工业机器人技术第4章.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,基本概念：,机器人结构简单，配套部件种类单一；,关键部件,：,谐波减速器（,哈默纳科,）、,RV,减速器（,纳博特斯克,），占机械成本,7080%,。,其他专业厂生产的功能部件：,CRB,轴承；,同步带、滚珠丝杠、直线导轨,（通用，数控课程介绍）,。,一、,CRB,轴承,要点,交叉滚子轴承（,C,ross,R,oller,B,earing,）的简称；,能同时承受双向轴向、径向载荷，刚性好；,体积小、精度高、安装简单、调整方便；,缺点：允许转速低；,适合机器人高刚性、低转速要求。,性能比较,深沟,角接触,球轴承（,ball bearing,）,转速最高、使用最广；,有深沟、角接触两种结构；,深沟：,普通应用，只能承受径向力；,角接触：,可承受径向力、单向轴向力；双向载荷需要,2,个以上组合使用（数控机床大量使用）。,滚针轴承（,needle bearing,）,刚性好、外径小、转速低；,有圆柱、圆锥两种结构；,圆柱：,普通应用，只能承受径向力；,圆锥：,可承受径向力、单向轴向力；双向载荷需要,2,个以上组合使用。,圆柱,圆锥,CRB,相当于,2,个圆锥滚针轴承的组合，可同时承受径向力和双向轴向力。,内圈分割,外圈分割,有内圈分割、外圈分割两种结构。,分割：,用于滚子的间隙调整（称为：,轴承预载,）。,CRB,安装,安装方式：,压圈固定，或：压圈,+,螺钉固定。,调整压圈,固定压圈,固定螺钉,调整压圈,调整压圈,固定螺钉,CRB,精度等级,ISO,：,0 6 5 4 2,DIN,：,P0 P6 P5 P4 P2,JIS,：,0 6 5 4 2,ANSI,：,1 3 5 7 9,GB,（新）,：,0 6 5 4 2,GB,（旧）：,G E D C B,精度,高,低,P72,、表,4.1-2,练一练：,自学,4.1.3,节，完成,P109,，练习一（,1,）,（,6,）；,练习二,（,1,）、（,2,）,二、谐波减速器,1.,基本概念,要点,美国,C.W.Musser,（马瑟）,1955,年发明；,日本,Harmonic Drive System,（哈默纳科）是全球最早、最大、最著名，,几乎唯一,的生产企业；国内已有,产品,，但性能,差距十分大,。,全称谐波齿轮传动装置（,Harmonic gear drive,）；,谐波齿轮传动装置可用于减速，也可用于升速；,在机器人上，总是用于减速，故称谐波减速器；,是目前减速比最大（可达,320,）的减速器。,概念辨析：速比、传动比、减速比,概念辨析（,非常重要,！,）,速比,国外（如日本）常用术语,速比,=,输出转速,/,输入转速,减速器,的“速比”总是,小于,1,。,传动比,国内常用术语,传动比,=,输入转速,/,输出转速,减速器,的“传动比”总是,大于,1,。,减速比,国内、外通用术语,减速比,=,输入转速,/,输出转速,减速器,的“减速比”总是,大于,1,。,2.,结构与,原理,基本结构,非常简单，,只要,刚轮、柔轮、谐波发生器,3,个部件,。,谐波发生器,柔轮,刚轮,刚轮,（,Circular Spline,）,有连接孔的,刚性内齿圈,；,齿数比柔轮略多（一般多,2,或,4,个）；,有时直接加工在,CRB,轴承上（单元型减速器）。,柔轮,（,Flex Spline,）,薄壁金属,弹性外齿圈,，减速器,关键部件,；,齿形与刚轮相同，齿数比刚轮少,2,或,4,个）；,柔轮可以制成类似水杯（,Cup,）、礼帽（,Silk Hat,）、薄饼（,Pancake,）等形状。,谐波发生器,（,Wave Generator,）,内芯,为椭圆凸轮，,外圈,为弹性薄壁滚珠轴承；,凸轮与输入轴可采用,柔性联轴器、刚性法兰,连接。,变速原理,观看视频；参见,P76,、图,4.2-2,。,谐波发生器回转,柔轮一齿、一齿与刚轮啮合,由于柔轮、刚轮只能一齿一齿啮合，如柔轮齿数少于刚轮，回转一圈后，,柔轮基准齿将偏移刚轮基准齿一个齿差,（,2,或,4,齿）。