3.2　关键零部件结构

从机械设计及使用、维修方面考虑,工业机器人的基座、手臂体、手腕体等部件,只是用来支承、连接机械传动部件的普通结构件,它们仅对机器人的外形、结构刚性等有一定的影响。但是,这些零件的结构简单、刚性好、加工制造容易,且在机器人正常使用过程中不存在运动和磨损,部件损坏的可能性较小,故很少需要进行维护和修理。

在工业机器人的机械部件中,变位器、减速器(RV减速器、谐波减速器)、CRB轴承、以及同步带、滚珠丝杠、直线导轨等传动部件是直接决定机器人运动速度、定位精度、承载能力等关键技术指标的核心部件;这些部件的结构复杂、加工制造难度大,加上部件存在运动和磨损,因此,它们是工业机器人机械维护、修理的主要对象。

变位器、减速器、CRB轴承、同步带、滚珠丝杠、直线导轨的制造,需要有特殊的工艺和加工、检测设备,它们一般由专业生产厂家生产,机器人生产厂家和用户只需要根据要求,选购标准产品;如果使用过程中出现损坏,就需要对其进行整体更换,并重新进行安装及调整。

鉴于同步带、滚珠丝杠、直线导轨等直线传动部件通常只用于变位器或特殊结构的工业机器人,且属于机电一体化设备,特别是数控机床的通用部件,相关书籍对此都有详细的介绍,本书不再对此进行专门介绍。工业机器人用变位器、减速器、CRB轴承的主要结构与功能介绍如下。

3.2.1　变位器

从生产制造的角度看工业机器人系统配套的变位器有通用型和专用型两类。专用型变位器一般由机器人用户根据实际使用要求专门设计、制造,其结构各异、种类较多,难以尽述。通用型变位器通常由机器人生产厂家作为附件生产,用户可直接选用。

不同生产厂家生产的通用型变位器结构类似,主要分回转变位器和直线变位器两大类;每类产品又可分单轴、双轴、三轴多种。由于工业机器人对定位精度的要求低于数控机床等高精度加工设备,因此,在结构上与数控机床的直线轴、回转轴有所区别,简介如下。

(1)回转变位器

通用型回转变位器类似于数控机床的回转工作台,变位器有单轴、双轴、三轴及复合型等结构。

单轴回转变位器有立式与卧式两种,回转轴线垂直于水平面、台面可进行水平回转的变位器称为立式;回转轴线平行水平面、台面可进行垂直偏摆(或回转)的变位器称为卧式。立式单轴变位器又称C型变位器;卧式单轴变位器则常与尾架、框架设计成一体,并称之为L型变位器,见图3.2.1。配置单轴变位器后,机器人系统可以增加1个自由度。

双轴变位器一般采用图3.2.2所示的台面360°水平回转与垂直摆动(翻转)的立卧复合结构,变位器的回转轴、翻转轴及框架设计成一体,称之为A型结构。配置双轴变位器后,机器人系统可以增加2个自由度。

三轴回转变位器有图3.2.3所示的K型和R型两种常见结构。K型变位器由1个卧式主回转轴、2个卧式副回转轴及框架组成,卧式副回转轴通常采用L型结构。R型变位器由1个立式主回转轴、2个卧式副回转轴及框架组成,卧式副回转轴同样通常采用L型结构。K型、R型变位器可用于回转类工件的多方位焊接及工件的自动交换。

复合型回转变位器是具有工件变位与工件交换功能的变位器,它主要有图3.2.4所示的B型和D型两种常见结构。B型变位器由1个立式主回转轴(C型变位器)、2个A型变位器及框架等部件组成;立式主回转轴通常用于工件的180°回转交换,A型变位器用于工件的变位,因此,它实际上是一种带有工件自动交换功能的A型变位器。D型变位器由1个立式主回转轴(C型变位器)、2个L型变位器及框架等部件组成;立式主回转轴通常用于工件的180°回转交换,L型变位器用于工件变位,因此,它实际上是一种带有工件自动交换功能的L型变位器。

工业机器人对位置精度要求较低,通常只需要达到弧分级(arc min,1'≈2.9×10-4rad),远低于数控机床等高速、高精度加工设备的弧秒级(arc sec,1″≈4.85×10-6rad)要求;但对回转速度的要求较高。为了简化结构,工业机器人的回转变位器通常采用图3.2.5所示的RV减速器直接驱动结构,以代替精密蜗轮蜗杆减速装置。

(2)直线变位器

通用型直线变位器用于工件或机器人的直线移动,有图3.2.6所示的单轴、三轴等基本结构型式。

直线变位器类似于数控机床的移动工作台,但其运动速度快(通常为120m/min),而精度要求较低;直线滚动导轨的使用简单、安装方便,它是工业机器人直线运动部件常用的导向部件。小规格、短距离(1m以内)运动的直线变位器较多采用图3.2.7所示的大导程滚珠丝杠驱动结构,电机和滚珠丝杠间有时安装有减速器、同步带等传动部件。大规格、长距离运动的直线变位器,则多采用图3.2.8所示的齿轮齿条驱动。

