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1、工业机器人的驱动方式工业机器人的驱动方式 一、驱动装置的分类机器人驱动分为液压、气动和电动三种形式。1液压驱动：液压驱动：n分类：分类： n从运动形式来分分为直线驱动如直线运动液压缸和旋转驱动如液压马达、摆动液压缸。 n从控制分为开环控制液压系统和闭环控制液压系统。n适用范围：适用范围： n液压系统具有较大的功率体积比，适合于大负载的情形。 n液压驱动的本质优点在于它的安全性。如喷漆时要求工作区域所带电压不超过9V。 莫托曼机机器器人人搬运喷涂机机器器人人2气压驱动：气压驱动：n分类：分类：n直线气缸，摆动汽缸及旋转气动马达。n适用范围：适用范围： n适合于节拍快、负载小且精度要求不高的场合（
2、因为空气具有可压缩性）。 3电机驱动：电机驱动：n分类：分类： n按照电机的工作原理不同分为步进电机、直流伺服电机、无刷电机等。n按照控制水平的高低来分分为开环控制系统和闭环控制系统。n适用范围：适用范围：n适合于中等负载，特别适合于动作复杂、运动轨迹严格的各类机器人。二、对驱动装置的要求n驱动装置的质量尽可能要轻。单位质量的输出功率要高，效率高。n反应速度要快。要求力质量比和力矩转动惯量比要大。 n动作平滑，不产生冲击。n控制灵活，位移偏差和速度偏差小。n安全可靠。 n操作维修方便等。三、液压驱动装置三、液压驱动装置 1实现直线运动的液压缸：实现直线运动的液压缸： n主要构成主要构成：n主要
3、由活塞、活塞杆、缸体、缸盖、密封圈、进出油口等构成。n工作原理：工作原理：单活塞杆液压缸结构图：主要构成：主要构成：1、18缸盖 11活塞 12活塞杆 3进、出油口 7、 8、9、 15、16密封圈数字液压缸数字液压缸原理1.1、适合多参数多系统协同工作。1.2、高分辨率运动控制精度。可实现大型机械装备微米级的运动控制，且响应迅速1.3、无损失远程控制执行。可通过网络等远程进行系统的操控。1.4、运动特性完全数字化。速度、行程与电脉冲有直接的对应关系，2、优秀的生存力2.1、高电磁兼容性2.1.1、高抗干扰。由于传输采用数字脉冲功率信号可控性好。2.1.2、低电磁辐射。2.2、抗大加速度冲击振
4、动。由于数字液压器件不采用线性电磁铁作为控制核心，因此抗冲击和震动能力大大提高。2.3、高抗污染。对液压油的过滤精度没有严格要求，甚至液压油受到污染，同样不会造成系统的精度降低，更不会造成严重的误动作甚至是事故。2.4、宽范围的工作介质。无论采用矿物油还是水基乳化液等都可以很好工作。2.5、容易实现防爆。2.6、快速实现自动和手动的转换控制。可以随时通过简单和轻便的方式实现人工控制，即便是超大载荷，依然可以单手指操控，避免装备失控。3、简单的设计、使用及维护性。技术特点2实现回转运动的液压马达：实现回转运动的液压马达： n液压马达是将液压能转换为机械能的装置。从构成来看，液压马达分为齿轮式、叶
5、片式以及轴向柱塞式。 叶片式液压马达工作原理图：工作流程：工作流程：压力油进入油腔a作用在叶片2的右侧、叶片1的左侧叶片2伸出面积大推力大推动叶片顺时针旋转转至b腔回油带动中心轴回转液压能转变为机械能。主要构成：主要构成：缸体 定子 转子 叶片输出轴 进油口 出油口 进油腔a 回油腔b叶片式液压马达结构图：6定子 7转子 8叶片数字液压马达3闭环伺服控制系统（闭环伺服控制系统（1）：）： n通常用运算放大器做成的伺服放大器向液压伺服系统中的电液伺服阀提供一个电信号。由电信号控制先导阀再控制一级或两级液压放大器，产生足够的动力去驱动机器人的机械部件。闭环伺服系统图例（1）：液压伺服系统原理图闭环
6、伺服系统图例（2）：用伺服阀控制液压缸简化原理图3闭环伺服控制系统（闭环伺服控制系统（2）：）：n核心液压元件：核心液压元件：n在闭环伺服控制系统中，核心液压元件是电液伺服阀。 n作用及特点：作用及特点：n电液伺服阀是一种接受电气，输出相应调制流量和压力的液压控制阀。n分类：分类：n电液伺服阀的种类繁多。按液压放大器的级数可分为单级、两级和三级；按第一级液压放大器的结构分，有滑阀、喷嘴挡板阀、射流管阀等。其中以双喷嘴挡板阀为最常用。 3闭环伺服控制系统（闭环伺服控制系统（3）：）：n喷嘴挡板阀：喷嘴挡板阀：n结构结构：主要由三部分构成：力矩马达、前置级及功率级。前置级接受力矩马达的控制信号，通
7、过改变喷嘴的大小改变油的流量控制功率阀；功率阀接受前置级的流量信号控制并相应动作控制机器人某关节动作。n特点：特点：能够按照控制要求动作。n工作原理工作原理：n挡板4处于控制喷嘴5中间位置工作阀芯7不动作力矩马达1通电挡板4移动改变喷嘴5口径大小工作阀芯7两端产生压差阀芯移动 喷嘴挡板阀结构示意图：力矩马达前置阀功率阀喷嘴挡板阀结构示意图：四、电机驱动装置的工作原理四、电机驱动装置的工作原理 1步进电机：步进电机：n概述：概述：1.步进电机是一种电脉冲信号转换成机械角位移的机电执行元件。当有脉冲信号输入时，步进电机就一步一步的转动，每个输入脉冲对应电机的一个固定转角，故称为步进电机。步进电机属
