機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動組件一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計

楊素香 ，馮 旭 ，王孝利 ，王紅香

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233； 2.中國人民解放軍駐上海航天局中心軍代室，上海 200100)

機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動組件一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計

楊素香1，馮 旭1，王孝利2，王紅香1

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233； 2.中國人民解放軍駐上海航天局中心軍代室，上海 200100)

介紹了一種機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動組件，由無刷直流電動機(jī)、行星減速器、角度傳感器(旋轉(zhuǎn)變壓器)和電磁制動器組成。集驅(qū)動、減速、傳感和制動為一體，提出了關(guān)節(jié)驅(qū)動組件的一體化設(shè)計思路。無刷直流電動機(jī)與角度傳感器之間增加抗干擾設(shè)計，實現(xiàn)了強(qiáng)弱電信號的隔離。樣機(jī)測試結(jié)果表明，該驅(qū)動組件體積小、重量輕、控制精度高、運行平穩(wěn)，可滿足各類機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的要求，具有重要的應(yīng)用價值。

機(jī)械臂關(guān)節(jié)；驅(qū)動組件；一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引 言

隨著計算機(jī)、自動化技術(shù)和原子能技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)自動化和智能裝備等行業(yè)，在軍事和國民工業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[1-7]。

在機(jī)器人工業(yè)中，機(jī)械臂作為機(jī)器人操作的支撐部件，為末端操作器的精確運動提供技術(shù)支撐。機(jī)械臂關(guān)節(jié)是保證機(jī)械臂運動能力、運動精度、運動平穩(wěn)性以及運動安全性等一系列問題的關(guān)鍵[8-10]。目前針對高精度伺服控制的機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制需要具備操作靈活、控制方便、搜索定位準(zhǔn)確、具有一定抓取力的要求，傳統(tǒng)的多部件實現(xiàn)已經(jīng)不能滿足要求。因此，需要一種新型驅(qū)動組件保證機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動具有更小的體積、更輕的重量，實現(xiàn)多功能高精度驅(qū)動，同時滿足關(guān)節(jié)驅(qū)動低速穩(wěn)定性、定位精度高、具有鎖定功能的系統(tǒng)要求。本文介紹了一種一體化結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動組件，以無刷直流電動機(jī)作為動力源，角度傳感器(旋轉(zhuǎn)變壓器)作為伺服驅(qū)動位置、速度傳感器，齒輪機(jī)構(gòu)作為減速大轉(zhuǎn)矩輸出部件，電磁制動器部分作為在運動機(jī)構(gòu)的鎖定控制。通過一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，體積更為緊湊、重量輕、控制精度高，經(jīng)減速后可直接驅(qū)動負(fù)載，回差低，減少了傳動功率損耗，提高了驅(qū)動組件的工作效率。

1 關(guān)節(jié)驅(qū)動組件結(jié)構(gòu)

關(guān)節(jié)驅(qū)動組件由無刷直流電動機(jī)、行星減速器、角度傳感器、電磁制動器4部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。驅(qū)動主體采用可靠性高無刷直流電動機(jī)，通過一級減速達(dá)到大轉(zhuǎn)矩輸出的性能要求，為滿足精度控制要求，選用旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度、速度傳感器，同時采用電磁失電制動器實現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)斷電后關(guān)節(jié)的姿位保持。

2 驅(qū)動組件一體化設(shè)計

2.1一體化布局結(jié)構(gòu)設(shè)計

關(guān)節(jié)驅(qū)動組件由4部分組成，為達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊、體積重量小、多功能部件各指標(biāo)的實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需遵循以下設(shè)計：

(1)為達(dá)到旋轉(zhuǎn)變壓器精度、制動力矩、輸出效率、回差、重量指標(biāo)要求，根據(jù)各部件要求，結(jié)合各部件的指標(biāo)實現(xiàn)的關(guān)鍵，合理分配各部件指標(biāo)。

(2)為實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出特性，無刷電機(jī)與減速器之間進(jìn)行效率、重量的合理匹配，確定最佳效率點的參數(shù)分配，之間采用齒輪頭與緊固件連接。

(3)旋轉(zhuǎn)變壓器作為精度控制位置傳感器，其輸出信號的正弦性好壞直接影響到速度穩(wěn)定性的控制精度，為避免無刷電機(jī)運行過程中對旋轉(zhuǎn)變壓器弱磁信號的干擾，在兩者之間采取隔離措施。

