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驱动传动方式的选择和优化

时间:2023-06-24 理论教育 版权反馈
【摘要】:常用驱动方式包括:液压、气动、电动、机械、直接驱动等;新型的驱动方式包括:磁致伸缩驱动、形状记忆合金、静电驱动、超声波电机等。工业机器人的传动装置与一般机械的传动装置的选用和计算大致相同。但工业机器人的传动系统要求结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小,要求消除传动间隙,提高其运动和位置精度。

驱动传动方式的选择和优化

常用驱动方式包括:液压、气动、电动、机械、直接驱动等;新型的驱动方式包括:磁致伸缩驱动、形状记忆合金、静电驱动、超声波电机等。

驱动材料主要有形状记忆合金、压电材料、电流变材料、磁流变材料、超磁致伸缩材料等。

工业机器人的传动装置与一般机械的传动装置的选用和计算大致相同。但工业机器人的传动系统要求结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小,要求消除传动间隙,提高其运动和位置精度。工业机器人传动装置除齿轮传动、蜗杆传动链传动和行星齿轮传动外,还常用滚珠丝杆、谐波齿轮、钢带、同步齿形带和绳轮传动。

1.磁致伸缩驱动

铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变,其长度和体积都要发生微小的变化,这种现象称为磁致伸缩。20世纪60年代,研究发现某些稀土元素在低温时磁伸率达3 000×10-6~10 000×10-6,人们开始关注研究有实用价值的大磁致伸缩材料。稀土-铁系化合物不仅磁致伸缩值高,而且居里点高于室温,室温磁致伸缩值为1 000×10-6~2 500×10-6,是传统磁致伸缩材料(如铁、镍等)的10~100倍。这类材料被称为稀土超磁致伸缩材料(RearEarth-Giant Magneto Strictive Materials,RE-GMSM)。这一现象已用于制造具有微英寸量级位移能力的直线电机。为使这种驱动器工作,要将被磁性线圈覆盖的磁致伸缩小棒的两端固定在两个架子上。当磁场改变时,会导致小棒收缩或伸展,这样其中一个架子就会相对于另一个架子产生运动。一个与此类似的概念是用压电晶体来制造具有毫微英寸量级位移的直线电机。

美国波士顿大学已经研制出了一台使用压电微电机驱动的机器人——“机器蚂蚁”。“机器蚂蚁”的每条腿是长l mm或不到1 mm的硅杆,通过不带传动装置的压电微电机来驱动各条腿运动。这种“机器蚂蚁”可用在实验室中收集放射性的尘埃,以及从活着的病人体中收取患病的细胞。

2.形状记忆金属

有一种特殊的形状记忆合金叫作生物金属(biometal),它是一种专利合金,在达到特定温度时缩短大约4%。通过改变合金的成分可以设计合金的转变温度,但标准样品都将温度设在90 °C左右。在这个温度附近,合金的晶格结构会从马氏体状态变化到奥氏体状态,并因此变短。然而,与许多其他形状记忆合金不同的是,它变冷时能再次回到马氏体状态。如果线材上负载低的话,上述过程能够持续变化数十万个循环。实现这种转变的常用热源来自当电流通过金属时,金属因自身的电阻而产生的热量。结果是,来自电池或者其他电源的电流轻易就能使生物金属线缩短。这种线的主要缺点在于它的总应变仅发生在一个很小的温度范围内,因此,除了在开关情况下,要精确控制它的拉力很困难,同时也很难控制位移。根据以往的经验,尽管生物金属线并不适合用作驱动器,但有可能期望它在将来会变得有用。如果那样的话,机器人的胳膊就会安上类似人或动物肌肉的物质,并由电流来操纵。

3.静电驱动器(www.xing528.com)

当把电压施加到定子的电极上时,在移动子中会感应出极性与其相反的电荷。当外加电压变化时,因为移动子上的电荷不能立即变化,所以由于电极的作用,移动子会受到右上方向的合力作用,驱动其向右方移动。反复进行上述操作,移动子就会连续地向右方移动。这种驱动器有下列特征:

(1)因为移动子中没有电极,所以不必确定与定子的相对位置,定子电极的间距可以非常小。

(2)因为驱动时会产生浮力,所以摩擦力小,在停止时由于存在着吸引力和摩擦力,因此可以获得比较大的保持力。

(3)因为构造简单,所以可以实现以薄膜为基础的大面积多层化结构。

基于上述各点,把这种驱动器作为实现人工筋肉的一种方法,受到了人们的关注。

4.超声波电机

超声波电机的工作原理是用超声波激励弹性体定子,使其表面形成椭圆运动,由于其与转子(或滑块)接触,在摩擦的作用下转子获得推力输出。声波电机的负载特性与DC电机相似,相对于负载增加,转速有垂直下降的趋势,将超声波电机与DC电机进行比较,它的特点有:①可望达到低速、高效率;②同样的尺寸,能得到大的转矩;③能保持大转矩;④无电磁噪声;⑤易控制;⑤外形的自由度大等。

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