3.4　机械传动系统设计

3.4.1　前驱RBR手腕

(1)基本结构

垂直串联工业机器人的腰回转轴S、上下臂摆动轴L/U、手腕回转轴R,大多采用电机、减速器直接驱动结构,减速器的输入可与电机轴直接连接,回转、摆动部件可与减速器的输出直接连接,设计时通常只需要考虑电机和减速器的安装、连接要求,而无需进行机械传动系统的其他设计。因此,对于垂直串联机器人来说,重点是手腕传动系统的设计。

前驱RBR结构手腕的B轴、T轴驱动电机布置于上臂前端内腔,驱动电机和手腕间通过同步带连接,传动系统需要使用大比例的谐波减速器减速。

在早期设计的产品上,手腕大都采用部件型(component type)谐波减速器减速。这种结构的不足是:减速器采用的是刚轮、柔轮、谐波发生器分离型结构,减速器和传动部件都需要在现场安装,其零部件多、装配要求高、安装复杂、传动精度很难保证;特别在手腕维修时,同样需要分解谐波减速器和传动部件,并予以重新装配,这不仅增加了维修难度,而且减速器和传动部件的装拆会导致传动系统性能和精度的下降。

目前的机器人手腕多采用单元型(unit type)谐波减速器减速。采用单元型谐波减速器后,B、T轴传动系统的全部零件可设计成整体安装、专业化生产的独立组件,它不仅可解决机器人安装与维修时的谐波减速器及传动部件分离问题,且在装拆时无需进行任何调整;故可提高B、T轴的传动精度和运动速度、延长使用寿命、减少机械零部件数量;其结构简洁、生产制造方便、装配维修容易。

采用单元型谐波减速器的前驱手腕传动系统参考结构如图3.4.1所示,传动系统由B轴减速摆动、T轴中间传动、T轴减速输出3个可整体安装、专业化生产的独立组件组成。其中,B、T轴驱动电机安装在上臂内腔;手腕摆动体安装在U形叉内侧;B轴减速摆动组件、T轴中间传动组件分别安装与上臂前端U形叉两侧;T轴减速输出组件安装在摆动体前端,作业工具安装在与减速器输出轴连接的工具安装法兰上。3个传动组件的参考结构和功能分别如下。

(2)B轴减速摆动组件

B轴减速摆动组件由B轴谐波减速器、摆动体9及连接件组成。单元型谐波减速器的刚轮、柔轮、谐波发生器、输入轴、输出轴、支承轴承是一个可整体安装的独立单元,其输入轴上加工有键槽和中心螺孔,可直接安装同步带轮或齿轮;输出轴上加工有定位法兰,可直接连接负载;壳体和输出轴间采用了可同时承受径向和轴向载荷的交叉滚子轴承(cross roller bearing,CRB)支承。因此,只需要在减速器输入轴7上安装同步带轮5、将壳体固定到上臂U形叉上,并使输出轴6与摆动体9连接便可完成安装。

摆动体9的另一侧,利用安装在T轴中间传动组件上的轴承15,进行径向定位、轴向浮动辅助支承。B轴驱动电机2和减速器输入轴7间通过同步带4连接,驱动电机旋转时将带动减速器输入轴旋转,减速器输出轴6可带动摆动体实现低速回转。

(3)T轴中间传动组件

T轴中间传动组件由摆动体辅助支承轴承15、支承座16、密封端盖17、锥齿轮19、中间传动轴20、同步带轮23及中间传动轴支承轴承、隔套、锁紧螺母等件组成,它用来连接T轴驱动电机和T轴减速输出组件,并对摆动体进行辅助支承。

中间传动轴20的一端通过同步带轮23、同步带24和驱动电机输出轴连接,另一端通过锥齿轮19与T轴谐波减速器输入锥齿轮14啮合、变换转向。中间传动轴的支承轴承采用的是DB(背对背)组合的角接触球轴承,可同时承受径向和轴向载荷,并避免热变形引起的轴向过盈。

(4)T轴减速输出组件

T轴减速输出组件固定在摆动体前端,减速器输入轴11上安装锥齿轮14,输出轴12连接工具安装法兰13,壳体固定在摆动体前端。当减速器输入轴在锥齿轮的带动下旋转时,输出轴可带动工具安装法兰低速回转。

