工業(yè)機器人驅動與控制系統

1、4.1 4.1 工業(yè)機器人驅動系統工業(yè)機器人驅動系統4.2 4.2 工業(yè)機器人控制系統工業(yè)機器人控制系統4.3 4.3 工業(yè)機器人典型控制方法工業(yè)機器人典型控制方法4.4 4.4 工業(yè)機器人控制系統構成工業(yè)機器人控制系統構成4.5 4.5 工業(yè)機器人使用的傳感器工業(yè)機器人使用的傳感器2022-3-29機電工程學院12022-3-29機電工程學院24.1 4.1 工業(yè)機器人驅動系統工業(yè)機器人驅動系統4.1.1 4.1.1 驅動系統分類驅動系統分類按動力源劃分液壓驅動系統氣動驅動系統電動驅動系統復合式驅動系統新型驅動系統基本驅動類型2022-3-29機電工程學院3由一般的發(fā)動機帶動液壓泵，液壓泵轉

2、動形成高壓液由一般的發(fā)動機帶動液壓泵，液壓泵轉動形成高壓液流（也就是動力），液壓管路將高壓液體（一般是液流（也就是動力），液壓管路將高壓液體（一般是液壓油）接到液壓馬達，是液壓馬達轉動，形成驅動力。壓油）接到液壓馬達，是液壓馬達轉動，形成驅動力。 液壓驅動液壓驅動2022-3-29機電工程學院4與液壓驅動相似，傳動介質不同。利用氣與液壓驅動相似，傳動介質不同。利用氣體的抗擠壓力來實現力的傳遞。體的抗擠壓力來實現力的傳遞。氣動驅動氣動驅動氣動執(zhí)行裝置的種類：氣缸、氣動馬達。氣動執(zhí)行裝置的種類：氣缸、氣動馬達。2022-3-29機電工程學院5電動驅動是一種將電信號轉換成角位移或線位電動驅動是一種將

3、電信號轉換成角位移或線位移的驅動方法。比如步進電動機是將電脈沖信號移的驅動方法。比如步進電動機是將電脈沖信號轉化為位移或者是角位移的驅動方法。轉化為位移或者是角位移的驅動方法。電動驅動電動驅動2022-3-29機電工程學院6新型執(zhí)行裝置：新型執(zhí)行裝置：壓電執(zhí)行裝置：利用在壓電陶瓷等材料上施加電壓而產生變壓電執(zhí)行裝置：利用在壓電陶瓷等材料上施加電壓而產生變形的壓電效應。形的壓電效應。形狀記憶合金執(zhí)行裝置：利用鎳鈦合金等材料具有的形狀隨形狀記憶合金執(zhí)行裝置：利用鎳鈦合金等材料具有的形狀隨溫度變化，溫度恢復時形狀也恢復的形狀記憶性質。溫度變化，溫度恢復時形狀也恢復的形狀記憶性質。數字計算機執(zhí)行裝置（

4、電機、液壓等）執(zhí)行機構（臂、手等）傳感器（視覺、觸覺等）環(huán)境（控制對象）運動控制卡A/D驅動器端子板圖像采集卡2022-3-29機電工程學院7三種基本驅動系統的主要性能特點三種基本驅動系統的主要性能特點內容液壓驅動氣動驅動電動驅動輸出功率很大,壓力范圍為:501400N/cm2,液體的不可壓縮性大壓力范圍為4060N/cm2，最大可達100N/cm2較大控制性能控制精度較高，可無級調速，反應靈敏，可實現連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現伺服控制控制精度高，能精確定位，反應靈敏?？蓪崿F高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統復雜2022-3-29機電工程

