16 2抚器人采用的各种报行器 个凸齿部分的能量为ΔW另一方而,当磁极移动Δx,致使磁极完全错开时, 磁通将变得很难通过,因此,为了简单,若设这时的磁能为0,则转子刂产生 的平均推力,在假设励磁极数为P的情况下,可以由式(2.6)类推得到,为 F1=P△W/△x、厌此,当设转子的半径为r时,产生的平均转矩由下式求出: AR AW (2.13) 没线圈中的电流为1,每一个间隙的匿数为N,问隙的长为d,问隙中的 磁场为H,磁极齿的前积为A且其深度为l,磁动势N/几乎充满间欧中,问隙 的磁位差与H·d大致相等,所以ΔW叮以由下式求出: AW Ad]o 2 rAOl (N) 中0-2d (2.14) 因此.平均转矩r可以由下式求得 aw 2d (2.15) 对于图2.15所示构造的电动机,虽然极数增 加可以使步进角减小,但是在磁极上绕制线圈会 变得比较闲难,因此,极数的增加是有限度的 画般来说,在减小步进角时,应采用图2.15那样的 结构,在磁极中设置许多小齿 在图2.15的构造中,当励磁线圈转换时,只 图2.15能提高转矩转动了两个小齿间距离(-个齿周节)的14,步 的微小齿构造 进角明显变小。 但是,对于在…个磁极上设置着n个小齿的 情况,当转子与定子的小齿对齐时,其磁极的相对面积大约变为A2,这时 空隙中储存的磁能也变成没有小齿时的12而在小齿完全错开。磁能大致 变成0时,转角变为1/na所以在转子上产生的转矩变成为r2 △W/2/△(/n)=nr;/2,转矩变为原来的n/2倍。 实际上,在齿错开时存在有漏磁通,能量的变化量会变小,因此确切地 说不会变成n/2倍,所以当把磁极上的齿作小时,随着步进角的变小,也会 因电动机的高转矩化而获得非常有效的成果 作为步进电动机,除了上述类型的电动机以外,还制造出了VR型和用 同样的软碰件体构成极齿,并同时采用了永久磁铁的HB( hybrid)型步进电
2.2屯磁执行器 动机 步进电动机的旋转速度与脉冲的频率成正比,旋转的角度与脉冲的数 日成正比,它具有能在开环情况下对电动机进行控制的突出特点,它以机器 人为音要应用刈象,并在许多其也领域得到应用 齿轮的摇摆和阎隙 通过齿轮使轴进行旋转封,为了使两个轴的旋转速度相等,齿轮的齿应作成具有渐开线 的形式但是由于齿的加工精度有一定限度,并且在齿与齿的接触过程中存在着冲击等情况, 彦以在转动时会产生脉动现象,发生所谓的摇摆,齿轮和采用齿轮的机被也会发生振幼。另 外,由于在达轮中设置了一些游隙,所以即使驱动轴进行了反力向放转,从轴在齿轮的反向 齿面接触以前,也不会迸行旋转这种现象称为齿轮的间。 摇摆,间隙和振动会破坏机械的糖度,从而自然地会使采用齿轮的机械精度受到限制。 22.6直接驱动式高转矩电动机 电动机在大多数情况下是与减速器组合在一起应用的,而在减速器中 必然会有摇摆问隙和振动存在,因此会对运行速度和位置精度造成不良影 响近年来,对机器人的高速化,位置精度的高精度化,进而对力控制等的高 功能化要求不断提高,作为解决上述问題的对策,摒弃减速器,采用直接驱 动手臂等对象物的DD( direct drive)方式受到了人们约关注。 图2.16是利用上述ⅤR型原理做成的一种电动机,它可以作为采用DD 方式,m且在市场销售的电动机的一个例子这种电动机采用了三相励磁, 它在构造上,采用了在转子的内部和外郭均配置定子的结构当在内部和外 鄙具有两个定子时,会从两面产牛力,与此同 时,磁通四次通过凸齿部分,从而在凸齿错开 外定子 位置时,磁通谷易被遮断。因此,这种构造在凸 转子 齿正对时和凸齿错开时的能量变化(AW)会 变大,从向会因高转矩化而使电动变得更加 有效。 另外,在上述的转子和定子中,若凸齿作 内定子 成微小型结构,则在产生转矩时,趋向有效转 子面的磁通将变得更多。 图2.I6ⅤR型高转矩电动机