图中的锥齿轮14和19不仅起到转向变换的作用,同时,还可通过改变直径,调节T轴减速输出组件和中间传动组件的相对位置。工具安装法兰13上设计有标准中心孔、定位法兰和定位孔、固定螺孔,可直接安装机器人的作业工具。

以上3个传动组件均利用安装法兰定位、连接螺钉固定,装拆时无需进行任何调整;同时,B/T轴谐波减速器也无需分解,故其传动精度、摆动速度、使用寿命等技术指标,可保持出厂指标不变。

3.4.2　后驱RBR手腕

后驱RBR手腕的R/B/T轴驱动电机均安装在上臂后部,需要通过上臂内部的传动轴,将动力传递至前端的手腕单元上;在手腕单元上,则需要将传动轴的输出转为驱动B/T轴回转的动力,故其机械传动系统通常需要分为上臂传动、手腕传动2部分,结构相对复杂、传动链长。后驱RBR手腕的传动系统参考结构如下。

(1)上臂传动系统

后驱RBR手腕的上臂传动系统参考结构如图3.4.2所示。机械传动部件可分为内外4层,由于机器人的T、B、R轴的驱动力矩依次增加,为了保证传动系统的刚性,由内向外通常依次为手回转传动轴T、腕弯曲传动轴B、手腕回转传动轴R,每一驱动轴均可独立回转,最外侧为固定的上臂体。

上臂5的后端是R、B、T轴驱动电机、传动轴的连接部件及后支承部件。为方便驱动电机的安装,R、B、T轴驱动电机和传动轴间一般采用同步带连接;当然,如结构允许,也可采用齿轮传动,而内层的T轴还可和电机输出轴直连。

上臂5的内腔由内向外,依次布置有T轴8、B轴7、R轴6。其中,T轴8一般为实心轴,它需要穿越上臂、R轴减速器及后述的手腕单元,与手腕单元最前端的锥齿轮连接。B轴7、R轴6为中空轴,R轴内侧套B轴,B轴内侧套T轴。

R轴6通过前端花键套10与安装在上臂前法兰的R轴减速器输入轴连接,其前后支承轴承分别安装在轴后端及前端中空花键套10上,花键套10和R轴6间,利用安装法兰和螺钉固定。为了简化结构,在部分机器人上,减速器输入轴和R轴间也可使用带键轴套等方法进行连接。

B轴7的前端连接有一段花键轴9,花键轴9用来连接B轴7和后述手腕单元上的B轴。花键轴9和B轴7之间,通过安装法兰和螺钉连成一体;轴外侧安装前后支承轴承。

T轴8直接穿越B轴及后述的手腕单元,与最前端的T轴锥齿轮连接。T轴的前后支承轴承分别布置于B轴7的前后内腔。

(2)手腕传动系统

后驱机器人的手腕单元组成一般由B/T传动轴、B轴减速摆动、T轴中间传动、T轴减速输出4个组件及连接体、摆动体等安装部件组成。手腕单元同样可使用部件型谐波减速器或单元型谐波减速器减速,两种结构的B、T轴传动系统分别如下。

1)采用单元型减速器

采用轴输入单元型谐波减速器的后驱手腕单元传动系统参考结构如图3.4.3所示,B、T轴传动系统是一个由B/T传动轴、B轴减速摆动、T轴中间传动、T轴减速输出4个组件,以及连接体、摆动体等安装部件组成的完整单元,单元组件的结构和功能分别如下。

① B/T传动轴组件　B/T传动轴组件是连接B/T输入轴和摆动体、变换转向的部件,它安装在连接体内腔。组件采用了中空内外套结构,它通过外套2的前端外圆和后端法兰定位,可整体从连接体后端取出;此外,如无内套,连接体前端锥齿轮的安装、加工、调整将会非常麻烦。

