工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)

4.1工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)4.3工業(yè)機(jī)器人典型控制方法4.4工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成4.5工業(yè)機(jī)器人使用的傳感器2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院1第四章工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院24.1工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4.1.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類(lèi)按動(dòng)力源劃分液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)合式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本驅(qū)動(dòng)類(lèi)型2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院3由一般的發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵，液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)形成高壓液流（也就是動(dòng)力），液壓管路將高壓液體（一般是液壓油）接到液壓馬達(dá)，是液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，形成驅(qū)動(dòng)力。液壓驅(qū)動(dòng)2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院4與液壓驅(qū)動(dòng)相似，傳動(dòng)介質(zhì)不同。利用氣體的抗擠壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)力的傳遞。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行裝置的種類(lèi)：氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)。2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院5電動(dòng)驅(qū)動(dòng)是一種將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線(xiàn)位移的驅(qū)動(dòng)方法。比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為位移或者是角位移的驅(qū)動(dòng)方法。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院6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(chǎn)生變形的壓電效應(yīng)。

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(fù)時(shí)形狀也恢復(fù)的形狀記憶性質(zhì)。2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院7三種基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要性能特點(diǎn)內(nèi)容液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)輸出功率很大,壓力范圍為:50～1400N/cm2,液體的不可壓縮性大壓力范圍為40～60N/cm2，最大可達(dá)100N/cm2較大控制性能控制精度較高，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)伺服控制控制精度高，能精確定位，反應(yīng)靈敏。可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院8三種基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要性能特點(diǎn)內(nèi)容液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度很高較高很高結(jié)構(gòu)性能及體積執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng),功率／質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)功率／質(zhì)量比較大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化。結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低。電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置。除DD電動(dòng)機(jī)外，難以進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題。安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)。直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院9三種基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要性能特點(diǎn)內(nèi)容液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響泄漏對(duì)環(huán)境有污染排氣時(shí)有噪聲很小效率與成本效率中等(0.3～0.6)，液壓元件成本較高效率低(0.15～0.2)，氣源方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)環(huán)境溫度有一定要求方便較復(fù)雜在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、重載點(diǎn)焊機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人適用于中小負(fù)載，快速驅(qū)動(dòng)，精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人。如沖壓機(jī)器人、機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具適用于中小負(fù)載，要求具有較高的位置控制精度，速度較高的機(jī)器人。如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院104.1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選用原則一般情況下，各種機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用原則：1）控制方式2）作業(yè)環(huán)境要求3）操作運(yùn)行速度低速重負(fù)載時(shí)可選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；中等負(fù)載時(shí)可選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；輕負(fù)載時(shí)可選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；輕負(fù)載、高速時(shí)可選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院114.1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選用原則一般情況下，各種機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用原則：1）控制方式2）作業(yè)環(huán)境要求3）操作運(yùn)行速度從事噴涂作業(yè)的工業(yè)機(jī)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)和具有本征防爆的交流電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院124.1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選用原則一般情況下，各種機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用原則：1）控制方式2）作業(yè)環(huán)境要求3）操作運(yùn)行速度在腐蝕性、易燃易爆氣體、放射性物質(zhì)環(huán)境中工作的移動(dòng)機(jī)器人，一般采用交流伺服驅(qū)動(dòng)。如要求在潔凈環(huán)境中使用，則多要求采用直接驅(qū)動(dòng)(DirectDrive—DD)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院134.1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選用原則一般情況下，各種機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用原則：1）控制方式2）作業(yè)環(huán)境要求3）操作運(yùn)行速度要求其有較高的點(diǎn)位重復(fù)精度和較高的運(yùn)行速度，通常在速度相對(duì)較低(≤4.5m／s)情況下，可采用AC、DC或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；在速度、精度要求均很高的條件下，多采用直接驅(qū)動(dòng)(DD)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院144.1.3工業(yè)機(jī)器人主要的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人主要的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。早期的機(jī)械手和機(jī)器人中，其操作機(jī)多應(yīng)用連桿機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)桿、滑塊、曲柄，多采用液壓(氣壓)活塞缸(或回轉(zhuǎn)缸)來(lái)實(shí)現(xiàn)其直線(xiàn)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)器人操作機(jī)各部分動(dòng)作要求的不斷提高，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在機(jī)器人中應(yīng)用日益廣泛。2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院151、電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電液伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是由電氣信號(hào)處理單元與液壓功率輸出單元組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。具有控制精度高、響應(yīng)速度快、信號(hào)處理靈活、輸出功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、功率質(zhì)量比大等特點(diǎn)，在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。采用電液伺服系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，具有點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制功能，并具有防爆性能。2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院16電液伺服驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人所采用的電液轉(zhuǎn)換和功率放大元件有電液伺服閥、電液比例閥等。電液伺服動(dòng)力機(jī)構(gòu)：電液伺服馬達(dá)、電液伺服液壓缸、電液步進(jìn)馬達(dá)、電液步進(jìn)液壓缸、液壓回轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器等。采用電液伺服驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意伺服閥的布置，以使伺服閥與驅(qū)動(dòng)器之間連接的管線(xiàn)距離最短，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。系統(tǒng)動(dòng)力源壓力以適中為宜[689～1379kPa]，回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(hù)回路中的部件。2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院172、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多用于：兩位式或有限點(diǎn)位控制的工業(yè)機(jī)器人(如沖壓機(jī)器人)中；作為裝配機(jī)器人的氣動(dòng)夾具；用于點(diǎn)焊等較大型通用機(jī)器人的氣動(dòng)平衡中。機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院18機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖包括空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、汽水分離器、調(diào)壓過(guò)濾器等由分水濾氣器、調(diào)壓器和油霧器組成包括電磁氣閥、節(jié)流調(diào)速閥和減速壓閥等多采用直線(xiàn)氣缸和擺動(dòng)氣缸2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院193、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)器人電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。要求有較大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。伺服電動(dòng)機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時(shí)過(guò)載能力。機(jī)器人末端執(zhí)行器(手爪)應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動(dòng)機(jī)。2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院20電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要要求：1）快速性2）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大3）控制特性的連續(xù)性和直線(xiàn)性4）調(diào)速范圍寬5）體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短6）可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受過(guò)載2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院21電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)用類(lèi)型一般可分為直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等。在工業(yè)機(jī)器人中，交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(DD)都采用閉環(huán)控制，常用于位置精度和速度要求高的機(jī)器人中。目前，一般負(fù)載1000N以下的工業(yè)機(jī)器人大多采用電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要是AC伺服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和DC伺服電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)由于采用電子換向，無(wú)換向火花，在易燃易爆環(huán)境中得到了廣泛使用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要適于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于位置和速度精度要求不高的環(huán)境。機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率范圍—般為0.1～10kW。2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院224.1.4工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器1、工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)（DCmotor）直流電機(jī)工作原理止口左手定則直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)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(gè)恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。T=BILr換向器電刷2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院242、工業(yè)機(jī)器人采用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器類(lèi)型包括：直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直接驅(qū)動(dòng)、特種驅(qū)動(dòng)器。1．直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器多采用脈寬調(diào)制(PWM)伺服驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