5、學院8三種基本驅動系統的主要性能特點三種基本驅動系統的主要性能特點內容液壓驅動氣動驅動電動驅動響應速度很高較高很高結構性能及體積執(zhí)行機構可標準化、模塊化，易實現直接驅動,功率質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較大執(zhí)行機構可標準化、模塊化、易實現直接驅動功率質量比較大，體積小，結構緊湊，密封問題較小伺服電動機易于標準化。結構性能好，噪聲低。電動機一般需配置減速裝置。除DD電動機外，難以進行直接驅動，結構緊湊，無密封問題。安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質，在一定條件下有火災危險防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應注意設備的抗壓性設備自身無爆炸和火災危險。直流有刷電動機換向時有

6、火花，對環(huán)境的防爆性能較差2022-3-29機電工程學院9三種基本驅動系統的主要性能特點三種基本驅動系統的主要性能特點內容液壓驅動氣動驅動電動驅動對環(huán)境的影響泄漏對環(huán)境有污染排氣時有噪聲很小效率與成本效率中等(0.30.6)，液壓元件成本較高效率低(0.150.2)，氣源方便、結構簡單，成本低效率為O.5左右，成本高維修及使用方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求方便較復雜在工業(yè)機器人中應用范圍適用于重載、低速驅動，電液伺服系統適用于噴涂機器人、重載點焊機器人和搬運機器人適用于中小負載，快速驅動，精度要求較低的有限點位程序控制機器人。如沖壓機器人、機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具適用于中小負

7、載，要求具有較高的位置控制精度，速度較高的機器人。如AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等2022-3-29機電工程學院104.1.2 4.1.2 驅動系統設計的選用原則驅動系統設計的選用原則一般情況下，各種機器人驅動系統的設計選用原一般情況下，各種機器人驅動系統的設計選用原則：則：1 1）控制方式）控制方式2 2）作業(yè)環(huán)境要求）作業(yè)環(huán)境要求3 3）操作運行速度）操作運行速度低速重負載時可選用液壓驅動系統；中等負載時可選用電動驅動系統；輕負載時可選用電動驅動系統；輕負載、高速時可選用氣動驅動系統2022-3-29機電工程學院114.1.2 4.1.2 驅動系統設計的選用原則驅

8、動系統設計的選用原則一般情況下，各種機器人驅動系統的設計選用原一般情況下，各種機器人驅動系統的設計選用原則：則：1 1）控制方式）控制方式2 2）作業(yè)環(huán)境要求）作業(yè)環(huán)境要求3 3）操作運行速度）操作運行速度從事噴涂作業(yè)的工業(yè)機器人，由于工作環(huán)境需要防爆，考慮到其防爆性能，多采用電液伺服驅動系統和具有本征防爆的交流電動伺服驅動系統。2022-3-29機電工程學院124.1.2 4.1.2 驅動系統設計的選用原則驅動系統設計的選用原則一般情況下，各種機器人驅動系統的設計選用原一般情況下，各種機器人驅動系統的設計選用原則：則：1 1）控制方式）控制方式2 2）作業(yè)環(huán)境要求）作業(yè)環(huán)境要求3 3）操作運

9、行速度）操作運行速度在腐蝕性、易燃易爆氣體、放射性物質環(huán)境中工作的移動機器人，一般采用交流伺服驅動。如要求在潔凈環(huán)境中使用，則多要求采用直接驅動(Direct DriveDD)電動機驅動系統。2022-3-29機電工程學院134.1.2 4.1.2 驅動系統設計的選用原則驅動系統設計的選用原則一般情況下，各種機器人驅動系統的設計選用原一般情況下，各種機器人驅動系統的設計選用原則：則：1 1）控制方式）控制方式2 2）作業(yè)環(huán)境要求）作業(yè)環(huán)境要求3 3）操作運行速度）操作運行速度要求其有較高的點位重復精度和較高的運行速度，通常在速度相對較低(4.5ms) 情況下，可采用AC、DC或步進電動機伺服驅

