工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動方法和應(yīng)用教學(xué)課件

1、工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動方法和應(yīng)用第1頁，共39頁。工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動方法液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動直流電機(jī)驅(qū)動交流電機(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動超聲波電機(jī)驅(qū)動第2頁，共39頁。 液壓驅(qū)動把油壓泵產(chǎn)生的工作油的壓力能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的裝置稱為液壓執(zhí)行器。在驅(qū)功液壓執(zhí)行器時，作為外圍設(shè)備，包括： (1)形成液壓的液壓泵； (2)供給工作油的導(dǎo)管； (3)控制工作油流動的液壓控制閥； (4)控制控制閥的控制回路，根據(jù)液壓執(zhí)行器輸出量的形式的不同，大致可以把它們區(qū)分為作直線運(yùn)動的油壓缸和作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的油壓馬達(dá)。 第3頁，共39頁。液壓驅(qū)動系統(tǒng)第4頁，共39頁。功率重量比高，低速時出力大（無論直線驅(qū)動還是旋轉(zhuǎn)驅(qū)動）, 適合微處理器及電子控制

2、，可用于極端惡劣的外部環(huán)境。由于液壓系統(tǒng)中存在不可避免的泄漏、噪聲和低速不穩(wěn)定等問題，以及功率單元非常笨重和昂貴，目前已不多使用它們?，F(xiàn)在大部分機(jī)器人是電動的，當(dāng)然仍有許多工業(yè)機(jī)器人帶有液壓驅(qū)動器。此外，對于一些需要巨大型機(jī)器人和民用服務(wù)機(jī)器人的特殊應(yīng)用場合，液壓驅(qū)動器仍可能是合適的選擇。第5頁，共39頁。 氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動器在原理上與液壓驅(qū)動器相同；由于氣動裝置的工作壓強(qiáng)低，和液壓系統(tǒng)相比，功率重量比低得多；由于空氣的可壓縮性，在負(fù)載作用下會壓縮和變形，控制氣缸的精確位置很難。因此氣動裝置通常僅用于插入操作或1/2自由度關(guān)節(jié)上；結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，價格便宜；第6頁，共39頁。液壓驅(qū)動與氣壓驅(qū)

3、動之對比液壓驅(qū)動適于搬運(yùn)較重的物體不適于高速移動適于確定高精度位置氣壓驅(qū)動適于搬運(yùn)較輕的物體適于高速移動不適于確定高精度位置第7頁，共39頁。直流電機(jī)驅(qū)動1. 直流電機(jī)工作原理左手定則直流電動機(jī)通過換向器將直流轉(zhuǎn)換成電樞繞組中的交流，從而使電樞產(chǎn)生一個恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。T=BILr換向器電刷第8頁，共39頁。2. 矩頻特性曲線：電流控制曲線和電壓控制曲線。3. 直流電機(jī)的控制方式 改變電壓或電流控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距。其中，KE為電動勢常數(shù)， KT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。脈沖寬度調(diào)制PWM是利用脈寬調(diào)制器對大功率晶體管開關(guān)放大器的開關(guān)時間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電機(jī)的電樞兩端，通

4、過對矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。第9頁，共39頁。 優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速方便（可無級調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低速性能好（啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流?。?，運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制。4. 直流電機(jī)的特點(diǎn)書籍是進(jìn)步的階梯 缺點(diǎn)：換相器需經(jīng)常維護(hù)，電刷極易磨損，必須經(jīng)常更換，噪音比交流電機(jī)大。第10頁，共39頁。交流電機(jī)驅(qū)動1. 工作原理AC servomotor第11頁，共39頁。2.矩頻特性曲線 同步電機(jī)：定子是永磁體，所謂同步是指轉(zhuǎn)子速度與定子磁場速度相同。異步電機(jī)：轉(zhuǎn)子和定子上都有繞組，所謂異步是指轉(zhuǎn)子磁場和定子間存在速度差（不是角度差）。第12頁，共39頁。 同步電機(jī)

5、的特點(diǎn)：體積小。用途：要求響應(yīng)速度快的中等速度以下的工業(yè)機(jī)器人；機(jī)床領(lǐng)域。 伺服電機(jī)的精度由編碼器的精度決定。3.交流電機(jī)的特點(diǎn) 4.交流電機(jī)的控制方式 改變定子繞組上的電壓或頻率，即電壓控制或頻率控制方式。 特點(diǎn)：無電刷和換向器，無產(chǎn)生火花的危險；比直流電機(jī)的驅(qū)動電路復(fù)雜、價格高。 異步電機(jī)的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子慣量很小，響應(yīng)速度很快。用途：中等功率以上的伺服系統(tǒng)。第13頁，共39頁。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：控制較容易，維修也較方便，而且控制為全數(shù)字化。缺點(diǎn)：由于開環(huán)控制，所以精度不高。第14頁，共39頁。 步進(jìn)電機(jī)有三種：永磁式PM（permanent magn