8、于同步电机，多数情况用做伺服电机，且控制简单，工作可靠，能够得到较高的精度。它是唯一能够以开环结构用于数控机床的伺服电动机。2.步进电机按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等；按其工作原理可分为反应式、永磁式合混合式三大类。步进电机的基本特点：步进电机受点脉冲信号的控制。每输入以各脉冲信号，就变换以磁绕组的通电状态，电机就相应的转动以步，因此电机的总回转角合输入脉冲个数严格成正比关系，电机的转速则正比于脉冲的输入频率。改变步进电机的定子绕组的通电顺序，可以获得所需要的转向。改变输入脉冲频率，则可以得到所需要的转速（但是不能够超出极限频率）。当步进电机脉冲输入停止时，只要维持绕组的激励电流不
9、变，电机保持在原固定位置上，因此可以获得较高的定位精度，不需要安装机械制动装置从而达到精确制动。误差不长期积累，转角精度高。由于每转过360后，转子的累积误差为零，转角精度较高。反映时间快。 缺点：效率低、没有过载能力。步进电机工作原理图（1）：A相通电B相通电C相通电定子转子1515步进电机驱动（步进电机驱动（stepping motor） 步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。缺点：由于开环较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。缺点：由于开环控制，所以精度不高。控制，所以精度不高
10、。 产生不同产生不同N、S对磁场的激磁线圈对数。对磁场的激磁线圈对数。 2. 相关术语相关术语 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。四完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。四相四拍运行方式：相四拍运行方式：AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式：，四相八拍运行方式： A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。表示。一般步进电机的精度为步距角的一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积。，且不累积。
11、 保持转距（保持转距（HOLDING TORQUE）或静转矩）或静转矩是指电机各相绕是指电机各相绕组通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转距。组通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转距。是电机选型时最重要的参数之一。通常步进电机在低速时的力矩接是电机选型时最重要的参数之一。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。比如，当说近保持转矩。比如，当说2Nm的步进电机时，在没有特殊说明的情的步进电机时，在没有特殊说明的情况下一般是指保持转矩为况下一般是指保持转矩为2Nm的步进电机。的步进电机。 定位转矩定位转矩是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，由于混是指电机各相绕
12、组不通电且处于开路状态时，由于混合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转矩。一般定位合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转矩。一般定位转矩远小于保持转距。是否存在定位转距是混合式步进电机区别于转矩远小于保持转距。是否存在定位转距是混合式步进电机区别于反应式步进电机的重要标志。反应式步进电机的重要标志。 DETENT TORQUE 在国内没有统一在国内没有统一的翻译。的翻译。细分驱动器的原理细分驱动器的原理驱动器细分后的主要优点：驱动器细分后的主要优点： （1）完全消除了电机的低频振荡。）完全消除了电机的低频振荡。（2）同时也提高了电机的输出转矩。）同时也提高了电机的输出转矩。（3