10、動系統；在速度、精度要求均很高的條件下，多采用直接驅動(DD)電動機驅動系統。2022-3-29機電工程學院144.1.3 4.1.3 工業(yè)機器人主要的驅動系統工業(yè)機器人主要的驅動系統工業(yè)機器人主要的驅動系統：工業(yè)機器人主要的驅動系統：電液伺服驅動系統、電液伺服驅動系統、氣動驅動系統、電動驅動系統氣動驅動系統、電動驅動系統。早期的機械手和機器人中，其操作機多應用連桿早期的機械手和機器人中，其操作機多應用連桿機構中的導桿、滑塊、曲柄，多采用液壓機構中的導桿、滑塊、曲柄，多采用液壓( (氣壓氣壓) )活塞缸活塞缸( (或回轉缸或回轉缸) )來實現其直線和旋轉運動。來實現其直線和旋轉運動。隨著控制技

11、術的發(fā)展，對機器人操作機各部分動隨著控制技術的發(fā)展，對機器人操作機各部分動作要求的不斷提高，電動機驅動在機器人中應用作要求的不斷提高，電動機驅動在機器人中應用日益廣泛。日益廣泛。2022-3-29機電工程學院151 1、電液伺服驅動系統、電液伺服驅動系統電液伺服驅動控制系統是由電氣信號處理單元與電液伺服驅動控制系統是由電氣信號處理單元與液壓功率輸出單元組成的閉環(huán)控制系統。液壓功率輸出單元組成的閉環(huán)控制系統。具有具有控制精度高、響應速度快、信號處理靈活、控制精度高、響應速度快、信號處理靈活、輸出功率大、結構緊湊、功率質量比輸出功率大、結構緊湊、功率質量比大等特點，大等特點，在機器人驅動系統中得到

12、廣泛應用。在機器人驅動系統中得到廣泛應用。采用電液伺服系統的工業(yè)機器人，具有采用電液伺服系統的工業(yè)機器人，具有點位控制點位控制和和連續(xù)軌跡控制連續(xù)軌跡控制功能，并具有功能，并具有防爆性能防爆性能。2022-3-29機電工程學院16電液伺服驅動的工業(yè)機器人所采用的電液轉換和電液伺服驅動的工業(yè)機器人所采用的電液轉換和功率放大元件有功率放大元件有電液伺服閥、電液比例閥電液伺服閥、電液比例閥等。等。電液伺服動力機構：電液伺服馬達、電液伺服液電液伺服動力機構：電液伺服馬達、電液伺服液壓缸、電液步進馬達、電液步進液壓缸、液壓回壓缸、電液步進馬達、電液步進液壓缸、液壓回轉伺服執(zhí)行器等。轉伺服執(zhí)行器等。采用電

13、液伺服驅動的工業(yè)機器人系統設計中，應采用電液伺服驅動的工業(yè)機器人系統設計中，應注意注意伺服閥的布置伺服閥的布置，以，以使伺服閥與驅動器之間連使伺服閥與驅動器之間連接的管線距離最短接的管線距離最短，以，以提高系統的動態(tài)響應提高系統的動態(tài)響應。系統動力源壓力以適中為宜系統動力源壓力以適中為宜6896891379kPa1379kPa，回，回油管以及油冷卻器必須按一定的尺寸制造，以利油管以及油冷卻器必須按一定的尺寸制造，以利熱量散發(fā)，保護回路中的部件。熱量散發(fā)，保護回路中的部件。2022-3-29機電工程學院172 2、氣動驅動系統、氣動驅動系統氣動驅動系統多用于：兩位式或有限點位控制的氣動驅動系統多

