CN106737642A - 基于双伺服电机的减速驱动装置、驱动系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于双伺服电机的减速驱动装置、驱动系统及控制方法，该减速驱动装置采用双伺服电机与蜗轮蜗杆结合，两伺服电机各带有蜗杆并同时蜗轮转动，这样可以得到较大的传动比，承载能力强，驱动力矩大，利用两伺服电机各自正反转达到一定涨力即可消除间隙，结构稳定可靠，适用于工业机器人驱动系统，能够提供较高的控制精确度，避免因长时间使用而造成间隙变大，也减少震动现象的产生，具有较高的输出稳定性，成本低于谐波减速机，实用性更高；同时还提供应用于该驱动系统的控制方法，保证相向运动消隙时达到设定的力矩值，也保证正向或反向运动时，两伺服电机之间的力矩值差值的一致性，这样就保证在运动过程中也达到间隙消除的作用。

Description

基于双伺服电机的减速驱动装置、驱动系统及控制方法

技术领域

本发明涉及工业机器人伺服驱动及减速机的技术领域，尤其是一种基于双伺服电机的减速驱动装置、应用该减速驱动装置的驱动系统及消除输出间隙的控制方法。

背景技术

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行。目前工业机器人使用的减速机通常为谐波减速机，谐波减速机利用柔轮、波发生器等作为传动部件，具有传动间隙小、传动效率高、精度高等特点，但谐波减速机存在以下不足：

1、驱动力矩较小；2、加工精度要求高，从而价格贵，通常为3000多元以上，进口更达到6000元一个。3、谐波减速机长时间使用后，间隙会变大，因机械臂长度数十倍于减速机的半径，会将间隙量放大，导致定位精度严重下降。4、谐波减速机运动为圆周运动，伺服电机也是圆周运动。所以当谐波减速因外力的变化导致受力变化时，会作用到伺服电机上，引起伺服电机的应激反应，从而导致伺服电机调整参数的困难，也会因电机的应激反应导致运动的震动，从而也影响到精度及速度。5、谐波减速机为单边输出，所以机器人因刚性等要求，通常将机械臂做得很厚很重，从而进一步加大了伺服电机的功率要求以及整个机器人的重量。6、谐波减速机不具备自锁功能，所以机器人必须在伺服电机轴上加上刹车装置，导致成本增加。7、机器人按伺服电机接谐波减速作为一个旋转关节的情况下，机器人的接线只能从电机旁边走线，而线路不能跟着关节作旋转时，就限制到关节的旋转角度，从而导致机器人的工作范围大大降低。如果是采用中空谐波减速机加皮带加电机的结构，这样的结构可以实现接线从中空谐波减速机穿过。但成本会增大，中空谐波减速机比普通贵30%，机构会更复杂。

发明内容

为了解决现有工业机器人的谐波减速机存在的不足，本发明提供一种基于双伺服电机的减速驱动装置，以及应用该减速驱动装置的驱动系统和控制方法，能够更好地适用于工业机器人，结构实用可靠。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于双伺服电机的减速驱动装置，包括壳体，所述壳体内设有第一伺服电机、第二伺服电机和驱动电路板，所述第一伺服电机与第二伺服电机的输出端均设有蜗杆，所述壳体内还设有由两蜗杆同步驱动的蜗轮，所述蜗轮带有输出轴，所述第一伺服电机与第二伺服电机均由驱动电路板输出驱动。利用第一伺服电机与第二伺服电机双驱动输出，采用双蜗杆配合蜗轮进行传动，驱动力矩大，能有效起到消隙作用，长时间使用，传动间隙不会变大。

优选的，所述蜗轮置于两蜗杆之间，所述蜗轮的输出轴垂直于蜗杆轴向或与蜗杆同轴向。蜗轮可采用两种不同的传动输出方向，能够灵活匹配工业机器人机械臂的安装。

优选的，所述两蜗杆的端部分别设有蜗杆轴承，所述蜗杆轴承固定在壳体上。

优选的，所述蜗轮上设有蜗轮轴承，所述蜗轮通过蜗轮轴承固定在壳体上。

优选的，所述驱动电路板上集成有伺服驱动器和绝对值编码器。绝对值编码器分别对应两个伺服电机，同步获取两伺服电机的编码位置，双伺服电机采用同一伺服驱动器控制，实现同步驱动输出，驱动精确度高，也可用双伺服电机双伺服驱动来进行控制。