B传动轴由连接套3、内套4、锥齿轮7及连接件组成,它利用前后支承轴承和外套内孔配合;轴承一般采用1对DB组合的角接触球轴承,以承受径向和轴向载荷、避免热变形引起的轴向过盈。连接套3用来连接B输入轴5,以驱动B轴锥齿轮7旋转;锥齿轮7和内套4利用键、锁紧螺母连为一体,前轴承安装在锥齿轮上。

T输入轴6来自上臂,其前端安装有锥齿轮8和支承轴承,轴承由内套孔进行径向定位、轴向浮动支承;锥齿轮利用键和中心螺钉固定在T输入轴上。

② B轴减速摆动组件　B轴减速摆动组件是一个可摆动U形箱体,出于安装的需要,箱体的辅助臂13和摆动体26间用螺钉连接;辅助臂和连接体间安装有轴承14,作为B轴的辅助支承。B轴减速同样采用了SHG⁃2UJ系列轴输入单元型谐波减速器,其输入轴29上安装锥齿轮30;输出轴28连接摆动体26;壳体固定在连接体1上。当B输入轴5旋转时,利用锥齿轮7和30,可带动减速器输入轴旋转,减速器的输出轴可直接驱动U形箱体摆动。

③ T轴中间传动组件　T轴中间传动组件由两组同步带连接、结构相同的过渡轴部件组成,其作用是将T输入轴的动力传递到T轴减速器上。第1组过渡轴部件固定在连接体上,其锥齿轮9和B/T传动轴组件上的T轴锥齿轮8啮合,将T轴动力从连接体1上引出;第2组过渡轴部件安装在摆动体26上,其锥齿轮19和T轴谐波减速器输入轴上的锥齿轮20啮合,将T轴动力引入到摆动体箱体内,带动T轴减速器输入轴回转。

过渡轴部件由支承座10(18)、轴11(17)、支承轴承12(16)及连接件组成,其结构与前驱手腕类似。支承座加工有定位法兰,可直接安装到连接体或摆动体上;轴安装在支承座内,通过一对DB组合、可同时承受轴向和径向载荷的角接触球轴承支承;轴内侧安装锥齿轮,外侧安装同步带轮,锥齿轮和同步带轮均通过键和中心螺钉固定。

④ T轴减速输出组件　T轴减速输出组件固定在摆动体前端,用来实现T轴回转减速和安装作业工具。T轴减速同样采用了轴输入单元型谐波减速器,输入轴22上安装锥齿轮21,输出轴23连接工具安装法兰24,壳体固定在摆动体上,外部用防护罩25密封与保护。工具安装法兰24上设计有标准的中心孔、定位法兰和定位孔、固定螺孔,可直接安装机器人的作业工具;当减速器输入轴在锥齿轮带动下旋转时,输出轴可直接驱动工具安装法兰及作业工具实现T轴回转。

以上4个标准化组件同样都利用安装法兰定位、连接螺钉固定,装拆时无需进行任何调整;同时,B/T轴谐波减速器也无需分解,故传动精度、摆动速度、使用寿命等技术指标,可完全保持出厂指标不变。

2)采用部件型减速器

采用传统部件型谐波减速器的后驱手腕单元传动系统参考结构如图3.4.4所示,手腕组成部件与采用单元型谐波减速器的手腕基本类似,但在减速部件17、19中,减速器生产厂家只提供谐波发生器22、柔轮23和刚轮24;其他的安装连接件,如端盖、输入轴、柔轮压紧圈、CRB输出轴承等,均需要机器人生产厂家自行设计和制作。有关部件型谐波减速器的结构原理可参见第4章。

采用部件型谐波减速器的手腕安装与维修较为复杂。手腕单元维修时,应先取下前端盖13,松开T轴7上的锥齿轮固定螺钉,将T轴和手腕单元分离;然后,取下连接体4和上臂中R轴减速器连接的螺钉,将整个手腕单元从机器人上取下。

手腕单元取下后,可松开连接体4后端的内套5固定螺钉,将内套连同前端的锥齿轮,整体从连接体4中取出;接着,可依次分离B/T轴传动组件上的花键套2、锥齿轮、前后支承轴承和B轴连接杆6,进行部件的维修或更换。