,结论：,可将谐波发生器（输入）的,360,回转变成柔轮（输出）一个齿差的偏转，输出,/,输入速比为：,i,=,（,Z,c,Z,f,）,/Z,f,Z,c,：,刚轮齿数；,Z,f,：,柔轮齿数,定义,:,基本减速比,R=1/i,=,Z,f,/,（,Z,c,Z,f,）,以符号,“,-,”,表示输出与输入,转向相反,。,典型应用：,速比,i=-1/R,减速比：,-R,速比,i=1/,（,R+,1,）,减速比：,R+1,谐波发生器输入,谐波发生器输入,刚轮固定,刚轮输出,柔轮输出,柔轮固定,主要特点,承载能力强、传动精度高。,基本概念,：,同时啮合的齿数越多，承载能力越强、传动精度越高。,普通齿轮：,同时啮合齿,12,对（,27%,），传动精度,61510,-4,rad,；,谐波减速器：,同时啮合齿数十对（,30%,），传动精度,1.5410,-4,rad,。,数控机床回转轴精度：,210,-5,rad,。,非常重要,！,1,arc min,=1,/60=,2.9110,-4,rad,1,arc sec,=1/3600=4.8510,-6,rad,传动比大，但传动效率较低。,基本概念,：,普通齿轮：,传动比,810,，传动效率,9098%,；,谐波减速器：,传动比,30320,，传动效率,4090%,；,重要！,提高减速比、工作温度和输出转矩，可提高效率。,结构简单，体积小、重量轻、使用寿命长。,只有,3,个零件，寿命,700010000h,（哈默纳科）,传动平稳，无冲击、噪声小，安装调整方便。,对材料（特别柔轮）要求极高。,国产谐波减速器还远远达不到,7000h,。,3.,可选结构,柔轮形状、输入连接方式,可选。,柔轮,形状,水杯形,（,Cup type,）,礼帽形,（,Silk Hat type,）,薄饼形,（,Pancake type,）,水杯形,（,Cup type,）,外径小、刚性好；,不能为“中空”结构，对连接面要求较高。,礼帽形（,Silk Hat type,）,端面敞开、安装方便，对连接面要求较低；可采用“中空”结构；,外径大、刚性较差。,薄饼形,（,Pancake type,）,超薄型减速器特殊结构，可大大减少轴向尺寸；,不能直接固定或连接负载，必须使用第,2,刚轮；,承载能力强，安装要求特殊，连续工作要求油润滑（,脂润滑：,减速器平均输入转速、负载率,ED%10%,、运行时间,10min,）。,输入连接方式,可选,柔性轴孔（带联轴器）、刚性轴孔、刚性法兰。,柔性轴孔,刚性轴孔,刚性法兰,凸轮,轴承,轴套,联轴器,轴承,凸轮,柔性轴孔,（,标准结构,）,输入轴与轴套孔采用平键连接、轴套与凸轮通过奥尔德姆联轴器（,Oldmans,Coupling,）连接；,具有偏心自动调整功能，对输入轴和减速器的同轴度要求低；,联轴器存在间隙，不能为“中空”结构。,奥尔德姆联轴器（十字滑块联轴器）原理,输入,十字滑块,输出,刚性轴孔,连接轴孔直接加工在凸轮体上，输入轴与凸轮采用平键连接；,不能为“中空”结构；,刚性、无间隙连接，不具备自动调心功能。,刚性法兰,连接面、孔直接加工在凸轮体上，输入轴与凸轮用法兰（内孔、端面定位）连接、螺钉固定；,输入轴可为“中空”结构；,刚性、无间隙连接，不具备自动调心功能。,4.,产品型式,部件型,（,Component type,）,只提供刚轮、柔轮、谐波发生器,3,个部件；,规格全、价格低、使用灵活；,减速器需用户现场安装，装配要求高；,支承柔轮的输出轴承需用户设计、安装；,需用户充填润滑脂、维护工作量大；,柔轮形状、输入连接方式可选。,常用产品,：,标准水杯形、标准礼帽形、标准博饼形。,标准水杯形（,P82,、图,4.2-7,）,标准结构；柔轮为水杯形，输入为柔性轴孔连接。,刚轮,凸轮,轴套,柔轮,输入轴,平键,标准礼帽形,（,P83,、图,4.2-8,）,标准结构；柔轮为礼帽形，输入为柔性轴孔连接。