6、et）；反應(yīng)式（也稱可變磁阻式）VR（variable reluctance），在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式 HB（hybrid），混合式是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，混合式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。簡單說：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。1.工作原理第15頁，共39頁。 PM式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是繞組，在定子電磁鐵和轉(zhuǎn)子永磁體之間的排

7、斥力和吸引力的作用下轉(zhuǎn)動，步距角一般為7.5o90o。 VR式步進(jìn)電機(jī)用齒輪狀的鐵心作轉(zhuǎn)子，定子是電磁鐵。在定子磁場中，轉(zhuǎn)子始終轉(zhuǎn)向磁阻最小的位置。步距角一般為0.9o15o。 HB式步進(jìn)電機(jī)是PM式和VR式的復(fù)合形式。在永磁體轉(zhuǎn)子和電磁鐵定子的表面上加工出許多軸向齒槽，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理與PM式相同，轉(zhuǎn)子和定子的形狀與VR式相似，步距角一般為0.9o15o。第16頁，共39頁。2. 運(yùn)行矩頻特性3. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的特點(diǎn) 控制系統(tǒng)簡單可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高負(fù)載或高速度時易失步，低速運(yùn)行時會產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。 起動曲線運(yùn)行曲線在這個輸出轉(zhuǎn)矩區(qū)間，步進(jìn)電機(jī)啟動時的輸入脈沖頻率必須緩慢增

8、加第17頁，共39頁。1、實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題；2、高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到20003000轉(zhuǎn)；3、抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合特別適用；4、低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時不會產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合；5、電機(jī)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(jī)與步進(jìn)電機(jī)比較伺服電機(jī)的優(yōu)勢：第18頁，共39頁。直接驅(qū)動電機(jī)這是什么？優(yōu)點(diǎn)：不用齒輪減速器直接驅(qū)動，因此具有無間隙、摩擦小、機(jī)械剛度高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的位置控制和微小力控制。

9、缺點(diǎn)：因?yàn)闆]有減速機(jī)構(gòu)，所以容易受載荷的影響。種類：直流力矩電機(jī)、無刷直流電機(jī)、VR式電機(jī)等。第19頁，共39頁。超聲波電機(jī)（一種未來很有希望的電機(jī)）工作原理：當(dāng)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(yùn)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(yùn)動軌跡的振動。這樣，裝在定子上的轉(zhuǎn)子在摩擦力的作用下就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。同樣也有

10、直線運(yùn)動的超聲波電機(jī)。特點(diǎn)：超聲波電機(jī)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(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)。第20頁，共39頁。機(jī)器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的要求 1、快速性，電動機(jī)從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應(yīng)短。響應(yīng)指令信號的時間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好，一般是以伺服電動機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)的大小來說明伺服電動機(jī)快速響應(yīng)的性能。 2、調(diào)速范圍寬，能使用于1：100010000的調(diào)速范圍。 3、體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。 4、控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時還需轉(zhuǎn)速與控制信號

11、成正比或近似成正比。 5、能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時間內(nèi)承受過載。 6、起動轉(zhuǎn)矩慣量比大，在驅(qū)動負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量小。第21頁，共39頁。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人主要用于機(jī)械制造、汽車工業(yè)、金屬加工、電子工業(yè)、塑料成型等行業(yè)。從功能上看，這些應(yīng)用領(lǐng)域涉及機(jī)械加工、搬用、工件及工夾具裝卸、焊接、噴漆、裝配、檢驗(yàn)和拋光修正等。主要目的是提高生產(chǎn)能力、改善工件條件、提高制造系統(tǒng)的自動化水平和柔性。第22頁，共39頁。一、機(jī)械制造領(lǐng)域機(jī)械制造企業(yè)的柔性制造系統(tǒng)采用搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)物料、工件和工具，裝配機(jī)器人完成設(shè)