(4)電磁制動器作為實現(xiàn)電機(jī)組件具有鎖定功能部件，為滿足旋轉(zhuǎn)變壓器信號調(diào)整的可操作性，同時滿足電磁制動器工作氣隙的調(diào)整，在電機(jī)組件布局上將電磁制動器安放在尾部。

(5)為實現(xiàn)多部件之間的安全、合理連接，驅(qū)動組件采用同軸連接方式，即無刷直流電動機(jī)、角度傳感器、電磁制動器共軸，通過兩個滾動軸承實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸支撐，該種連接方式具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝可靠的特點。

(6)各部件之間的連接采用緊固件連接，電磁制動器的靜鐵心作為組件的后端蓋，護(hù)蓋安裝在電磁制動器定板上，可有效減少組件軸向長度，同時可降低對細(xì)長軸加工帶來的困難。

2.2各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 無刷直流電動機(jī)

驅(qū)動組件的動力源采用高可靠性的無刷直流電動機(jī)，無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)采用內(nèi)轉(zhuǎn)子正弦波結(jié)構(gòu)電機(jī)，8極30槽，不等氣隙、分?jǐn)?shù)槽繞組形式，轉(zhuǎn)子采用釤鈷永磁體，該結(jié)構(gòu)電機(jī)具有齒槽力矩小，繞組正弦性好、低速運行平穩(wěn)、效率高等特點，同時為滿足高精度控制的要求，位置傳感器采用分裝式旋轉(zhuǎn)變壓器，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、精度高。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 行星減速器

為了使整個組件體積小、重量輕、輸出扭矩大，行星減速器采用一級漸開線齒輪行星傳動，2K-H結(jié)構(gòu)，選用NGW型式，該型式由內(nèi)外嚙合和公用行星輪組成。它的結(jié)構(gòu)簡單、軸向尺寸小，工藝性好，效率高。NGW型是動力傳動中應(yīng)用最多、傳遞效率最大的一種行星傳動。結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸出軸、圓柱銷和墊圈一體化設(shè)計，內(nèi)齒輪和軸承座一體化設(shè)計，這樣減少了零件數(shù)量，提高了部件強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品可靠性。為了提高傳動效率，將運動副支承選用滾動摩擦，行星輪與銷軸之間裝上滾動軸承。

圖3 減速器結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 電磁制動器

電磁制動器作為驅(qū)動組件的鎖定機(jī)構(gòu)，為實現(xiàn)驅(qū)動組件高可靠運行，防止電磁制動器產(chǎn)生更多的摩擦粉塵污染軸承等運動部件，結(jié)合摩擦粉塵產(chǎn)生的原理，摩擦粉塵產(chǎn)生有兩部分組成，一部分由制動時瞬時的高溫高壓下摩擦材料與制動盤材料間的相互磨損而產(chǎn)生的。另一部分是由于制動盤無軸向鎖定裝置而在高速旋轉(zhuǎn)時左右碰撞摩擦環(huán)而產(chǎn)生的。第一種情況磨損只能減少不能避免。對于第二種情況下的磨損則是可以避免的。

圖4 電磁制動器結(jié)構(gòu)圖

通過采用將高速旋轉(zhuǎn)的制動盤限制在。定板組件的摩擦環(huán)和動鐵心組件的摩擦環(huán)之間，在制動盤高速旋轉(zhuǎn)時不致碰撞它兩端面的摩擦環(huán)。所以，在此種限位機(jī)構(gòu)的應(yīng)用下第二種情況就不產(chǎn)生摩擦粉塵了。

制動盤限位機(jī)構(gòu)由擋板、彈簧片、非金屬墊板、鉚釘組成。當(dāng)制動器制動時動鐵心組件在壓力彈簧的作用下迫使制動盤壓向定板組件，同時制動盤壓迫彈簧片使之產(chǎn)生形變并提高彈簧片彈性勢能。當(dāng)解鎖后動鐵心組件在靜鐵心組件產(chǎn)生的電磁力作用下吸靠靜鐵心組件，同時彈簧片在前期集聚的彈性勢能作用下將制動盤推離定板組件而靠緊擋板。在此擋板的限制下使得旋轉(zhuǎn)的制動盤處于定板組件的摩擦片和動鐵心組件的摩擦片之間，該旋轉(zhuǎn)的制動盤將不與兩端面的任何個摩擦片接觸。所以該制動盤將進(jìn)行無摩擦和無摩擦噪聲高速旋轉(zhuǎn)工作，在此狀態(tài)下不產(chǎn)生解鎖旋轉(zhuǎn)時摩擦粉塵。

