下,精度是很容易被修正的。因此,在很多应用中,对重复定位精度的要求往往要比对精度的要求更高。

3.11 传动

机器人的传动系统主要包括齿轮、皮带和链条。每一类都有其特定的应用场合。使用这些传动装置的主要目的是传递能量。为了驱动操作机和末端工具,必须采用一些能将能量传递给它们的方法,链条、皮带和齿轮都可实现能量传递。将作动器的能量传递到机器人操作机属于比较大型的任务。作动器是指电机或其他驱动源。

3.11.1 齿轮

将能量从作动器传递到末端执行器的最常用的方法是齿轮传动。也就是说,如果作动器位于操作机的中心,则必须采用某种方法来将作动器上产生的能量传递给末端执行器。齿轮传动就是其中的一种最常用的方法。
不同齿轮的尺寸和齿数都各有不同。齿轮的设计主要是用来发挥机械的优势以及降低速度。电机的速度往往太高而不能直接应用于机器人的运动,必须要降低速度使其与机器人运行所需的速度相适应。齿轮可以用来增加或降低电机的有效速度。
可以按许多种组合配置方式购买齿轮。两个齿轮可以彼此成直角啮合,也可以一个齿轮在另一个齿轮的内部啮合。如果布置合理,通过驱动带有轮齿的齿条能够将旋转运动转变成直线运动。末端执行器使用多种齿轮机构,机器人的传动部分也是如此。此外,还有多种类型的夹持器和多指手。它们均通过不同的齿轮和连杆将动力源转换成所需要的运动和动力。

3.11.2 齿轮系

将多个齿轮布置组合在一起,就构成了齿轮系(如图3-19所示)。齿轮系可以用来改变旋转运动的方向,增加或降低输出轴的旋转速度。齿轮系可分为两类:定轴齿轮系和行星齿轮系。定轴齿轮系进一步又可分为两大类:简单齿轮系和复合齿轮系。

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3.11.3 蜗杆蜗轮传动

蜗杆蜗轮传动通常被用于驱动机器人操作机的底座(如图3-20所示)。需要进行一些复杂的设计过程来确保能够获得正确的传动速度和方向。蜗杆是一种单头螺纹或多头螺纹的螺纹杆,其轴向截面的形状与齿条的轴向截面形状相同。具有特殊形状的蜗轮齿能够保证与蜗杆的啮合。

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蜗杆蜗轮传动用于两个互相垂直的轴的旋转运动的传递。一般常用于具有转动机械臂的机器人。电机、气动马达或液压马达都可以用来驱动蜗杆蜗轮传动装置从而为操作机提供动力。

3.11.4 滚珠丝杠

在机器人中使用伺服电机和步进电机时,常常需要将旋转运动转换成直线运动,多年来,这种运动的转换一直是用一根带螺母的螺纹杆来完成的。如果在螺纹杆转动时不让螺母转动,螺母将沿螺纹杆移动。这种传动的主要缺点是摩擦和磨损。当螺纹杆被拧入螺母时,紧密连接的螺纹产生的较大摩擦浪费了电机产生的大部分动力。当螺纹杆在螺母中转动时,它们之间也会磨损。这种磨损会使精度降低,这个问题必须在将其用于机器人以及更现代的自动化系统之前加以解决。
改进型式的滚珠丝杠传动克服了这些问题(如图3-21所示)。滚珠丝杠已经存在很多年了。滚珠丝杠的凹槽与标准螺丝的凹槽相似,但滚珠丝杠的凹槽需要切割以允许凹槽内部滚珠自由滚动。目前,在一些汽车的转向机构中使用了滚珠丝杠传动装置。

3.11.5 锥齿轮

锥齿轮是用于连接具有相交轴的、形状类似的圆锥的齿轮(如图3-22所示)。准双曲面齿轮与锥齿轮在形式上很相似,但准双曲面齿轮作用于偏心轴。大多数锥齿轮可分为直齿锥齿轮和曲齿锥齿轮。曲齿锥齿轮又可分为螺旋锥齿轮、零度弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮。直齿锥齿轮是所有锥齿轮中最常用的类型。然而,这些齿轮大多都不在机器人上使用。齿轮的齿是直的,但边是锥形的,这样它们向内延伸时才能与轴线相交于共同点(节锥顶点)。

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当机器人必须要实现90度或45度的运动传递时,可将锥齿轮用于操作机。锥齿轮的齿的切面形状和大小决定了齿轮承受重载的能力。比起零切齿轮,螺旋锥齿轮能够承受更重的载荷。准双曲面齿轮和零切齿轮的齿看上去很相似,唯一的区别是,准双曲面齿轮偏离齿轮的中心接触点。这种45度和90度排列起来的齿轮装置有时被称为斜方齿轮,因为这看上去像是斜面结合。