14、用于：兩位式或有限點位控制的工業(yè)機器人工業(yè)機器人( (如沖壓機器人如沖壓機器人) )中；作為裝配機器人中；作為裝配機器人的氣動夾具；用于點焊等較大型通用機器人的氣的氣動夾具；用于點焊等較大型通用機器人的氣動平衡中。動平衡中。機器人氣動驅動結構機器人氣動驅動結構2022-3-29機電工程學院18機器人氣動驅動結構圖機器人氣動驅動結構圖包括空氣壓縮包括空氣壓縮機、儲氣罐、機、儲氣罐、汽水分離器、汽水分離器、調壓過濾器等調壓過濾器等由分水濾由分水濾氣器、調氣器、調壓器和油壓器和油霧器組成霧器組成包括電磁氣包括電磁氣閥、節(jié)流調閥、節(jié)流調速閥和減速速閥和減速壓閥等壓閥等多采用直多采用直線氣缸和線氣缸和擺

15、動氣缸擺動氣缸2022-3-29機電工程學院193 3、電動驅動系統、電動驅動系統機器人電動伺服驅動系統是機器人電動伺服驅動系統是利用各種電動機產生利用各種電動機產生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體以獲的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體以獲得機器人的各種運動得機器人的各種運動的執(zhí)行機構。的執(zhí)行機構。要求有較大功率質量比和扭矩慣量比、高起動轉要求有較大功率質量比和扭矩慣量比、高起動轉矩、低慣量和較寬廣且平滑的調速范圍。矩、低慣量和較寬廣且平滑的調速范圍。伺服電動機必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并伺服電動機必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時過載能力。且具有較大的短時過載能力

16、。機器人末端執(zhí)行器機器人末端執(zhí)行器( (手爪手爪) )應采用體積、質量盡可應采用體積、質量盡可能小的電動機。能小的電動機。2022-3-29機電工程學院20電動驅動系統電動驅動系統對關節(jié)驅動電機的主要要求：對關節(jié)驅動電機的主要要求：1 1）快速性）快速性2 2）起動轉矩慣量比大）起動轉矩慣量比大3 3）控制特性的連續(xù)性和直線性）控制特性的連續(xù)性和直線性4 4）調速范圍寬）調速范圍寬5 5）體積小、質量小、軸向尺寸短）體積小、質量小、軸向尺寸短6 6）可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在）可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內承受過載短時間內承受過載2022-3-29機電工程學

17、院21電動機驅動方式應用類型一般可分為電動機驅動方式應用類型一般可分為直流伺服電動機直流伺服電動機驅動、交流伺服電動機驅動、步進電動機驅動驅動、交流伺服電動機驅動、步進電動機驅動等。在等。在工業(yè)機器人中，交流伺服電動機、直流伺服電動機、工業(yè)機器人中，交流伺服電動機、直流伺服電動機、直接驅動電動機直接驅動電動機(DD)(DD)都采用閉環(huán)控制，常用于位置精都采用閉環(huán)控制，常用于位置精度和速度要求高的機器人中。度和速度要求高的機器人中。目前，一般負載目前，一般負載1000N1000N以下的工業(yè)機器人大多采用以下的工業(yè)機器人大多采用電電伺服驅動系統伺服驅動系統。所采用的關節(jié)驅動電動機主要是。所采用的關

18、節(jié)驅動電動機主要是ACAC伺伺服電動機，步進電動機和服電動機，步進電動機和DCDC伺服電動機。伺服電動機。交流伺服電動機交流伺服電動機由于采用電子換向，無換向火花，在由于采用電子換向，無換向火花，在易燃易爆環(huán)境中得到了廣泛使用。易燃易爆環(huán)境中得到了廣泛使用。步進電動機步進電動機主要適主要適于開環(huán)控制系統，一般用于位置和速度精度要求不高于開環(huán)控制系統，一般用于位置和速度精度要求不高的環(huán)境。的環(huán)境。機器人關節(jié)驅動電動機的功率范圍機器人關節(jié)驅動電動機的功率范圍般為般為0.10.110kW10kW。2022-3-29機電工程學院224.1.4 4.1.4 工業(yè)機器人驅動系統中的電動機驅動器工業(yè)機器人驅

