03 模块3 工业机器人的机械系统

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

二、机械系统的组成及功能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

一、齿轮传动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

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

二、同步带传动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L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

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

三、丝杠与导轨传动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

2.内循环式

3.端盖式循环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―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）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

四、丝杠与滚珠花键传动（-）滚珠花键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常用的滚珠花键结构有很多种，常见的一些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

（二）丝杠与滚珠花键的应用四轴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单元3工业机器人常用减速机

一、行星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/Rl,且Rl+（2xR2）=R3o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

二、RV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RV减速机与谐波减速机相比，具有更高的疲劳强度、刚度和寿命，而且回程精度稳定，故越来越多的高精度机器人采用RV减速机

三、谐波减速机谐波减速机主要由内齿刚轮、外齿柔轮、波发生器组成工作时，波发生器由驱动设备（电机等）提供动力，转动过程中促使柔轮发生形变，柔轮的外齿与刚轮的内齿依次啮合，驱动刚轮转动，且刚轮齿数大于柔轮齿数，以此达到减速的目的波发生器为输入轴，刚轮为输出轴谐波减速机的内齿刚轮有30个齿，外齿柔轮有28个齿初始位置时，柔轮的齿a和刚轮的齿A为完全啮合点，即椭圆形波发生器的长径水平（长径端点均是完全啮合位置）波发生器逆时针转动后，柔轮产生形变，柔轮和刚轮的完全啮合位置也随之转动当波发生器转动36（）时，完全啮合位置又回到初始位置，在此过程中，柔轮的每一对齿都发生过一次完全啮合，即28次相应地，刚轮也发生过28次完全啮合由于刚轮有30个齿，也就意味着此时刚轮的齿M与柔轮齿a完全啮合，由此可得出谐波减速机的减速比为15lo即减速比=刚轮齿数（刚轮齿数-柔轮齿数）。