2机器人采用的各种执行器 除此之外,作为高转矩电动机,还制造出了HB型电动玑和无刷型也动 2.3线性电磁执行器 在生产线中,作直线运动的工件很多,为了能获得直线运动,通常是把 旋转型电动机与皮带,或滚珠丝杠等组合在一起。但是,在釆用滚珠丝枳等 的情况下,确定位置时的精度,会因间隙和摇摆而变差,而且还存在着不能作 高速运行等方面的问题。因此以D方式运行的线性电磁执行器,受到了人们 的关注线性电磁执行器,是一种将旋转式电动机的定子和转子平坦地展开 的装置,在制造时,它与大多数类型的旋转型电动机,具有相同的驱动原理 磁路和磁阻 几乎所有的电磁电动机,都是在电流流过铁心上缠绕的线閣时,通过在铁心中产牛磁通 而提取出能量。正如前面已经揭示的那样能量和产生的转矩与铁心中的磁通有着賁接关 系,所以求解出磁通是丰常重要的。 如图(a所示,当电流流过电磁线圈时,设铁心内部的磁力线技此平行在导磁率为无穷 大的物体屮,下会出现磁场H,因为只有在有限导磁率的部分才产生磁场H,所以根据安培环 路积分法则,得到N=H因此,磁逍为b=BS=HS=M/(L/pS) 另一方面,在图(b)的电路中流过的电流,根据欧婿定律,为I=V/(LaS)。在上述两个 公式中,l小,σμ,电动势幼磁迺势可以对应起来考虑,从而可以用与欧媾定律相同的形式 来表示。L/pS是与电阻对应的量,称为砖阻。图(a)中磁通流经的铁心,是磁通回路它可以用 图(c)中表示的磁路来表示。即假定由导磁和形状去求磁阻,则与在电路中求电流的方 法是相同的,可以根据欧姻定律,非常简便地求出磁通来。 导磁率 导磁率 S断面积:导电率 ▲S断面积 磁阻S 电动势 导电率:∞ 动势v]N 磁通势M (a)
2.4油压执行器 19 2.4油压执行器 把油压泵产生的工作油的汞力能,转变成机械能的装置,称为油压执 行器。在驱动油压执行器时,作为外闹设备,包括 (1)形成油压油压泵 (2)供给工作油的导管 (3)控制工作油流动的油压控制阌; (4)控制挖制阀的控回路, 这些都是一些必要的设备。根据油压执行器输出量的形式的不同,大致 叮以把它们区分为作直线运动的油压缸,和作旋转运动的油压马达。 油乐扶行器具有下列一些优点:④构造简单,可靠性高;②体积小,可 以获得比较高的推力和转矩;③比较容易选行控制等。所以在以机器人等 为代表的工作机械中,获得广泛应用。但是它也冇在着①漏油;②噪卢;③ 低速不稳定;④必须刈工作油的清洁度进行管理等方面的问题 2.4.1油压缸 油压缸的构造如图2.17所示,在缸体内有一个活塞,当把高压油注入 到缸体内时,缸体内的活塞被推动,因此可以作功。这里表示的是可以作往 复运动的复动型油压缸。假设工作油的流量,受压面积和容积效率分别为 Q,A和?,则活塞杆的速度可以用公式”=QA,求出。另外,设加权压力 系数(主要由滑动部分的摩擦系数决定)和油压缸压力系数分别用A和 表示,则推力F和输出P与活塞两侧的压力差8p成正比,并且可由下式求得 f=(P1-P2)A, A =SpA A (2.16) P=U·=8pQn,A (2.17) 2.4.2油压马达 1.齿轮马达 齿轮马达有外啮合型和内啮合型两种,这里就外啮合型齿轮马达加以
20 2机器人采用的各种执行器 面积 P2 A PL 汇 低压| 高压口 图2.17活骞油缸的构造 齿轮 说明。在图2.18所示的壳体内,两个齿 人1一壳体 轮被均等地包容在里面如果从一方向 另一方注入加压的工作油,则伴随着齿 商压油 轮的旋转,油便从另一方流出。施加到 齿轮上的合力不为0,所以便产生了向 反时针方问旋转的力矩。 2.叶片型马达 图2、18齿轮马达 叶片型马达如图2.19所示,沿着 转子半径方向,切割出一些滑槽,在滑 槽中插人可以滑动的叶片,通过作 用于叶片上的工作油压力,可以产 生出转矩来。这种旋转马达的驱动 原理,虽然看起来与油压缸的驱动 高压油入口 原理不同,但是从通过压力室体积 的 的膨胀产生出力这…点来看,两者 的驱动原理是完全相同的。因此,这 叶片 种马达的输出力的侍性,也可以用 图2.19叶片型马达 与式(2.16)和式(2.17)相类似的 公式来表示 3.活塞式马达 活塞式马达是一种利用斜板和凸轮机构,把油压缸的直线运动,变换成