PWM伺服驅(qū)動(dòng)器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好、響應(yīng)快、效率高、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中常作為直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院252．同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器同直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高、無(wú)電刷及換向火花等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常采用電流型脈寬調(diào)制(PWM)三相逆變器和具有電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的電流控制。根據(jù)其工作原理、驅(qū)動(dòng)電流波形和控制方式的不同，它又可分為兩種伺服系統(tǒng)：

1)矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。

2)正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。采用矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為無(wú)刷交流伺服電動(dòng)機(jī)。2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院26一般情況下，交流伺服驅(qū)動(dòng)器，可通過(guò)對(duì)其內(nèi)部功能參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)定而實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)位置控制方式；2)速度控制方式；3)轉(zhuǎn)矩控制方式；4)位置、速度混合方式；5)位置、轉(zhuǎn)矩混合方式；6)速度、轉(zhuǎn)矩混合方式；7)轉(zhuǎn)矩限制；8)位置偏差過(guò)大報(bào)警；9)速度PID參數(shù)設(shè)置；10)速度及加速度前饋參數(shù)設(shè)置；11)零漂補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置；12)加減速時(shí)間設(shè)置等。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為一種開(kāi)環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機(jī)器人中得到較廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線(xiàn)位移的元件，它的角位移和線(xiàn)位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線(xiàn)速度與脈沖頻率成正比。2024/11/7機(jī)電工程學(xué)院28步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器優(yōu)點(diǎn)：在負(fù)載能力的范圍內(nèi)，位移量與脈沖數(shù)成正比的關(guān)系、速度與脈沖頻率成正比的關(guān)系，這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化，誤差不長(zhǎng)