3.11.6 调整齿轮

滚珠丝杠传动将伺服电机的旋转运动转换为直线运动。许多机器人都既需要直线运动又需要旋转运动。关节机器人的臂关节就是一个很好的例子,它们可以通过一个旋转驱动器来驱动。
大多数伺服电机不能直接连接到机器人的关节上,因为它们的动力不足以驱动机器人的手臂,把伺服电机的轴直接连接到机器人的关节的情况就更差。如果将伺服电机的电枢轴与变速器连接,并将变速器的输出与机器人的关节连接,那么就会有足够的动力来移动机器人的手臂,也就有足够的动力来移动机器人的负载。
伺服电机高速旋转,从而高速驱动变速器的输入轴。变速器中的齿轮使速度降低并增加扭矩,变速器的输出轴在低速和高扭矩下转动,这样便可驱动机器人的手臂。当齿轮的齿相互啮合时会出现磨损问题。这种磨损会随齿轮的转速提高而加重。随着齿轮变薄,对输出轴的驱动作用也越来越不均匀。机器人的手臂不再平稳地移动,导致手臂的定位变得不准确。
齿侧间隙是指两个齿轮在啮合时存在的间隙(如图3-23所示)。这意味着齿槽的总宽度要超过啮合齿的厚度。当齿轮发生磨损时,齿侧间隙就会变大。采用合适的方法让两个齿轮更加靠近,就可以消除或至少能够减小齿侧间隙。但是消除了齿侧间隙,齿轮间的摩擦力就会增大。这样不仅浪费能量,还会在传动装置中产生热量和噪声。因此,在齿轮间必须要有足够的齿侧间隙来起到润滑的作用。机械师手册中列出了能够使齿轮平稳且有效运行的恰当齿侧间隙。
新的传动装置在不断开发中,你可能会在一些最新的机器人中发现它们的身影。只要有需求,就会有回应,新产品将层出不穷。

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3.12 谐波传动

在机器人中,谐波传动的使用在于减少齿侧间隙、齿轮磨损及摩擦。谐波传动提高了机器人中运动和动力传动的质量。谐波传动装置由三个主要元件组成:刚性齿轮、波形发生器和柔性齿轮(图3-24)。

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波形发生器是一个椭圆形元件,柔性齿轮是一种柔性的杯状物体,其外径上有齿。将波形发生器装入柔性齿轮中,使其也变成一个椭圆。刚性齿轮是一种非弹性内齿轮。将波形发生器和柔性齿轮组件共同装入刚性齿轮中。
当谐波传动的波形发生器旋转时,齿轮减速。谐波传动比由刚性齿轮的齿数及刚性齿轮与柔性齿轮齿数之差控制。例如,如果刚性齿轮有400个齿,而柔性齿轮有398个齿,则比谐波传动比为400∶2或200∶1。如果刚性齿轮有100个齿,而柔性齿轮有97个,则谐波传动比为100∶3。谐波传动的传动比仅由刚性齿轮和柔性齿轮的齿数限制。
与标准传动相比,谐波传动的最大优点就是完全没有齿侧间隙,这提高了机器人的精度和效率。

3.13 皮带

当无法使用齿轮来传递从作动器到机器人的动力时,就必须使用其他方法。链条和皮带是除齿轮外最好的动力传递方法。皮带有柔性,运行没有噪声,并且能够吸收机器人在停机和启动时产生的振动和冲击。当然,皮带也确实有一些局限性,皮带柔韧且易磨损,最大的问题是打滑。尽管如此,皮带性能可以通过某种方式增强,实际上应用比较普遍。
在机器人中,可以考虑选用三种类型的皮带:V带、同步带和平带。

3.13.1 V带

V带因截面形状而得名。“V”字形的皮带易于与滑轮实现非常好的配合(如图3-25所示)。皮带由橡胶制成,橡胶内部具有贯穿整个皮带的加固线。可以使用这种皮带将电机的皮带轮和操作机底部的皮带轮相连接。

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3.13.2 同步带

同步带因其形状而得到广泛认可。同步带上具有等间距的齿与带轮的齿啮合。带轮也经过了专门的设计以与相应的同步带配合(如图3-26所示)。这也意味着同步带要比V带的成本更高。同步带上的齿与带轮上的凹槽啮合,保证了传递过程中不会发生滑动。这种类型的传动带能够为机器人操作机的手腕提供足够的抓取力。同步带常用于运动方向不断发生改变的场合。在某些汽车的发动机上也使用同步带传动。

3.13.3 平带

平带通常在小型机操作机的腕部使用,因为当承受较大载荷时,平带就会有打滑的倾向。平带由橡胶制成,用绳索贯穿整个平带内部进行加固。这使其制作成本低廉,同时能够较为理想地实现动力的传递。如果需要,可以用平带来实现中、低速的较大扭矩的传递(如图3-27所示)。

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3.14 链传动

如果需要传递不发生滑动的较大负载的动力,带传动就无法满足要求,此时就可以使用链传动。链传动非常适用于长距离的动力传递(一般其传动距离比齿轮长,比皮带短),链条不会像皮带那样拉伸或打滑。通常在机器人中使用的是滚子链,而不用珠链。

3.14.1 滚子链

滚子链的传递扭矩大且精度高。自行车所使用的链条就是这种类型的滚子链(如图3-28所示)。滚子链通常用于将动力从作动器和驱动机构传向操作机。

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3.14.2 珠链

珠链常用于关闭窗帘或开关地下室的灯。它们适用于低扭矩的应用,但不适用于机器人。珠链可用于驱动具有低扭矩要求的设备(如图3-29所示,从图中可以看出链珠与链轮窝配合的情形)。珠链的链条很容易断裂。珠子通常是由金属或塑料制成的。