一种工业机器人的驱动系统，包括至少一个上述的减速驱动装置，所述减速驱动装置安装于工业机器人的机械臂上，所述蜗轮通过输出轴连接机械臂的驱动轴。减速驱动装置的蜗轮可采用两端输出驱动机械臂，工业机器人的机械臂就大大增加了其受力力臂长度，从而用更薄更轻的材料，也能使机器人达到更好的刚性及速度。根据机械臂的驱动轴数量设置减速驱动装置的数量，即在机械臂的每个驱动轴位置设置减速驱动装置，减速驱动装置通过双伺服电机输出驱动蜗轮转动，由蜗轮带动机械臂的驱动轴转动，这样，通过驱动轴带动机械臂摆动以完成各种不同的操作。

优选的，所述蜗轮的输出轴为中空结构，所述输出轴的两端向蜗轮两侧延伸并同时连接有机械臂。蜗轮采用中空输出轴，方便走线穿过输出轴，解决因关节是旋转运动的走线问题。

一种适用于上述驱动系统的控制方法，包括以下消隙步骤：

S1：控制第一伺服电机正转，同时第二伺服电机反转，使两蜗杆均与蜗轮接触；

S2：然后设置两伺服电机的输出扭矩恒定；

S3：记录第一伺服电机与第二伺服电机的编码位置，作为原点；

S4：根据驱动信号进行位置伺服控制；

S5：检测是否有驱动信号指令：当检测到驱动信号指令时，两伺服电机同步运行；否则，返回运行步骤S4。

上述步骤中，当两伺服电机运行一段时间后，重复S1到S5步骤进行再次消隙，所述运行时间有程序设定控制。采用定时消隙功能，长时间使用也不会因磨损导致间隙变大。

本发明的有益效果：本发明的减速驱动装置采用双伺服电机与蜗轮蜗杆结合，两伺服电机各带有蜗杆并同时蜗轮转动，这样可以得到较大的传动比，承载能力强，驱动力矩大，利用两伺服电机各自正反转达到一定涨力即可消除间隙，可实现零间隙输出，且蜗轮蜗杆机构具有自锁功能，不需要在伺服电机另加刹车装置，结构稳定可靠，适用于工业机器人驱动系统，能够提供较高的控制精确度，避免因长时间使用而造成间隙变大。也减少震动现象的产生，具有较高的输出稳定性，成本低于谐波减速机，实用性更高；同时还提供应用于该驱动系统的控制方法，保证相向运动消隙时达到设定的力矩值，也保证正向或反向运动时，两伺服电机之间的力矩值差值的一致性，这样就保证在运动过程中也达到间隙消除的作用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

图1是本发明的减速驱动装置的一种结构示意图；

图2是图1的背面结构示意图；

图3是本发明的减速驱动装置与机械摆动臂连接的结构示意图；

图4是本发明的减速驱动装置的另一种结构示意图；

图5是本发明的驱动系统中实施例一的结构示意图；

图6是本发明的驱动系统中实施例二的结构示意图；

图7是本发明中驱动系统的控制方法的流程图；

图8是本发明的消隙过程中两蜗杆同时与蜗轮接触的结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

参见图1，本发明提供的一种基于双伺服电机的减速驱动装置，包括壳体5，所述壳体5内设有第一伺服电机1、第二伺服电机2和驱动电路板6，所述第一伺服电机1与第二伺服电机2的输出端均设有蜗杆3，所述壳体5内还设有由两蜗杆3同步驱动的蜗轮4，所述蜗轮4带有输出轴41，所述第一伺服电机1与第二伺服电机2均由驱动电路板6输出驱动。采用双伺服电机与蜗轮4蜗杆结合，两伺服电机各带有蜗杆3并同时带动蜗轮4转动，这样可以得到较大的传动比，承载能力强，驱动力矩大，利用两伺服电机各自正反转达到一定涨力即可消除间隙，长时间使用，传动间隙不会变大，结构稳定可靠。

如图1和2所示，两伺服电机并排设置且两蜗杆3相互平行，所述蜗轮4置于两蜗杆3之间，所述蜗轮4的输出轴41垂直于蜗杆3轴向，这样，通过蜗轮4蜗杆的传动结构改变输出方向，传递两交错轴之间的动力，将两伺服电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩，降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按伺服电机输出乘减速比，图3所示为减速驱动装置与机械摆动臂7连接的结构示意图。