3.2.2　减速器与CRB轴承

(1)减速器

减速器是工业机器人本体及变位器等回转运动都必须使用的关键部件。基本上,减速器的输出转速、传动精度、输出转矩和刚性,实际上就决定了工业机器人对应运动轴的运动速度、定位精度、承载能力。因此,工业机器人对减速器的要求很高,传统的普通齿轮减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器等都不能满足工业机器人高精度、大比例减速的要求;为此,它需要使用专门的减速器。

目前,工业机器人常用的减速器有图3.2.9所示的谐波减速器和RV减速器2大类。

① 谐波减速器　谐波减速器(harmonic speed reducer)是谐波齿轮传动装置(harmonic gear drive)的简称,这种减速器的传动精度高、结构简单、使用方便,但其结构刚性不及RV减速器,故多用于机器人的手腕驱动。

日本Harmonic Drive System(哈默纳科)是全球最早研发生产谐波减速器的企业,同时也是目前全球最大、最著名的谐波减速器生产企业,其产量占全世界总量的15%左右,世界著名的工业机器人几乎都使用Harmonic Drive System生产的谐波减速器。本书第4章将对其产品的结构原理以及性能特点、安装维护要求进行全面介绍。

② RV减速器　RV减速器(rotary vector speed reducer)是由行星齿轮减速和摆线针轮减速组合而成的减速装置,减速器的结构刚性好、输出转矩大,但其内部结构比谐波减速器复杂、制造成本高、传动精度略低于谐波减速器,故多用于机器人的机身驱动。

日本Nabtesco Corporation(纳博特斯克公司)既是RV减速器的发明者,又是目前全球最大、技术最领先的RV减速器生产企业,其产品占据了全球60%以上的工业机器人RV减速器市场,以及日本80%以上的数控机床自动换刀(ATC)装置的RV减速器市场,世界著名的工业机器人几乎都使用Nabtesco Corporation的RV减速器。本书第5章将对其结构原理、性能特点及安装维护要求全面介绍。

(2)CRB轴承

CRB轴承是交叉滚子轴承英文cross roller bearing的简称,这是一种滚柱呈90°交叉排列、内圈或外圈分割的特殊结构轴承,它与一般轴承相比,具有体积小、精度高、刚性好、可同时承受径向和双向轴向载荷等优点,而且安装简单、调整方便,因此,特别适合于工业机器人、谐波减速器、数控机床回转工作台等设备或部件,它是工业机器人使用最广泛的基础传动部件。

图3.2.10为CRB轴承与传统的球轴承(深沟、角接触)、滚子轴承(圆柱、圆锥)的结构原理比较图。

由轴承的结构原理可见,深沟球轴承、圆柱滚子轴承等向心轴承一般只能承受径向载荷。角接触球轴承、圆锥滚子轴承等推力轴承,可承受径向载荷和单方向的轴向载荷,因此,在需要承受双向轴向载荷的场合,通常要由多个轴承进行配对、组合后使用。

CRB轴承的滚子为间隔交叉地成直角方式排列,因此,即使使用单个轴承,也能同时承受径向和双向轴向载荷。此外,CRB轴承的滚子与滚道表面为线接触,在承载后的弹性变形很小,故其刚性和承载能力也比传统的球轴承、滚子轴承更高;其内外圈尺寸可以被最大限度地小型化,并接近极限尺寸。再者,由于CRB轴承内圈或外圈采用分割构造,滚

柱和保持器通过轴环固定,轴承不仅安装简单,且间隙调整和预载都非常方便。

总之,CRB轴承不仅具有体积小、结构刚性好、安装简单、调整方便等诸多优点,而且在单元型结构的谐波减速器上,其内圈内侧还可直接加工成减速器的刚轮齿,组成图3.2.11所示的谐波减速器单元,以最大限度地减小减速器体积。

CRB轴承的安装要求如图3.2.12所示。根据不同的结构设计,CRB轴承可采用压圈(或锁紧螺母)固定、端面螺钉固定等安装方式;轴承的间隙可通过固定分割内圈(或外圈)的调整垫或压圈进行调整。

CRB轴承可采用油润滑或脂润滑。脂润滑不需要供油管路和润滑系统,无漏油问题,一次加注可使用1000h以上,加上工业机器人的结构简单,运动速度与定位精度的要求并不高,因此,为了简化结构、降低成本,多使用脂润滑。结构设计时,可针对CRB轴承的不同结构和安装形式,在分割外圈(或内圈)的固定件上,加工图3.2.12(d)、(e)所示的润滑脂充填孔。

表3.2.1是常用的进口和国产轴承的精度等级比较表。在轴承精度等级中,ISO 492的0级(旧国标G级)为最低,从6到2精度依次增高,2级(旧国标B级)为最高。