12、備的零件裝配，測量機(jī)器人進(jìn)行在線或離線測量。如左圖所示是兩臺機(jī)器人用于自動裝配的情況，主 機(jī)器人是一臺具有3個自由度，且?guī)в杏|覺傳感器的直角坐標(biāo)機(jī)器人，它抓取第1號零件，并完成裝配動作，輔助機(jī)器人僅有一個回轉(zhuǎn)自由度，它抓取第2號零件，1號和2號零件裝配完成后，再由主機(jī)械手完成與3號零件的裝配工作。機(jī)器人用于零件裝配第23頁，共39頁。二、汽車制造領(lǐng)域汽車制造生產(chǎn)線中的點(diǎn)焊和噴漆工作量極大，且要求有較高的精度和質(zhì)量，由于采用傳送帶流水作業(yè)，速度快，上下工序要求嚴(yán)格，所以采用焊接機(jī)器人和噴漆機(jī)器人作業(yè)可保證質(zhì)量和提高效率。其次，我們還在汽車制造領(lǐng)域使用了搬運(yùn)機(jī)器人，裝配機(jī)器人 第24頁，共39頁。

13、噴漆工業(yè)機(jī)器人噴涂機(jī)器人在汽車制造業(yè)中可噴涂形態(tài)復(fù)雜的汽車工件，而且生產(chǎn)效率和很高。多用于汽車車體的噴涂作業(yè)，如噴漆、噴釉等第25頁，共39頁。1操作機(jī)2識別裝置 3外起動 4噴漆工件 5示教手把 6噴槍 7漆罐 8外同步控制 9生產(chǎn)線停線控制 10控制系統(tǒng) 11遙控急停開關(guān) 12油源噴漆工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)示意圖 第26頁，共39頁。焊接機(jī)器人汽車行業(yè)的發(fā)展水平，代表了一個國家的綜合技術(shù)水平，汽車工業(yè)的發(fā)展將會帶動其他行業(yè)的發(fā)展。各廠商為了在日漸激烈的競爭中立于不敗之地，必須率先實(shí)現(xiàn)焊接自動化，因此，今后除了如汽車、摩托車這樣的大批量生產(chǎn)行業(yè)，一些產(chǎn)品多樣化的企業(yè)，為了提高焊接質(zhì)量，也將會考慮使用

14、焊接機(jī)器人，如鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)，與此同時，對焊接機(jī)器人的要求也必然會逐步提高，比如說對焊道的自動跟蹤系統(tǒng)的需求會逐步加大等。第27頁，共39頁。1總機(jī)座2軸旋轉(zhuǎn)換位器3、4控制裝置5工件夾具 6工件 7焊接電源 焊接機(jī)器人系統(tǒng)第28頁，共39頁。搬運(yùn)機(jī)器人汽車橋箱類零件具有精度高、加工工序多、形狀復(fù)雜、重量重的特點(diǎn)，為提高其加工精度及生產(chǎn)效率，各重型汽車生產(chǎn)廠家紛紛采用數(shù)控加工中心來加工此類零部件。而在使用數(shù)控加工中心加工工件時，要求工件在工作臺上具有非常高的定位精度，且需要保證每次上料的一致性。由于人工上料此類的工件具有勞動強(qiáng)度高、上料精度不好控制等缺點(diǎn)，現(xiàn)在正逐步被工業(yè)機(jī)器人或?qū)C(jī)進(jìn)行上下料所

15、取代。第29頁，共39頁。工業(yè)機(jī)器人具有重復(fù)定位精度高，可靠性高，生產(chǎn)柔性化，自動化程度高等突出的優(yōu)勢：與人工相比，能夠大幅度提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；與專機(jī)相比，具有可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化，投資規(guī)模小等特點(diǎn)。機(jī)器人智能化自動搬運(yùn)系統(tǒng)作為減速器殼體加工的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，雖然已經(jīng)在國內(nèi)重型汽車廠內(nèi)取得成功的應(yīng)用，但依然尚未普及。在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展的進(jìn)程中，重型載重汽車的生產(chǎn)能力及生產(chǎn)力水平亟待有一個質(zhì)的飛躍，而工業(yè)機(jī)器人即是提升生產(chǎn)力水平的強(qiáng)力推進(jìn)器。第30頁，共39頁。搬運(yùn)機(jī)器人第31頁，共39頁。裝配機(jī)器人在國內(nèi)外各大汽車公司裝配生產(chǎn)線上被廣泛采用的裝配機(jī)器人。一方面使汽車裝配自動化水平大大提高，目前，國外某些大批量生產(chǎn)的轎車的裝配自動化程度已達(dá)到50%65%。另一方面，有效地減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了裝配質(zhì)量，并明顯地提高了生產(chǎn)率。在汽車整車裝配中，機(jī)器人不僅用于擋風(fēng)玻璃的密封及涂覆、安裝和車輪備胎、儀表盤總成、后懸梁、車門、蓄電池等部件的安裝，也用于發(fā)動機(jī)動力總成等大件的安裝。第32頁，共39頁。裝配機(jī)器人第33頁，共39頁。三、其他領(lǐng)域機(jī)器人在其他領(lǐng)域應(yīng)用也非常廣泛，如