手腕单元的T轴回转减速部件需要维修时,可直接将整个组件从摆动体18上整体取下,然后,按图依次分离传动部件,进行部件的维修或更换。

手腕单元的B轴摆动减速组件需要维修时,首先应将摆动体18从连接体4上取下。在连接体4的左侧,应先取下T轴中间传动组件的同步带12和带轮11、15;然后,取下固定螺钉16、取出辅助臂9,分离连接体4和摆动体18的左侧连接。左侧连接分离后,如果需要,便可分别将T轴中间传动轴从连接体4、摆动体18上取下,进行相关部件的维修或更换。

在辅助臂9取出、左侧连接分离后,便可取下连接体4右侧的摆动体18和B轴减速器输出轴的连接螺钉21,分离连接体4和摆动体18的连接。这样,便可将摆动体18以及安装在摆动体上的T轴中间传动组件、T轴减速输出组件等,整体从手腕单元上取下;然后,再根据需要,进行相关部件的维修或更换。

当摆动体18从连接体4上取下后,如果需要,就可按图依次分离B轴谐波减速器及安装连接件,进行谐波减速器的维修。

手腕单元的安装过程与上述相反。

3.4.3　后驱RR与3R手腕

(1)RR手腕传动系统

RR手腕通常由2个中心线相互垂直的回转轴组成,其传动系统的参考结构如图3.4.5所示。由于驱动T轴的传动轴需要穿越R轴的减速机构,因此,R轴的谐波减速器必须采用中空结构。

图中的R轴中空轴单元型谐波减速器采用了输出轴(刚轮)4固定、壳体2回转的安装方式,谐波发生器的输入通过直齿轮7及上臂内的R轴10驱动;由于减速器输出轴(刚轮)被固定,当谐波发生器旋转时,柔轮3将带动壳体2、回转体1减速回转。R轴10采用的是偏心布置的实心轴,如果需要,也可采用和T轴8同轴布置的空心轴结构。

T轴安装在回转体1上,T轴谐波减速器采用的是轴输入单元型谐波减速器(如Harmonic Drive System SHG⁃2UJ系列等),且其输出轴(刚轮)13上直接加工有工具安装法兰。T轴减速器采用的是壳体17固定、输出轴回转的安装方式。谐波发生器的输入来自锥齿轮18,锥齿轮18由来自上臂、穿越R轴减速器的T轴8驱动;当谐波发生器旋转时,输出轴(刚轮)13将带动末端执行器安装法兰14减速回转。为了提高支承刚性,T轴8的前端采用一对DB组合、可同时承受轴向和径向载荷的角接触球轴承进行固定支承,在R轴谐波减速器中空内孔上,安装了轴向浮动的径向辅助支承轴承。

手腕的T轴单元型谐波减速器,可在松开减速器壳体安装螺钉16后,连同输入锥齿轮18直接从回转体1上取下。需要进行R轴减速器、T轴8的传动部件维修更换时,应先取下回转体1上的端盖19,松开锥齿轮锁紧螺母20、取出轴端锥齿轮后,从上臂5的内侧,取下安装螺钉9、取出齿轮7;此时,只要取下B轴减速器的安装螺钉6,便可将回转体1连同R轴减速器整体从上臂5上取下。

(2)3R手腕传动系统

B轴中心线垂直布置的后驱3R手腕传动系统的参考结构如图3.4.6所示。

由于手腕的3个回转摆动轴的中心线都不与上臂中心线同轴,因此,需要有3组锥齿轮进行转向变换,其传动系统结构较为复杂。

连接体1用于整个手腕单元的装拆,它可通过安装、定位法兰和机器人上臂的外壳连接,使手腕和上臂的外壳成为一体。

内套2、R轴3、B轴4、T轴5均为来自上臂前端输出的传动部件。其中,R轴为实心轴,它通过锥齿轮6变换转向后,直接与R轴谐波减速器11的谐波发生器连接,以驱动摆动体13减速回转。B、T轴采用的是内外套结构,它们需要通过锥齿轮7、8变换转向后,利用穿越R轴减速器的B、T中间传动轴9、10,继续传递到摆动体13的前端。R轴减速器11采用的是中空轴、单元型谐波减速器,并采用了输出轴固定、壳体回转的安装形式,输出轴固定安装在连接体1上,壳体与摆动体13连为一体、可随摆动体回转。