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3.15 本章总结

机器人需要依靠动力系统才能正常运行。液压系统、气动系统和电力驱动系统都可以用来驱动机器人。液压系统用于负载较大的场合,气动系统用于中、低负载的场合,电力驱动系统用于较低负载的场合。液压系统需要用泵来使流体产生压力,从而实现机械臂和末端执行器的正常工作,液压泵的类型比较多。
气动系统借助空气来完成工作,使用气动马达实现操作机末端对物体的抓取。气动系统不需要使空气返回至系统,可以将空气直接排放到大气中。
电力驱动系统是指由电机提供动力的系统,电机有多种类型,但是想要实现高精度的运动和移动,直流电机是首选。可以使用永磁电机、步进电机、直流无刷电机和霍尔效应电机来驱动机器人以实现多种功能。交流电机适用于载荷较大、不需要精确运动的场合。交流电机可以分为感应电机和鼠笼式电机,两种类型的电机都有其特定的应用场合。鼠笼式电机根据其启动电流和转矩进一步可细分为六类。
末端执行器也叫作末端工具。安装在操作机的末端,并由操作机实现其位置和姿态。使用夹持器来拾取和保持正在被加工、装箱、抓取或进行堆垛的物体,类型主要有真空夹持器和磁性夹持器。许多夹持器是在机器人工作的工厂里制造的。
机器人的定位对保证机器人的正常使用非常重要。机器人必须能够将物体重复放在同一位置,且保证一定的精度。根据机器人控制器对程序的处理能力,可以分为低技术、中等技术和高技术。
动态制动和反向制动用来快速停止操作机的运动。这两种制动方式有各自的优缺点,应用于不同的场合。重复定位精度和精度是机器人系统的重要特性。重复定位精度是机器人将物体多次重复放置在同一位置的能力,而精度是机器人在给定地点放置物体的精确程度。
齿轮、链条和皮带是机器人常用的运动和动力传动装置。每一类都有其各自的特点和应用场合。齿轮传动的运动精确高但是有一定噪声;链传动与带传动比较的话,链传动有一定的局限性,但是带传动的动力传动距离更短。能够减少齿侧间隙并提高机器人操作效率的谐波传动现已开发出来并得到应用。谐波传动解决了标准传动机构无法解决的噪声问题。滚珠丝杠传动能有效地消除齿侧间隙、解决齿轮松动问题。

3.16 关键术语

精度(accuracy) 机器人在给定地点重复放置物体的精确程度。
齿侧间隙(backlash) 两个齿轮在啮合时存在的间隙。
滚珠丝杠(ball screw) 一种用滚珠轴承代替螺纹的方法(滚珠丝杠将旋转运动变为直线运动)。
无刷电机(brushless motor) 一种不使用电刷进行操作的直流电机(电子电路控制其励磁)。
谐波传动(harmonic drive) 一种无间隙、低噪声的利用刚性齿轮、柔性齿轮和波形发生器精确定位操作机的传动机构。
液压系统(hydraulics) 利用流体的压力来驱动末端执行器或操作机。
反向制动(plugging) 通过调换电机电源的极性来堵转电机的方法。
定位(positioning) 机器人将物体放置在所需位置的能力。
(pumps) 通常是一种电驱动的装置,用来增加流体的压力。
重复定位精度(repeatability) 机器人将物体反复放置在同一位置的能力。
滚子链(roller chain) 与自行车上的链条是同一种类型,用于驱动操作机和末端执行器。
步进电机(stepper motor) 一种直流电机,每次有脉冲输入时,电机轴会旋转一定的角度(通过电机中磁场的适当组合,轴从一个位置移动至下一个位置)。
同步带(synchronous belt) 一种带齿的带,齿与皮带轮上的带槽相配合,皮带不会打滑。
V带(V-belt) 一种用来驱动操作机的皮带,具有与V型皮带轮相配合的形状。
蜗杆蜗轮传动(worm gear) 一种将直线运动转变为旋转运动的方法,反之亦然。

3.17 思考题

1.列出机器人驱动系统的三种类型。

2.气动系统为什么需要过滤器?

3.安全阀是如何起作用的?

4.静态液压泵的两个分类是什么?

5.气动是什么意思?

6.列出气动系统的组成部件。

7.描述永磁电机。

8.步进电机的作用是什么?

9.直流无刷电机是如何不用电刷进行工作的?

10.在机器人中最常用的两种交流电机是什么?

11.鼠笼式电机用在什么场合?

12.列出鼠笼式电机的六种转矩特性。

13.什么是滑移?如何利用滑移?

14.真空夹持器是如何工作的?它们的局限性是什么?

15.磁性夹持器是如何工作的?它们的局限性是什么?

16.末端工具的另一个名称是什么?

17.什么是定位?

18.什么是重复定位精度?

19.机器人的精度意味着什么?

20.滚子链传动的优点是什么?

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