菜鸟聊机器人-工业机器人为什么要通过减速机进行驱动?

2020/7/26 16:35:33技术文章来源:百家号:智慧Robot
摘 要:...

有些对机械领域不太了解的同学可能一直有个疑问,那就是为什么不直接控制电机直接控制机器人关节运动?工业机器人的动力源一般为交流伺服电机,它由脉冲信号驱动,本身就可以实现调速,再加个减速机是不是有些多余呢?说到减速机在前面《工业机器人核心部件》一期中我们在概念上已经有了相对整体的认识,对于国内和国际上技术的发展状况和差距也有了一定的了解,今天就让我们具体聊聊减速机,探究一下这个问题的答案。

首先让我们了解一下什么是减速机,来自于维基百科的定义:

减速机是原动机和工作机之间独立的闭式传动装置,用来降低转速和增大转矩以满足各种工作机械的需要。

为什么要降低转数?为什么要增大转矩呢?我们以一个齿轮的运动为例来分析一下。

首先看一下齿轮的功率是如何计算的:

为了便于理解您可以把齿轮简化成杠杆,把齿轮的接触点作为杠杆的力臂尽头,把齿轮的圆心作为杠杆原点。

有了这个前提我们将公式分解一下,作用方向的距离和时间的比值等于齿轮的周长和转速的乘积,周长又等于半径乘2Π,而作用力乘上半径又等于扭矩,于是得到如下公式:

可以看出在功率相同的情况下,转速与扭矩成反比,所以减速机减慢了转速,自然也就增大了扭矩。

好了,有了以上的理论基础下面我们就来尝试回答一下前面的问题,要回答这个问题,首先要明确工业机器人的实际工况和需求:

1、工业机器人的关节需要撑住后端机构由于重力产生的扭矩。

2、工业机器人关节转速不高。机器人关节角速度很低,可电机在极低的速度下转动是不平稳的,控制不易,需要一个机械让电机在较合理的转速下运动,保证运动的平顺。

3、 为保证工业机器人在生产中能够可靠地完成工序任务,并确保工艺质量,对工业机器人的定位精度和重复定位精度要求很高。

为了解决以上问题需要在提升扭矩、保证电机转速和控制分辨率和闭环精度三方面找到有效的解决办法,而减速机就能轻松解决这些问题。

提扭矩一个50:1的谐波减速机就能轻松将一个额定100mNm的电机的额定扭矩提升到5Nm,而如果是直驱的5Nm电机就需要更大的体积来保证其输出功率,想做的更小就要增加电机的电流,这样又会造成电机的严重发热,降低了电机的使用寿命和可靠性,而维持相同扭矩增加减速机的电机发热量只是原来的1/2500。

保证电机的转速本来工业机器人的关节转速就不高,一般都是每秒一两转,额定100mNm的电机轻松跑6k转/min。要是嫌转的不够快?解决办法就是电压,但这要考虑的是轴承和转子是否撑得住。

控制分辨率和闭环精度分辨率高的好处是转速控制可以更精确,由于量化造成的阶跃产生的高频分量变得很小,控制更加平滑。转子等效的转动惯量提高到了2500倍,使得控制环路的滞后环节受转子惯量占主导,而转子由于直接受电磁力的驱动从而没有由于刚度造成的扭矩滞后,比直驱要好控。

所以如果工业机器人使用伺服电机直接驱动,在低频运转下容易发热和出现低频振动,对于长时间和周期性工作的工业机器人这都不利于确保其精确、可靠地运行。而减速机能够使伺服电机在一个合适的速度下运转,并精确地将转速降到工业机器人各部位需要的速度,提高机械体刚性的同时输出更大的力矩。与通用减速机相比,机器人关节减速电机要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。大量应用在关节型机器人上的减速机主要有两类:rv减速机和谐波减速机。相比于谐波减速机,RV减速机具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型工业机器人中,一般将RV减速机放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置;而将谐波减速机放置在小臂、腕部或手部;行星减速机一般用在直角坐标工业机器人上。

经过前面的分析问题的答案是不是很明确了呢,如果您还没搞明白,看过下图您一定会明白为什么必须由减速机进行传动的输出了。

当然高价格的因素很多,大家都知道有一部分原因是来自市场的垄断,但归根到底还是因为减速机的技术门槛非常之高,它对材料科学,精密加工装备,加工精度,装配技术,高精度检测技术都提出了极高的要求。所以造出一个好的减速机真不是件容易的事,好了,本期的内容就到这吧,如果您觉得有所收获,分享给更多的朋友,我们下期见。

本站声明:本站转载作品均尽可能注明作者与出处,版权归原作者所有,作品所有人的一切权利均不因本站而转移,部分文章无法确认真正的原始作者的,仅标注来源。本文内容为原作者观点,并不代表本站号赞同其观点和对其真实性负责。 作者如不同意转载,既请通知本站siliewind@qq.com予以删除或改正。转载的作品可能在标题或内容上或许有所改动。

文章推荐