工業(yè)機器人的驅(qū)動方式[課堂講課]

1、工業(yè)機器人的驅(qū)動方式,專業(yè)課件,1,一、驅(qū)動裝置的分類,機器人驅(qū)動分為液壓、氣動和電動三種形式,專業(yè)課件,2,1液壓驅(qū)動,分類： 從運動形式來分分為直線驅(qū)動如直線運動液壓缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動如液壓馬達、擺動液壓缸。 從控制分為開環(huán)控制液壓系統(tǒng)和閉環(huán)控制液壓系統(tǒng)。 適用范圍： 液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比，適合于大負載的情形。 液壓驅(qū)動的本質(zhì)優(yōu)點在于它的安全性。如噴漆時要求工作區(qū)域所帶電壓不超過9V,專業(yè)課件,3,莫托曼機器人搬運噴涂機器人,專業(yè)課件,4,專業(yè)課件,5,專業(yè)課件,6,2氣壓驅(qū)動,分類： 直線氣缸，擺動汽缸及旋轉(zhuǎn)氣動馬達。 適用范圍： 適合于節(jié)拍快、負載小且精度要求不高的場合（因為空氣具有

2、可壓縮性,專業(yè)課件,7,3電機驅(qū)動,分類： 按照電機的工作原理不同分為步進電機、直流伺服電機、無刷電機等。 按照控制水平的高低來分分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 適用范圍： 適合于中等負載，特別適合于動作復(fù)雜、運動軌跡嚴格的各類機器人,專業(yè)課件,8,二、對驅(qū)動裝置的要求,驅(qū)動裝置的質(zhì)量盡可能要輕。單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率高。 反應(yīng)速度要快。要求力質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大。 動作平滑，不產(chǎn)生沖擊。 控制靈活，位移偏差和速度偏差小。 安全可靠。 操作維修方便等,專業(yè)課件,9,三、液壓驅(qū)動裝置,專業(yè)課件,10,1實現(xiàn)直線運動的液壓缸,主要構(gòu)成： 主要由活塞、活塞桿、缸體、缸蓋、密封圈、進出油

3、口等構(gòu)成。 工作原理,專業(yè)課件,11,單活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)圖,主要構(gòu)成： 1、18缸蓋 11活塞 12活塞桿 3進、出油口 7、 8、9、 15、16密封圈,專業(yè)課件,12,專業(yè)課件,13,數(shù)字液壓缸,專業(yè)課件,14,數(shù)字液壓缸原理,專業(yè)課件,15,1.1、適合多參數(shù)多系統(tǒng)協(xié)同工作。 1.2、高分辨率運動控制精度。可實現(xiàn)大型機械裝備微米級的運動控制，且響應(yīng)迅速1.3、無損失遠程控制執(zhí)行?？赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)等遠程進行系統(tǒng)的操控。 1.4、運動特性完全數(shù)字化。速度、行程與電脈沖有直接的對應(yīng)關(guān)系， 2、優(yōu)秀的生存力 2.1、高電磁兼容性 2.1.1、高抗干擾。由于傳輸采用數(shù)字脈沖功率信號可控性好。 2.1.2

4、、低電磁輻射。 2.2、抗大加速度沖擊振動。由于數(shù)字液壓器件不采用線性電磁鐵作為控制核心，因此抗沖擊和震動能力大大提高。 2.3、高抗污染。對液壓油的過濾精度沒有嚴格要求，甚至液壓油受到污染，同樣不會造成系統(tǒng)的精度降低，更不會造成嚴重的誤動作甚至是事故。 2.4、寬范圍的工作介質(zhì)。無論采用礦物油還是水基乳化液等都可以很好工作。 2.5、容易實現(xiàn)防爆。 2.6、快速實現(xiàn)自動和手動的轉(zhuǎn)換控制?？梢噪S時通過簡單和輕便的方式實現(xiàn)人工控制，即便是超大載荷，依然可以單手指操控，避免裝備失控。 3、簡單的設(shè)計、使用及維護性,技術(shù)特點,專業(yè)課件,16,2實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動的液壓馬達,液壓馬達是將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能的

5、裝置。從構(gòu)成來看，液壓馬達分為齒輪式、葉片式以及軸向柱塞式,專業(yè)課件,17,葉片式液壓馬達工作原理圖,工作流程： 壓力油進入油腔a作用在葉片2的右側(cè)、葉片1的左側(cè)葉片2伸出面積大推力大推動葉片順時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)至b腔回油帶動中心軸回轉(zhuǎn)液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能,主要構(gòu)成： 缸體 定子 轉(zhuǎn)子 葉片 輸出軸 進油口 出油口 進油腔a 回油腔b,專業(yè)課件,18,葉片式液壓馬達結(jié)構(gòu)圖,6定子 7轉(zhuǎn)子 8葉片,專業(yè)課件,19,數(shù)字液壓馬達,專業(yè)課件,20,3閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)（1,工作原理： 通常用運算放大器做成的伺服放大器向液壓伺服系統(tǒng)中的電液伺服閥提供一個電信號。由電信號控制先導(dǎo)閥再控制一級或兩級液壓放大器，產(chǎn)生足