如图4所示，两伺服电机并排设置且两蜗杆3相互平行，所述蜗轮4置于两蜗杆3之间，所述蜗轮4的输出轴41与蜗杆3同轴向，该蜗轮4蜗杆结构在不改变输出方向的前提下，也能够得到较大的转矩。蜗轮4采用两种不同的传动方向，能够灵活匹配工业机器人机械臂8的安装。

上述两蜗杆3的端部分别设有蜗杆轴承31，所述蜗杆轴承31固定在壳体5上。所述蜗轮4上设有蜗轮轴承42，所述蜗轮4通过蜗轮轴承42固定在壳体5上。这样，蜗轮4蜗杆在工作时更稳定，有效避免蜗轮4蜗杆产生震动。蜗轮4受到的圆周力会作用于蜗杆3齿面，从而引起蜗杆3安装轴承受力，不会影响到伺服电机。所以当外力变化时，不会影响到伺服电机受力，不会引起伺服电机应激发应，从而更容易调整伺服电机参数，机器臂的运动更平衡更快速.

优选的，所述驱动电路板6上集成有伺服驱动器和绝对值编码器。具体的，驱动电路板6固定安装在壳体5上，采用的绝对值编码器为磁式绝对值编码器，两伺服电机的转轴上分别设有与绝对值编码器对应的磁钢，通过绝对值编码器能够准确感应磁场的变化，绝对值编码器能够记忆输出轴41的绝对位置，角度和圈数，即一旦位置、角度和圈数固定，任何时候绝对值编码器的示值都唯一固定，包括停电后上电。绝对值编码器同步获取两伺服电机的编码位置，双伺服电机采用同一伺服驱动器控制，也可采用独立的伺服驱动器控制，实现同步驱动输出，驱动精确度高。

参见图5，本发明还提供一种工业机器人的驱动系统，包括至少一个减速驱动装置，减速驱动装置安装在工业机器人的机械臂8上，用于驱动机械臂8摆动。实施例一，所述蜗轮4通过输出轴41连接机械臂8的驱动轴，蜗轮4采用单侧的输出轴41进行驱动。根据机械臂8的驱动轴数量设置减速驱动装置的数量，即在机械臂8的每个驱动轴位置设置减速驱动装置，减速驱动装置通过双伺服电机输出驱动蜗轮4转动，由蜗轮4带动机械臂8的驱动轴转动，这样，通过驱动轴带动机械臂8摆动以完成工业机器人的位置伺服功能。

参见图6，实施例二，蜗轮4的输出轴41为中空结构，输出轴41的两端均连接有机械摆动臂7，蜗轮4运转时，两侧的机械摆动臂7同步摆动。另外，该实施例中，还包括有旋转座9，所述机械摆动臂7与减速驱动装置均安装于旋转座9上，旋转座9安装在底座10上，所述旋转座9也由减速驱动装置驱动旋转，旋转座9旋转带动两机械摆动臂7转动，实现机械摆动臂7的水平方向转动。蜗轮4采用中空输出轴41，方便走线穿过输出轴41，解决因关节是旋转运动的走线问题。

上述的减速驱动装置的蜗轮采用两端输出驱动机械臂，工业机器人的机械臂8就大大增加了其受力力臂长度，从而用更薄更轻的材料，上述的两端机械臂分别由轻薄板材折弯而成，也能使机器人达到更好的刚性及速度。上述的实施例中，采用运动控制器作为控制装置，运动控制器包括处理模块、输出驱动模块以及用于供电的电源模块，所述处理模块通过无线模块获取机械臂的驱动程序，所述输出驱动模块接收来自处理模块的驱动信号并分别输出驱动各减速驱动装置，具体的，处理模块与减速驱动装置的驱动电路板6建立通信连接。输出驱动模块完成各种状态和控制命令的输出，包括机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。本发明的驱动系统能够提供较高的控制精确度，避免因长时间使用而造成间隙变大，也减少震动现象的产生，具有较高的输出稳定性，区别于现有的机械臂驱动结构，成本低于谐波减速机，实用性更高。