13、）提高了电机的分辨率。）提高了电机的分辨率。 通过改变相邻（通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。角来控制步进电机运转的。 3. 运行矩频特性运行矩频特性4. 步进电机驱动的特点步进电机驱动的特点控制系统简单可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高负控制系统简单可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高负载或高速度时易失步，低速运行时会产生步进运行现象。载或高速度时易失步，低速运行时会产生步进运行现象。 起动曲线起动曲线运行曲线运行曲线在这个输出转矩在这个输出转矩区间，步进电机区间，步进电机启动时的输入脉启动时的输入脉冲频率必须缓
14、慢冲频率必须缓慢增加增加实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；的问题；高速性能好，一般额定转速能达到高速性能好，一般额定转速能达到20003000转；转；抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；载波动和要求快速起动的场合特别适用；低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；运行现象。适用于有高速响应要求的场合；电机加减速的动态
15、相响应间短，一般在几十毫秒之内；电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内；发热和噪音明显降低。发热和噪音明显降低。 伺服电机与步进电机比较伺服电机与步进电机比较伺服电机的优势：伺服电机的优势：超声波电机超声波电机（一种未来很有希望的电机）（一种未来很有希望的电机） 特点：特点： 超声波电机具有体积小，超声波电机具有体积小，重量轻，不用制动器，速度和位置控重量轻，不用制动器，速度和位置控制灵敏度高，转子惯性小，响应性能制灵敏度高，转子惯性小，响应性能好，没有电磁噪声等普通电机不具备好，没有电磁噪声等普通电机不具备的优点。的优点。工作原理：工作原理：当给压电陶瓷施加一当给压电陶瓷施加一定方向
16、的电压时，各部分产生的定方向的电压时，各部分产生的应变方向相反（在正电压作用下，应变方向相反（在正电压作用下，+的部分伸长，的部分伸长，-的部分压缩），的部分压缩），+、-部分交替相接。在交流电压部分交替相接。在交流电压的作用下，压电陶瓷就会沿圆周的作用下，压电陶瓷就会沿圆周方向产生交替的伸缩变形，定子方向产生交替的伸缩变形，定子弹性体的上下运动产生驻波。此弹性体的上下运动产生驻波。此外，由于重叠在一起的两片压电外，由于重叠在一起的两片压电陶瓷的相位差为陶瓷的相位差为90O，所以，在，所以，在形成驻波的同时也会在水平方向形成驻波的同时也会在水平方向形成行波。这样，在驻波和行波形成行波。这样，在
17、驻波和行波的合成波的作用下，使定子作椭的合成波的作用下，使定子作椭圆运动轨迹的振动。这样，装在圆运动轨迹的振动。这样，装在定子上的转子在摩擦力的作用下定子上的转子在摩擦力的作用下就会产生旋转。就会产生旋转。同样也有直线运同样也有直线运动的超声波电机。动的超声波电机。直接驱动电机（直接驱动电机（direct drive:DD）优点：优点：不用齿轮减速器直接驱动，因此具有无间隙、摩擦小、不用齿轮减速器直接驱动，因此具有无间隙、摩擦小、机械刚度高等优点，可以实现高速、高精度的位置控制和微小力机械刚度高等优点，可以实现高速、高精度的位置控制和微小力控制。控制。这是这是什么？什么？种类：种类：直流力矩电
18、机、无刷直流电机、直流力矩电机、无刷直流电机、VR式电机等。式电机等。 缺点：缺点：因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响。因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响。 驱动滚轴丝杆如下图，3相步进电机（1.2/步）驱动物体运动1秒钟，则必要脉冲数和驱动脉冲速度的计算方法如下：必要脉冲数103601.23000脉冲自启动方式驱动1秒钟，则驱动脉冲速度应该这样计算：3000Pulse/1sec=3kHz但是，启动速度不可能是3kHz，应该采用加/减速运行方式来驱动。设：加/减速时间设置为定位时间的25%，启动脉冲速度为500Hz，则如上图，3相步进电机（1.2/步）驱动物体运动1秒钟。驱动轮的周长即旋转一圈移动的距离大约为50mm。因此，所需要的必要脉冲数为 1.2驱动传动带步进电机步进电机与单片机的接口与单片机的接口 由硬件完成脉冲分配的功能由硬件完成脉冲分配的功能 PMAC运动控制卡单元控制模式测试传感器信号调理执行器AD变换器驱动器微控制器CAN接口CAN总线以太网总线测试传感器信号调理执行器AD变换器驱动器微控制器CAN接口。CAN总线CAN总线单元控制器1. 单片机2. DSP3. ARM4. PLC5. 工控机。