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電機新聞

減速機在機械手中選取運用

 

1、結構固有頻率的比較

衡量機械手結構設計好壞的指標之一,就是使機械手結構諧振頻率遠離伺服系統無阻尼自然頻率,或者說,機械手結構諧振頻率應控制在伺服系統閉環帶寬的4~5倍,這樣可使機械手運行穩定,避免機械系統產生諧振。

111實體模型和數據

(以針輪齒數30為例)和諧波減速器(與前RV減速器功率和速比相近產品為例)各自的結構基頻分別為130Hz和1616Hz.因此,在機器人上使用諧波減速器時,扭振一直是突出的問題。以下研究兩種減速器對具體關節的影響。

為便于討論和比較兩種減速器扭矩剛度對關節固有頻率的影響,僅以實際機械手大臂擺動關節為例,經適當簡化后將其作為計算模型。

大臂關節示意圖此關節是由電機軸驅動減速器,經較大減速比傳動后,再驅動大臂及負載繞關節軸線轉動。其中負載是機械手前部負載經過簡化和折算后的近似數據。

由三維實體模型及相關減速器技術資料可得到圖中各傳動件的質量等特性數據。

諧波減速器欄中數據是第一輪設計中所選減速器;大臂扭轉剛度值,是根據材料力學梁彎曲轉角公式折算得到的。

112扭振模型建立

根據以上結構圖和實體數據,可以簡化并建立扭振模型。通常把電機等轉動慣量大、扭矩剛度大、變形小的實體,用集中質量來表示并簡化;傳動部分的轉動慣量小、扭矩剛度低、變形大的實體用集中剛度。系統可以簡化為電機(集中慣量),經減速器和大臂串聯形成的綜合剛度實體(集中剛度)連接到負載(集中慣量)的兩自由度振動模型。

采用牛頓-歐拉法建立系統振動方程。

113諧振頻率計算

φi為各質量的振幅。代入式整理后可得有關φi的齊次線性方程組,有非零解的條件為系數行列式為零,整理將數據分別代入式中,可計算出針對諧波和RV減速器的兩組Ji、C的值,然后將兩組值代入式中,就可解得兩組諧振頻率值。

114討論

一般地,伺服系統的閉環帶寬和系統伺服精度、快速性之間有經驗公式。

在這兩例機械手大臂關節設計中,由于伺服電機、總減速比、誤差。最大速度等均相差無幾,因而取實際設計中的參數對伺服系統帶寬ωB進行近似估算由值可以看出,選用RV減速器使大臂關節結構諧振頻率達到帶寬的415倍左右,基本符合機械手結構諧振頻率應控制在伺服系統閉環帶寬的4~5倍的要求;選用諧波三大組件的大臂關節結構諧振頻率只達到帶寬的118倍左右。因而第二輪設計選用RV減速器更合理,能更好地避免關節扭振的發生,提高運行平穩性和安全性;提高機械臂響應速度,使機械臂更靈活。這也正是第一輪機械手調試較為困難的原因。

2、結構復雜性和加工難易程度的比較

211加工難易程度

在第一輪設計中為了有效減小體積和重量,選用諧波減速器三大組件來組成關節主減速器,同時為了增加諧波組件剛輪安裝殼體的剛度,減少變形,也為了提高結構剛度而不增加結構復雜性,諧波組件動靜鋼輪安裝殼體間采用薄壁交叉滾子軸承支撐和連接。

其相應結構簡圖。

可知,諧波組件動、靜鋼輪與柔輪同時嚙合,動、靜鋼輪齒數不同從而實現大傳動比減速輸出。所以為不影響諧波傳動的性能,動靜鋼輪安裝殼體安裝孔的同軸度有一定的公差要求,即圖中尺寸D和B的同軸度eΣ。顯然這一同軸度公差是由各相關尺寸通過裝配來保證的。

圖裝配尺寸鏈圖,eΣ由靜鋼輪安裝殼體孔B與交叉滾子軸承外環殼體定位孔A(交叉滾子軸承外環)的同軸度e1→尺寸A與交叉滾子軸承內環C同軸度e2→交叉滾子軸承內環C與其安裝殼體軸C′的尺寸誤差e4→交叉滾子軸承內環安裝殼體軸C′與動鋼輪安裝殼體孔D的同軸度e3形成。

所有以上公差如果都按經濟公差選定(部分參考選購件樣本中技術要求確定),其實際數值如表3所列。

由于尺寸數量較少且單件生產,可用極值法估算eΣ的值如下:

eΣ=±01055如果分別計入動、靜鋼輪外徑與安裝殼體孔的配合尺寸<170H7g6,則最終反映到動、靜鋼輪齒圈軸線偏差為:

01124-01041。

顯然,偏差值是很大的,非常不利于諧波傳動性能發揮。對于這種情況有兩種解決辦法,一是提高各相關件的加工精度,來保證裝配精度。但這種方法一般不采用,因為一般的工藝方法、設備不易實現,另外即使用其它設備加工出來,加工成本也是急劇上升,很不經濟。二是采用尺寸鏈中設置一調整環,具體實現是增加了一個易拆、易修的零件―――調整墊,通過裝配時測量,并修磨調整墊,來盡可能減少動、靜鋼輪齒圈軸線同軸度誤差。

即使如此,裝配工藝也復雜,難度大,技術要求高,修配工作量大,時間長。

相比較結構,由于與安裝減速器有配合要求的僅有一個尺寸,所以加工難度不大,尺寸精度易于保證,裝配工藝簡單,經濟性也很好。

212關節結構復雜程度

從圖中很容易看到,采用RV減速器的大臂關節結構十分簡單,因而結構環節少,可靠性高;而采用諧波組件的大臂關節結構相對復雜的多,牽涉的環節多,可靠性降低。

3、結論

RV減速器現已在世界范圍工業機器人領域得到較多應用。其不但具有扭矩剛度高的優點,還具有結構剛性好,可承受傾覆力矩大,輸出扭矩大,過載系數大,耐沖擊,回差小,便于安裝,維護簡單等特點。不但可以較好改善動態性能,而且可靠性更高,更安全;同時在此基礎上,也能有效減少重量,縮小體積,在本機械手中采用RV減速器同樣具有很大的優點。以兩輪設計加工機械手比較,除了本文所述優點之外,第二輪設計機械手總重量較第一輪機械手降低30多公斤。第二輪機械手現已經過模擬試驗和工業現場試驗,運行穩定,證明其關節減速器選擇完全滿足使用要求。


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