,刚轮,凸轮,轴套,柔轮,输入轴,平键,标准薄饼形,（,P83,、图,4.2-9,）,标准结构；柔轮为薄壁外齿圈、通过,1:1,传动的刚轮,S,连接负载（或固定）；输入为刚性轴孔连接。,刚轮,S,凸轮,柔轮,输入轴,平键,刚轮,D,单元型,（,Unit type,）,减速器、,CRB,轴承、壳体统一设计，可整体安装；,刚轮、柔轮间有,CRB,轴承；可直接连接负载；,带有密封壳体，工作可靠性高；,无需用户现场组装，使用简单、方便；,无需用户充填润滑脂，维护工作量小；,输入连接可选择标准轴孔、中空轴、标准轴。,变形产品,：简易单元型（,Simple unit type,）,单元型的简化结构，有,CRB,轴承，但无壳体；,性能、价格介于部件型、单元型之间；,减速器无需用户现场组装，但润滑脂需用户充填；,柔轮均为礼帽形，输入连接可为标准轴孔、中空轴。,标准单元型,（,P86,、图,4.2-16,）,水杯形柔轮、柔性轴孔输入，刚轮与壳体一体。,刚轮,凸轮,CRB,柔轮,连接板,中空轴单元型,（,P87,、图,4.2-17,）,礼帽形柔轮，输入轴中空、用前后端盖支承、密封。,刚轮,中空轴,&,凸轮,CRB,柔轮,端盖,端盖,轴输入单元型,（,P87,、图,4.2-18,）,礼帽形柔轮、标准轴输入，有前后端盖支承、密封。,刚轮,输入轴,CRB,柔轮,端盖,端盖,凸轮,简易标准单元,（,P89,、图,4.2-20,）,礼帽形柔轮、标准轴孔输入，无前后支承、密封端盖。,刚轮,CRB,柔轮,凸轮,简易中空单元,（,P90,、图,4.2-21,）,礼帽形柔轮、标准轴孔输入，无前后支承、密封端盖。,刚轮,中空轴,&,凸轮,CRB,柔轮,其他产品,齿轮箱型（,Gear head type,）,可直接安装电机、直接驱动负载（,P91,图,）。,回转执行器（,Rotary Actuator,）,电机、减速器集成一体，典型机电一体化。,P81,、图,4.2-5,练一练：,完成,P109110,，,练习一（,7,）,（,14,）,三、,RV,减速器,1.,基本概念,要点,旋转矢量（,Rotary Vector,）减速器的简称；,日本,Nabtesco,Corporation,（纳博特斯克）,1985,年研发；,减速原理,=,摆线针轮减速,+,行星齿轮减速；,纳博特斯克,是全球最早、最大、最著名，,几乎唯一,的,RV,减速器生产企业；国内有,山寨产品,，但性能,差距十分大,；,实际也可用于升速；在机器人上，总是用于减速，故称,RV,减速器,。,2.,结构与,原理,基本结构,复杂，包括行星齿轮、曲轴、摆线针轮,3,大部分。,输入太阳轮行星齿轮,2.,行星齿轮,曲轴,RV,齿轮,3.,RV,齿轮,针齿销,针轮,传动路线,太阳轮,（输入轴）带动,行星齿轮（,2,或,3,个）,旋转；,第一级、,正齿轮减速；,行星齿轮,带动,曲轴,（,2,或,3,根）旋转；,旋转,曲轴,带动,RV,齿轮,（,2,片）摆动；,RV,齿轮,通过,针齿销,推动,针轮,偏转；,简单,RV,减速器有时直接将,RV,齿轮、针轮做成齿轮，省略针齿销。,RV,齿轮和针轮存在,齿差,（一般为,1,）,，,RV,齿轮旋转一周，只能推动针轮偏转一个齿差。,第二级、,差动齿轮变速。,变速原理,观看原理视频,曲轴回转,RV,齿轮和,针轮啮合位置（最高点）,一齿、,一齿顺时针移动,针齿销推动针轮缓慢偏转,差动齿轮变速原理,曲轴回转,360,，针轮偏移,1,个齿差,结论：,可将曲轴（行星齿轮）的,360,回转变成针轮（输出）一个齿差的偏转。,第一级（,正齿轮减速,）输出,/,输入速比,i,1,=,Z,1,/Z,2,Z,1,：,太阳轮齿数；,Z,2,：,行星齿轮齿数,第二级（,差动齿轮变速，针轮输出时,）,i,2,=,（,Z,4,Z,3,）,/Z,4,Z,4,：,针轮齿数（针齿销数）；,Z,3,：,RV,齿轮齿数,如齿差为,1,，则,（,Z,4,Z,3,）,=,1,i,2,=,（,Z,4,Z,3,）,/Z,4,=,1/,Z,4,总变速比（,针轮输出,/,太阳轮输入，齿差为,1,）,i,=,（,Z,1,/Z,2,）,（,1/Z,4,）,=Z,1,/,(,Z,2,Z,4,),变速比,定义,:,基本减速比,R,=,1,+,(,Z,2,Z,4,),/Z,1,以符号,“,-,”,表示输出与输入,转向相反,。