2.2.4 部件隔離抗干擾設(shè)計

驅(qū)動組件在工作過程中，組件內(nèi)部的角度傳感器輸出為模擬量的弱電信號，無刷電機(jī)在啟動、停止時會產(chǎn)生大電流沖擊，產(chǎn)生強(qiáng)磁場，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號容易被周圍磁場干擾，使輸出的信號畸變。而該信號是保證驅(qū)動源無刷電機(jī)正常工作的關(guān)鍵，因此，為了防止無刷電機(jī)工作產(chǎn)生的磁場干擾角度傳感器輸出，影響無刷電機(jī)正常換向，需對兩部件之間進(jìn)行磁場隔離處理，結(jié)構(gòu)圖見圖2，旋轉(zhuǎn)變壓器機(jī)殼作為隔離材料，應(yīng)選用不導(dǎo)磁的材料進(jìn)行磁場隔離，同時該機(jī)殼作為軸承支撐用結(jié)構(gòu)件，對機(jī)械強(qiáng)度有一定要求，一般選用鋁合金或不銹鋼作為結(jié)構(gòu)件。通過觀察無刷電機(jī)在啟動、停止時旋轉(zhuǎn)變壓器失真度的分析、測試，通過磁場隔離后，旋轉(zhuǎn)變壓器信號的失真度為0.45%～0.54%，基本不會被干擾，隔離方案是合理有效的。

圖5 隔離材料結(jié)構(gòu)圖

3 樣機(jī)測試

所研制關(guān)節(jié)驅(qū)動組件產(chǎn)品已成功應(yīng)用于某機(jī)械臂關(guān)機(jī)機(jī)構(gòu)中。圖6(a)～(e)為樣機(jī)實物照片。表1為樣機(jī)主要測試結(jié)果。

(a)無刷電機(jī)(b)行星減速器

(e) 驅(qū)動組件

指標(biāo)要求值實測值額定轉(zhuǎn)矩T/(N·m)0.60.6額定轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)600617額定電流i/A≤2.51.52效率≥70%71.1%傳動精度≤32制動電壓u/V1212制動力矩T/(N·m)≥0.63.2制動功耗P/W≤54.56制動方式斷電制動斷電制動激磁頻率f/Hz50005000電氣誤差±10%+6%尺寸≤φ60mm×130mmφ60mm×127mm重量m/kg≤1.51.44振動試驗3.3g(5～15Hz);10g(15～50Hz);30g(50～80Hz);10g(80～100Hz)沖擊試驗+6dB/oct(10～500Hz)500g(500～3000Hz)

樣機(jī)的性能測試結(jié)果表明，本文提出的一體化結(jié)構(gòu)驅(qū)動組件是可行的，具有體積小、重量輕、控制精度高、輸出功率大等特點。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種多功能一體化結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)驅(qū)動組件，驅(qū)動組件由無刷直流電動機(jī)、行星減速器、電磁制動器、角度傳感器(旋轉(zhuǎn)變壓器)組成，可有效降低關(guān)節(jié)驅(qū)動組件的體積、重量，適合各類機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動應(yīng)用。對關(guān)節(jié)驅(qū)動組件的一體化結(jié)構(gòu)、電磁制動器結(jié)構(gòu)形式、防止相互干擾等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計。樣機(jī)測試結(jié)果表明,該一體化結(jié)構(gòu)驅(qū)動組件體積小、重量輕、控制精度高、運行平穩(wěn)，可滿足機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的要求，具有重要應(yīng)用價值。

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IntegrationMechanicalDesignofManipulatorJointDrivingGroupware

YANGSu-xiang1,FENGXu2,WANGXiao-li2,WANGHong-xiang1

(1.No.21 Research Institute of CETC,Shanghai 200233,China; 2.Miltary Repersentative Office in Shanghai Aerospace Burean,Shanghai 200100,China)

A manipulator joint driving groupware is recommended in this paper, which consists of a brushless permanent-magnet motor (BLPM), a planetary gear, a rotary transformer (RT) and an electromagnetic brake. The mechanical design of the manipulator joint driving groupware is presented for integrating the abilities of driving, deceleration, transducing and braking. Besides, the anti-jamming design is used for the connection between the BLPM and RT, which makes their electrical signals insulated between each other. The results of the prototype tests indicate that, the merits of the driving groupware, small volume, light weight, high control precision and steady operation, meet the demands of various manipulator joints with significant application value.

manipulator joint; driving groupware; integration mechanical design

2015-12-03

TM33

：A

：1004-7018(2016)11-0043-03