6、夠的動力去驅(qū)動機器人的機械部件,專業(yè)課件,21,閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖例（1,液壓伺服系統(tǒng)原理圖,專業(yè)課件,22,閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖例（2,用伺服閥控制液壓缸簡化原理圖,專業(yè)課件,23,3閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)（2,核心液壓元件： 在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，核心液壓元件是電液伺服閥。 作用及特點： 電液伺服閥是一種接受電氣模擬信號，輸出相應(yīng)調(diào)制流量和壓力的液壓控制閥。 分類： 電液伺服閥的種類繁多。按液壓放大器的級數(shù)可分為單級、兩級和三級；按第一級液壓放大器的結(jié)構(gòu)分，有滑閥、噴嘴擋板閥、射流管閥等。其中以雙噴嘴擋板閥為最常用,專業(yè)課件,24,3閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)（3,噴嘴擋板閥： 結(jié)構(gòu)：主要由三部分構(gòu)成：力矩馬達、前

7、置級及功率級。前置級接受力矩馬達的控制信號，通過改變噴嘴的大小改變油的流量控制功率閥；功率閥接受前置級的流量信號控制并相應(yīng)動作控制機器人某關(guān)節(jié)動作。 特點：能夠按照控制要求動作。 工作原理： 擋板4處于控制噴嘴5中間位置工作閥芯7不動作力矩馬達1通電擋板4移動改變噴嘴5口徑大小工作閥芯7兩端產(chǎn)生壓差閥芯移動,專業(yè)課件,25,噴嘴擋板閥結(jié)構(gòu)示意圖,力矩馬達,前置閥,功率閥,專業(yè)課件,26,噴嘴擋板閥結(jié)構(gòu)示意圖,專業(yè)課件,27,四、電機驅(qū)動裝置的工作原理,專業(yè)課件,28,1步進電機,概述： 步進電機是一種電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的機電執(zhí)行元件。當有脈沖信號輸入時，步進電機就一步一步的轉(zhuǎn)動，每個輸

8、入脈沖對應(yīng)電機的一個固定轉(zhuǎn)角，故稱為步進電機。步進電機屬于同步電機，多數(shù)情況用做伺服電機，且控制簡單，工作可靠，能夠得到較高的精度。它是唯一能夠以開環(huán)結(jié)構(gòu)用于數(shù)控機床的伺服電動機。 步進電機按其勵磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相等；按其工作原理可分為反應(yīng)式、永磁式合混合式三大類,專業(yè)課件,29,步進電機的基本特點： 步進電機受點脈沖信號的控制。每輸入以各脈沖信號，就變換以磁繞組的通電狀態(tài)，電機就相應(yīng)的轉(zhuǎn)動以步，因此電機的總回轉(zhuǎn)角合輸入脈沖個數(shù)嚴格成正比關(guān)系，電機的轉(zhuǎn)速則正比于脈沖的輸入頻率。改變步進電機的定子繞組的通電順序，可以獲得所需要的轉(zhuǎn)向。改變輸入脈沖頻率，則可以得到所需要的轉(zhuǎn)速（但是

9、不能夠超出極限頻率）。 當步進電機脈沖輸入停止時，只要維持繞組的激勵電流不變，電機保持在原固定位置上，因此可以獲得較高的定位精度，不需要安裝機械制動裝置從而達到精確制動。 誤差不長期積累，轉(zhuǎn)角精度高。由于每轉(zhuǎn)過360后，轉(zhuǎn)子的累積誤差為零，轉(zhuǎn)角精度較高。 反映時間快。 缺點：效率低、沒有過載能力,專業(yè)課件,30,步進電機工作原理圖（1,A相通電,B相通電,C相通電,定子,轉(zhuǎn)子,15,15,專業(yè)課件,31,步進電機驅(qū)動（stepping motor,步進電機驅(qū)動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)。優(yōu)點：控制較容易，維修也較方便，而且控制為全數(shù)字化。缺點：由于開環(huán)控制，所以精度不高,專業(yè)課件,32,相數(shù)