19、動系統中的電動機驅動器1 1、工業(yè)機器人電動機驅動原理、工業(yè)機器人電動機驅動原理直流電機直流電機驅動（驅動（DC motor）止口止口直流電動機通過直流電動機通過換向器將直流轉換向器將直流轉換成電樞繞組中換成電樞繞組中的交流，從而使的交流，從而使電樞產生一個恒電樞產生一個恒定方向的電磁轉定方向的電磁轉矩。矩。T=BILr換向器換向器電刷電刷2022-3-29機電工程學院242 2、工業(yè)機器人采用的電動機驅動器、工業(yè)機器人采用的電動機驅動器電動機驅動器類型包括：直流伺服電動機驅動器、同電動機驅動器類型包括：直流伺服電動機驅動器、同步式交流伺服電動機驅動器、步進電動機驅動器、直步式交流伺服電動機驅

20、動器、步進電動機驅動器、直接驅動、特種驅動器。接驅動、特種驅動器。1 1直流伺服電動機驅動器直流伺服電動機驅動器直流伺服電動機驅動器多采用脈寬調制直流伺服電動機驅動器多采用脈寬調制(PWM)(PWM)伺服驅伺服驅動器，通過改變脈沖寬度來改變加在電動機電樞兩端動器，通過改變脈沖寬度來改變加在電動機電樞兩端的平均電壓，從而改變電動機的轉速。的平均電壓，從而改變電動機的轉速。 PWM PWM伺服驅動器具有調速范圍寬、低速特性好、伺服驅動器具有調速范圍寬、低速特性好、響應快、效率高、過載能力強等特點，在工業(yè)機器人響應快、效率高、過載能力強等特點，在工業(yè)機器人中常作為直流伺服電動機驅動器中常作為直流伺服

21、電動機驅動器2022-3-29機電工程學院252 2同步式交流伺服電動機驅動器同步式交流伺服電動機驅動器 同直流伺服電動機驅動系統相比，同步式交流伺服電同直流伺服電動機驅動系統相比，同步式交流伺服電動機驅動器具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等動機驅動器具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等優(yōu)點，在工業(yè)機器人中得到廣泛應用。優(yōu)點，在工業(yè)機器人中得到廣泛應用。 同步式交流伺服電動機驅動器通常采用電流型脈寬調同步式交流伺服電動機驅動器通常采用電流型脈寬調制制(PWM)(PWM)三相逆變器和具有電流環(huán)為內環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)三相逆變器和具有電流環(huán)為內環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多閉環(huán)控制系統，以實現對三相永

22、磁同步伺服電動機的的多閉環(huán)控制系統，以實現對三相永磁同步伺服電動機的電流控制。根據其工作原理、驅動電流波形和控制方式的電流控制。根據其工作原理、驅動電流波形和控制方式的不同，它又可分為兩種伺服系統：不同，它又可分為兩種伺服系統： 1) 1) 矩形波電流驅動的永磁交流伺服系統。矩形波電流驅動的永磁交流伺服系統。 2) 2) 正弦波電流驅動的永磁交流伺服系統。正弦波電流驅動的永磁交流伺服系統。 采用矩形波電流驅動的永磁交流伺服電動機稱為無刷采用矩形波電流驅動的永磁交流伺服電動機稱為無刷直流伺服電動機，采用正弦波電流驅動的永磁交流伺服電直流伺服電動機，采用正弦波電流驅動的永磁交流伺服電動機稱為無刷交流伺服電動機。動機稱為無刷交流伺服電動機。2022-3-29機電工程學院26一般情況下，交流伺服驅動器，可通過對其內部一般情況下，交流伺服驅動器，可通過對其內部功能參數進行人工設定而實現以下功能：功能參數進行人工設定而實現以下功能： 1) 位置控制方式； 2) 速度控制方式； 3) 轉矩控制方式； 4) 位置、速度混合方式； 5) 位置、轉矩混合方式； 6) 速度、轉矩混合方式； 7)