,典型应用：,速比,i=,-,1,/,(,R,1),减速比：,-,（,R,1,）,太阳轮输入,针轮输出,RV,齿轮固定,针轮固定,RV,齿轮输出,太阳轮输入,速比,i=,1,/,R,减速比：,R,主要特点（,相比,谐波减速器,）,减速比较大、结构刚性更好。,原因,：齿差小,（通常为,1,）、,2,级减速,（减速比相乘，,R=,30260,）；,针齿销,直径较大、刚性高（谐波齿轮减速器柔轮为薄壁、小齿）。,传动间隙较大、传动精度较低。,原因,：,2,级齿轮传动,+,曲轴摆动，必然存在间隙；降低传动精度。,结构复杂，安装、调试、维修不及谐波减速器方便。,原因,：,零件多、不能分离安装。,结论：,谐波减速器：,适合,手腕,（小体积、高精度）,；,RV,减速器：,适合,机身,（高刚性、大转矩）,。,3.,产品型式,有,基本型、单元型,（分标准型、紧凑型、中空型）、,齿轮箱型,（分高速型、标准型、基座型）,3,大类。,基本型,（,Original type,）,P94,、图,4.3-1,P99,、图,4.3-4,；,由外向内（径向）可分,针轮层、,RV,齿轮层、芯轴层,3,层，每一层均可旋转。,针轮层,RV,齿轮层,芯轴层,针轮层,由,针轮,和,针齿销,组成；,针轮,是加工有法兰和安装孔的,内齿圈,；,针齿销,用来代替齿轮直接啮合，,减小摩擦阻力,。,RV,齿轮层,（最复杂）,包括,RV,齿轮、端盖、输出法兰、曲轴组件,等；,RV,齿轮、端盖、输出法兰均为中空结构，中间用来安装芯轴；,端盖和输出法兰用来安装曲轴支承轴承，两者通过法兰上的脚状支架（,23,个）连为一体；,脚状支架所空出的空间用来安装曲轴；,RV,齿轮套在脚状支架外圆上，可偏摆、不能回转；,曲轴组数量与减速器规格（输出转矩大小）有关，小规格,2,组，中、大规格为,3,组。,芯轴层,包括,芯轴,和,太阳轮,，安装在减速器中心；,中空型减速器的芯轴为空心轴；,同规格减速器的,减速比,，通过,正齿轮速比,改变；,减速比大,、太阳直径小，,芯轴、太阳轮一体；,太阳轮齿轮直接加工在芯轴上；,减速比小,、太阳直径大，,芯轴、太阳轮分离；,太阳轮套在芯轴上。芯轴为花键轴，太阳轮的外圈为齿轮、内圈为花键。,单元型,标准单元型,P99,、图,4.3-5,采用标准单元型结构，减速器端盖、输出法兰和针轮间，有,1,对（,2,只）高刚性、角接触球轴承（,和基本型的区别,）；,减速器可直接安装、并连接负载，使用更方便。,输出轴承,紧凑单元型,P100,、图,4.3-6,减速器端盖、输出法兰和针轮间，同样有,1,对（,2,只）高刚性、角接触球轴承；,芯轴（太阳轮）安装在输出法兰侧、不穿越减速器；减速器外径小、结构紧凑；,减速器可直接安装、并连接负载。,中空单元型,P100,、图,4.3-7,端盖、,RV,齿轮、输出法兰结构同标准单元型，但中空直径更大；,太阳轮为中空双联齿轮，安装在输出法兰侧；,减速器中空区域，可以安装电缆、管线。,齿轮箱型,高速型,（,P101,、图,4.3-8,）,可直接安装电机、使减速器电机一体化；,输出可以为轴或法兰；,减速比小、输出转速高。,轴输出,法兰输出,标准型,（,P102,、图,4.3-9,图,4.3-11,）,带有芯轴及其连接、支承部件，减速器可为中空；,输入轴方向可选择与减速器同轴（平行）、垂直,2,种；,输入可选择联轴器、标准轴,2,种连接形式。,同轴（平行）,垂直（正交）,联轴器输入,标准轴输入,联轴器输入,基座型,（,P103,、图,4.3-12,）,又称,扁平型，,带有芯轴及其连接、支承部件；,输入轴方向与减速器垂直，减速器本体为中空；,用于大型、重载减速，基座设计有地脚螺钉孔，可直接在地面、墙面安装，直接作为机器人基座使用。,练一练：,完成,P110,，练习一（,15,）,（,19,）,