10、：產(chǎn)生不同N、S對磁場的激磁線圈對數(shù),2. 相關(guān)術(shù)語,失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù),拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)。四相四拍運行方式：AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式： A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A,步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。一般步進電機的精度為步距角的3-5%，且不累積,專業(yè)課件,33,保持轉(zhuǎn)距（HOLDING TORQUE）或靜轉(zhuǎn)矩是指電機各相繞組通額定電流，且處于靜態(tài)鎖定狀態(tài)時，電機所能輸出的最大轉(zhuǎn)距。是電機選型時最重要的參數(shù)之一。通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。比如，當說2Nm的步進電機

11、時，在沒有特殊說明的情況下一般是指保持轉(zhuǎn)矩為2Nm的步進電機,定位轉(zhuǎn)矩是指電機各相繞組不通電且處于開路狀態(tài)時，由于混合式電機轉(zhuǎn)子上有永磁材料產(chǎn)生磁場，從而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。一般定位轉(zhuǎn)矩遠小于保持轉(zhuǎn)距。是否存在定位轉(zhuǎn)距是混合式步進電機區(qū)別于反應(yīng)式步進電機的重要標志。 DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯,專業(yè)課件,34,細分驅(qū)動器的原理,驅(qū)動器細分后的主要優(yōu)點： （1）完全消除了電機的低頻振蕩。 （2）同時也提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩。 （3）提高了電機的分辨率,通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉(zhuǎn)的,專業(yè)課件,35,3. 運行矩頻特性,4. 步進電機驅(qū)動的特

12、點 控制系統(tǒng)簡單可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高負載或高速度時易失步，低速運行時會產(chǎn)生步進運行現(xiàn)象,在這個輸出轉(zhuǎn)矩區(qū)間，步進電機啟動時的輸入脈沖頻率必須緩慢增加,專業(yè)課件,36,1、實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題； 2、高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達到20003000轉(zhuǎn)； 3、抗過載能力強，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用； 4、低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產(chǎn)生類似于步進電機的步進運行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合； 5、電機加減速的動態(tài)相響應(yīng)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)； 6、發(fā)熱和噪音明顯降低,伺服電機與步進電機比較,伺

13、服電機的優(yōu)勢,專業(yè)課件,37,超聲波電機（一種未來很有希望的電機,特點： 超聲波電機具有體積小，重量輕，不用制動器，速度和位置控制靈敏度高，轉(zhuǎn)子慣性小，響應(yīng)性能好，沒有電磁噪聲等普通電機不具備的優(yōu)點,工作原理：當給壓電陶瓷施加一定方向的電壓時，各部分產(chǎn)生的應(yīng)變方向相反（在正電壓作用下，+的部分伸長，-的部分壓縮），+、-部分交替相接。在交流電壓的作用下，壓電陶瓷就會沿圓周方向產(chǎn)生交替的伸縮變形，定子彈性體的上下運動產(chǎn)生駐波。此外，由于重疊在一起的兩片壓電陶瓷的相位差為90O，所以，在形成駐波的同時也會在水平方向形成行波。這樣，在駐波和行波的合成波的作用下，使定子作橢圓運動軌跡的振動。這樣，裝在

14、定子上的轉(zhuǎn)子在摩擦力的作用下就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。同樣也有直線運動的超聲波電機,專業(yè)課件,38,直接驅(qū)動電機（direct drive:DD,優(yōu)點：不用齒輪減速器直接驅(qū)動，因此具有無間隙、摩擦小、機械剛度高等優(yōu)點，可以實現(xiàn)高速、高精度的位置控制和微小力控制,這是什么,種類：直流力矩電機、無刷直流電機、VR式電機等,缺點：因為沒有減速機構(gòu)，所以容易受載荷的影響,專業(yè)課件,39,專業(yè)課件,40,專業(yè)課件,41,專業(yè)課件,42,驅(qū)動滾軸絲桿 如下圖，3相步進電機（1.2/步）驅(qū)動物體運動1秒鐘，則必要脈沖數(shù)和驅(qū)動脈沖速度的計算方法如下,自啟動方式驅(qū)動1秒鐘，則驅(qū)動脈沖速度應(yīng)該這樣計算： 3000Pulse/1sec=3kHz 但是，啟動速度不可能是3kHz，應(yīng)該采用加/減速運行方式來驅(qū)動。 設(shè)：加/減速時間設(shè)置為定位時間的25%，啟動脈沖速度為500Hz，則,專業(yè)課件,43,如上圖，3相步進電機（1.2/步）驅(qū)動物體運動1秒鐘。驅(qū)動輪的周長即旋轉(zhuǎn)一圈移動的距離大約為50mm。 因此，所需要的必要脈沖數(shù)為,1.2驅(qū)動傳動帶,專業(yè)課件,44,步進電機與單片機的接口