B、T中间传动轴9、10同样采用内外套结构,它们安装于R轴谐波减速器11的中空内腔,其前端均通过一对DB组合的角接触球轴承进行固定支承,以承受轴向和径向载荷,支承座12固定在摆动体13上;后端以深沟球轴承进行径向定位、轴向浮动支承。其中,B轴在通过锥齿轮14变换转向后,直接与B轴谐波减速器17的谐波发生器连接,以驱动回转体18减速回转。

摆动体13为L形箱体,其后端的输入侧上,安装有R轴减速器壳体和中间轴支承座;前端输出侧上,安装有B轴谐波减速器17和中间传动轴16。B轴减速器同样采用中空轴、单元型谐波减速器,以及输出轴固定、壳体回转的安装形式,输出轴固定安装在摆动体13上,壳体与回转体18连为一体、可随回转体回转。

T轴的第2中间传动轴16安装于B轴谐波减速器17的中空内腔,其前端通过安装在回转体18上的一对DB组合角接触球轴承进行固定支承,以承受轴向和径向载荷;后端以一只深沟球轴承进行径向定位、轴向浮动支承。中间传动轴16通过锥齿轮19变换转向后,与T轴谐波减速器20的输入轴连接,以驱动工具安装法兰21减速回转。

回转体18同样为L形箱体,其输入侧(后端)安装有B轴减速器壳体和T中间传动轴16的支承座;输出侧(前端)安装有T轴谐波减速器20以及工具安装法兰21、防护罩22等工具安装及防护部件。

T轴谐波减速器20采用的是轴输入、单元型谐波减速器(如Harmonic Drive System SHG⁃2UJ系列等)和壳体固定、输出轴回转的安装形式,壳体固定安装在回转体18上,输出轴与工具安装法兰22连为一体,以驱动工具实现T轴回转。防护罩22用于T轴谐波减速器和工具安装法兰的密封与防护。

以上连接体1、摆动体13、回转体18的结合面及摆动体13、回转体18调整窗口的防护盖板上均安装与密封件,使整个组件为一个结构紧凑的密封3R手腕单元。此外,由于手腕内部无线缆管线,如需要,手腕的R、B、T轴本身可进行无限回转。

手腕单元维修时,可在松开连接体1和上臂的连接螺钉后,将手腕单元和机器人上臂整体分离;在此基础上,可依次松开R轴减速器的输出轴连接螺钉、取下连接体1;松开R轴减速器的壳体连接螺钉、从摆动体上取下R轴减速器及支承座;松开B轴减速器的输出轴连接螺钉、取下回转体18;松开B轴减速器的壳体连接螺钉、从回转体上取下B轴减速器及支承座。T轴谐波减速器20可在松开工具安装法兰21和防护罩22的连接螺钉、取下工具安装法兰和防护罩后,直接从回转体1的前端取出。

3.4.4　SCARA机器人

SCARA机器人有前驱、后驱2种基本结构。前驱SCARA机器人采用执行器升降结构, 后驱SCARA机器人采用手臂整体升降结构,其传动系统参考结构分别如下。

(1)前驱SCARA机器人

前驱SCARA机器人大多采用执行器升降结构,驱动电机安装于摆臂关节部位,双摆臂、前驱SCARA机器人的传动系统参考结构如图3.4.7所示。

在图3.4.7所示的前驱SCARA机器人上,C1轴的驱动电机4利用过渡板3,倒置安装在减速器安装板29的下方;C2轴的驱动电机18利用过渡板16,垂直安装在C1轴摆臂7的前端关节上方。

为了简化结构,C1、C2轴减速均采用了刚轮、柔轮和CRB轴承一体化设计的简易单元型谐波减速器,减速器的刚轮9、23及CRB轴承12、24的内圈,分别通过连接螺钉20、5连为一体;减速器的柔轮10、25和CRB轴承12、24的外圈,分别通过固定环14、22及连接螺钉21、6连为一体。