上述的运动控制器内还设有用于储存驱动程序的存储模块，具体的，存储模块存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。处理模块从存储模块中获取工业机器人的驱动程序。另外，处理模块可通过无线模块与机器人示教器建立无线连接，机器人示教器用于远程遥控操作工业机器人，实现信息交互，通过机器人示教器可以控制工作轨迹和设定参数，以及进行人机交互操作。

如图8所示，还有，一种适用于上述驱动系统的控制方法，包括步骤，

S1：首先上电，控制第一伺服电机1正转，同时第二伺服电机2反转，使两蜗杆3均与蜗轮4接触；

S2：然后设置两伺服电机的输出扭矩恒定；

S3：记录第一伺服电机1与第二伺服电机2的编码位置，作为原点；

S4：根据驱动信号进行位置伺服控制；

S5：检测是否有驱动信号指令：当检测到驱动信号指令时，两伺服电机同步运行；否则，返回运行步骤S4。

具体过程为，在通电前，两蜗杆3的齿均与蜗轮4的齿之间存在间隙，当第一伺服电机1正转时，第一伺服电机1的蜗杆3与蜗轮4接触，同时，第二伺服电机2反转，使其输出蜗杆3也与蜗轮4接触，此时，蜗轮4受到两反向力的作用，图8所示为两蜗杆3与蜗轮4同时接触的结构示意图，此时，间隙得到消除；当蜗轮4沿任一方向转动时，至少有一蜗杆3保持与蜗轮接触，即伺服电机启动时不会出现间隙，这样实现消除间隙。

上述步骤中，当两伺服电机运行一段时间后，重复S1到S5步骤进行再次消隙，所述运行时间有程序设定控制。由于伺服电机存在长时间使用会出现磨损问题，采用定时消隙功能，长时间使用也不会因磨损导致间隙变大。

采用上述控制方法应用于上述的驱动系统，这样可以实现驱动伺服电机同时正向、反向或相向运动，并且采用力矩来进行控制，保证相向运动消隙时达到设定的力矩值，即绝对值之和是设定值，也保证正向或反向运动时，两伺服电机之间的力矩值差值与绝对值之和相等，这样就保证在运动过程中也达到间隙消除的作用。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式的结构，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于双伺服电机的减速驱动装置，包括壳体，所述壳体上设有第一伺服电机、第二伺服电机和驱动电路板，其特征在于：所述第一伺服电机与第二伺服电机的输出端均设有蜗杆，所述壳体内还设有由两蜗杆同步驱动的蜗轮，所述蜗轮带有输出轴，所述第一伺服电机与第二伺服电机均由驱动电路板输出驱动。

2.根据权利要求1所述的基于双伺服电机的减速驱动装置，其特征在于：所述蜗轮置于两蜗杆之间，所述蜗轮的输出轴垂直于蜗杆轴向或与蜗杆同轴向。

3.根据权利要求2所述的基于双伺服电机的减速驱动装置，其特征在于：所述两蜗杆的端部分别设有蜗杆轴承，所述蜗杆轴承固定在壳体上。

4.根据权利要求3所述的基于双伺服电机的减速驱动装置，其特征在于：所述蜗轮上设有蜗轮轴承，所述蜗轮通过蜗轮轴承固定在壳体上。

5.根据权利要求1所述的基于双伺服电机的减速驱动装置，其特征在于：所述驱动电路板上集成有伺服驱动器和绝对值编码器。

6.一种工业机器人的驱动系统，其特征在于：包括至少一个上述权利要求1-5任一所述的减速驱动装置，所述减速驱动装置安装于工业机器人的机械臂上，所述蜗轮通过输出轴连接机械臂的驱动轴。

7.根据权利要求6所述的驱动系统，其特征在于：所述蜗轮的输出轴为中空结构，所述输出轴的两端向蜗轮两侧延伸并同时连接有机械臂。

8.一种适用于上述权利要求6或7所述的驱动系统的控制方法，其特征在于：包括以下消隙步骤：

S1：控制第一伺服电机正转，同时第二伺服电机反转，使两蜗杆均与蜗轮接触；

S2：然后设置两伺服电机的输出扭矩恒定；

S3：记录第一伺服电机与第二伺服电机的编码位置，作为原点；

S4：根据驱动信号进行位置伺服控制；

S5：检测是否有驱动信号指令：当检测到驱动信号指令时，两伺服电机同步运行；否则，返回运行步骤S4。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：当两伺服电机运行一段时间后，重复S1到S5步骤进行再次消隙。