教案-工业机器人基础第5章01

第五章机器人驱动系统

5.1机器人驱动系统概述

【内容提要】

本课主要学习机器人驱动系统的主要几个指标:驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构。

知识要点：

✓机器人的驱动方式

✓机器人的驱动元件

✓机器人的传动机构

✓机器人的制动机构

重点：

✓机器人的驱动方式

✓机器人的驱动元件

难点：

✓机器人的传动机构

关键字：

✓驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构

【本课内容】

【内容提要】

本章主要介绍机器人的驱动系统。内容包括机器人的直接与间接驱动方式，液压、气压、电动驱动元件与特点，驱动机构与传动机构，制动器；液压系统组成与工作原理，液压系统的主要设各；气压系统组咸与王作原理，气压系统的主要设备；直流电动机与直流伺服电动机的结构原理与参数，交流电动机与交流伺服电动机的结构原理与参数，步进电动机的结构原理与参数，直线步进电动机简介。

学习完本章的内容后，学生应能够；了解机器人的驱动方式，掌握不同类型机器人驱动元件的性能与特点，熟悉驱动机构、传动机构及其传动方式的图例与特点，了解制动器的基本功能；能够熟练地分析实际机器人的驱动机构、驱动方式与制动原理，能够绘制出传动原理图。掌握机器人的液压驱动系统的组成，熟悉液压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析液压驱动系统的流程，能够找出液压驱动系统的故障环节。掌握机器人的气压驱动系统的组成，熟悉气压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析气压驱动系统的流程，能够找出气压驱动系统的故障环节。了解伺服系统与伺服电动机的要点，掌握直流电动机与直流伺服电动机的结构原理与参数，掌握交流电动机与交流伺服电动机的结构原理与参数，掌握步进电动机的结构原理与参数；能够分析电动机驱动系统的工作特性，能够找出电动机驱动系统的控制要点。

5.1机器人驱动系统概述

机器人是运动的，各个部位都需要能源和动力，因此设计和选择良好的驱动系统是非常重要的.本节主要介绍机器人驱动系统的主要几个指标；驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构。

早期的工业机器人都用液压、气压方式来进行伺服驱动.随着大功率交流伺服驱动技术的发展，目前大部分被电气驱动方式所代替，只有在少数要求超大输出功率、防爆、低运动精度的场合才考虑使用液压和气压驱动。电气驱动无环境污染，响应快，精度高，成本低，控制方便。驱动系统的性能如下：

1．刚度和柔性

刚度是材料对抗变形的阻抗，他可以是梁在负载作用下抗弯曲的刚度，或汽缸中气体在负载作用下抗压缩的阻抗，甚至是瓶中的酒在木塞作用下抗压缩的阻抗。系统的刚度越大，则使它变形所须的负载也越大。相反，系统柔性越大，则在负载作用下就越容易变形。

2. 重量、功率-重量比和工作压强

驱动系统的重量以及功率-重量比至关重要，例如电子系统的功率-重量比属中等水平。在同样功率情况下，步进机通常比伺服电机要重，因此它具有较低的功率-重量比。电机的电压越高，功率-重量比越高。气动功率-重量比最低，而液压系统具有最高的功率-重量比。

5.1.1驱动方式

机器人的驱动方式主要分为直接驱动和间接驱动两种无论何种方式，都是对机器人关节的驱动。

1.关节与关节驱动

机器人中连接运动部分的机构称为关节。关节有转动型和移动型，分别称为转动关节移动关节。

(1)转动关节

转动关节就是在机器人中简称为关节的连接部分，它既连接各机构，又传递各机构间的回转运动(或摆动)，用于基座与臂部、臂部之间、臂部和手部等连接部位.关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。

关节与驱动机构的连接方式有多种，因此转动关节也有多种形式，如图5.1所示。

a)驱动机构和回转轴同轴轴式 b)驱动机构和同转轴正交式

c）外部驱动机构驱动臂部的形式 d）驱动电机安装在关节内部

图5-1 转动关节的形式

1)驱动机构和回转轴同轴式.这种形式的驱动机构直接驱动回转轴，有较高的定位精

度。但是，为减轻重量，要选择小型减速器并增加臂部的刚性，它适用于水平多关节型机器人.

2)驱动机构与回转轴正交式。重量大的减速机构穿放在基座上，通过臂部的齿轮、链

条传递运动.这种形式适用于要求臂部结构紧凑的场合。

3)外部驱动机构驱动臂部的形式，这种形式适合于传递大转矩的田转运动，采用的传动机构有滚珠丝杠、液压缸和气缸。

4)驱动电动机安装在关节内部的形式.这种形式称为直接驱动形式。

机器人中轴承起着相当重要的作用，用于转动关节的轴承有多种形式，球轴承是机器人

结构中最常用的轴承，球轴承能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。图5-2a为普通向心球轴承；图49b为向心推力球轴承。这两种轴承的每个球和滚道之间只有两点接触(一点与内滚道，另一点与外滚道)。为实现预载，此种轴承必须成对使用。图5-2c为四点接触球轴承。该轴承的滚道是尖拱式半圆，球与每个滚道两点接触，该轴承通过两内滚道之间适当的过盈量实现预紧，因此，此种轴承的优点是无间隙，能承受双向轴向载荷，尺寸小，承载能力和刚度比同样大小的一般球轴承高15倍；缺点是价格较高。

a)普通向心球轴承 b）向心力球轴承 c）四点接触球轴承

图5-2 耐磨球轴承

（2）移动关节

移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直线导向作用的直线导轨部分组成。导轨部分分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨和磁性悬浮导轨等形式。

一般要求机器人导轨间隙小或能消除间隙；在垂直手运动方向上要求刚度高，摩擦系数小且不随速度变化，并且有高阻尼、小尺寸和小惯量.通常，由于机器人在速度和精度方面的要求很高，故一般采用结构紧凑且价格低廉的滚动导轨，滚动导轨的分类如下：

1)按滚动体分类――球、圆柱滚子和滚针。

2)按轨道分类――圆轴式、平面式和滚道式。

3)按滚动体是否循环分类――循环式、非循环式。

这些滚动导轨各有特点，装有滚珠的滚动导轨适用于中小载荷利小摩擦的场合；装有滚