C1、C2轴谐波减速器采用的是刚轮固定、柔轮输出的安装形式。C1轴减速器的谐波发生器26,通过固定板28、键和驱动电机4的输出轴连接;刚轮23固定在减速器安装板29的上方;柔轮25通过连接螺钉30连接C1轴摆臂7;当驱动电机4旋转时,谐波减速器的柔轮25可驱动C1轴摆臂7低速摆动。C2轴减速器的谐波发生器11和驱动电机18的输出轴间用键、支头螺钉连接;刚轮9固定在C1轴摆臂7上;柔轮10通过螺钉13连接C2轴摆臂8;当驱动电机18旋转时,谐波减速器的柔轮10可驱动C2轴摆臂8低速摆动。

如果在C2臂的前端再安装与C2轴类似的C3轴减速器和相关传动零件,这就成了3摆臂的前驱SCARA机器人。

前驱SCARA机器人的结构简单,安装、维修非常容易。例如,取下减速器柔轮和摆臂的固定螺钉13、30,就可将C2摆臂8、C1轴摆臂7连同前端部件整体取下;取下安装螺钉19、2,就可将驱动电机18、4,连同过渡板16、3及谐波发生器11、26,整体从摆臂、基座上取下。如果需要,还可按图继续分离谐波减速器的刚轮、柔轮和CRB轴承。机器人传动部件的安装,可按上述相反的步骤依次进行。

(2)后驱SCARA机器人

后驱SCARA机器人的全部驱动电机均安装在基座上,其摆臂结构非常紧凑,为了缩小摆臂体积和厚度,它一般采用同步带传动,并使用刚轮和CRB轴承内圈一体式设计的超薄型减速器减速。

双摆臂后驱SCARA机器人的传动系统参考结构如图3.4.8所示,其C1、C2轴的驱动电机29、23均安装在机身21的内腔。

为了布置C2轴传动系统,C1轴谐波减速器采用的是中空轴、单元型谐波减速器(如Harmonic Drive System SHG⁃2UH系列等),减速器的谐波发生器输入轴和驱动电机29间通过齿轮25、28传动;减速器的中空内腔上,安装有C2轴的中间传动轴。谐波减速器采用的是壳体(柔轮)固定、输出轴(刚轮)回转的安装方式,壳体固定在机身21上;当谐波发生器18在驱动电机29、齿轮28、25带动下旋转时,输出轴将带动C1轴摆臂15减速摆动。

C2轴谐波减速器采用的是刚轮、柔轮和CRB轴承一体化设计的简易单元型谐波减速器(如Harmonic Drive System SHG⁃2SO系列等),减速器输入与驱动电机23间采用了2级同步带传动。减速器的谐波发生器14通过输入轴上的同步带轮2、同步带3,与中间传动轴输出侧的同步带轮6连接;中间传动轴的输入侧,通过同步带轮26及同步带与C2轴驱动电机23输出轴上的同步带轮24连接。

C2轴谐波减速器同样采用壳体(柔轮)固定、输出轴(刚轮)回转的安装方式,壳体固定在C1轴摆臂15上;当谐波发生器14在同步带传动系统带动下旋转时,输出轴将带动C2轴摆臂9减速摆动。

图3.4.8所示的后驱SCARA机器人维修时,可先取下C1轴摆臂上方的盖板1、5,松开同步带轮2、6上的轴端螺钉,取下同步带带轮后,便可逐一分离C1轴和C2轴传动部件,进行维护、更换和维修。例如,取下连接螺钉8,摆臂15连同前端C2轴传动部件就可整体与机身21分离;取下连接螺钉11,则可将摆臂9连同前端部件,从C2轴减速器的输出轴上取下;将其与C1轴摆臂15分离。

在机身21的内侧,取下C1轴驱动电机安装板的固定螺钉30,便可将驱动电机连同安装板27、齿轮28,从机身21内取出。松开同步带轮26的轴端固定螺钉后,如取下C2轴驱动电机安装板22的固定螺钉20,便可将驱动电机23连同安装板22、同步带轮24,从机身内取出。

如果需要,还可按图继续取下谐波减速器、中间传动轴等部件。机器人传动部件的安装,可按上述相反的步骤依次进行。