2工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動方式

1、工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動方式 一、驅(qū)動裝置的分類機(jī)器人驅(qū)動分為液壓、氣動和電動三種形式。1液壓驅(qū)動：分類： 從運(yùn)動形式來分分為直線驅(qū)動如直線運(yùn)動液壓缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動如液壓馬達(dá)、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(fù)載的情形。 液壓驅(qū)動的本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)在于它的安全性。如噴漆時(shí)要求工作區(qū)域所帶電壓不超過9V。 莫托曼機(jī)器人搬運(yùn)噴涂機(jī)器人2氣壓驅(qū)動：分類：直線氣缸，擺動汽缸及旋轉(zhuǎn)氣動馬達(dá)。適用范圍： 適合于節(jié)拍快、負(fù)載小且精度要求不高的場合（因?yàn)榭諝饩哂锌蓧嚎s性）。 3電機(jī)驅(qū)動：分類： 按照電機(jī)的工作原理不同分為步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、無刷電機(jī)

2、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(fù)載，特別適合于動作復(fù)雜、運(yùn)動軌跡嚴(yán)格的各類機(jī)器人。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?？刂旗`活，位移偏差和速度偏差小。安全可靠。 操作維修方便等。三、液壓驅(qū)動裝置 1實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)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(jìn)出油口等構(gòu)成。工作原理：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(jìn)、出油口 7、 8、9、 15、16密封圈數(shù)字液壓缸數(shù)字液壓缸原理1

3、.1、適合多參數(shù)多系統(tǒng)協(xié)同工作。1.2、高分辨率運(yùn)動控制精度?？蓪?shí)現(xiàn)大型機(jī)械裝備微米級的運(yùn)動控制，且響應(yīng)迅速1.3、無損失遠(yuǎn)程控制執(zhí)行?？赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)等遠(yuǎn)程進(jìn)行系統(tǒng)的操控。1.4、運(yùn)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、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(yán)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(yán)重的誤動作甚至是事故。2.4、寬范

4、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(shí)現(xiàn)防爆。2.6、快速實(shí)現(xiàn)自動和手動的轉(zhuǎn)換控制?？梢噪S時(shí)通過簡單和輕便的方式實(shí)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(jì)、使用及維護(hù)性。技術(shù)特點(diǎn)2實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的液壓馬達(dá)： 液壓馬達(dá)是將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。從構(gòu)成來看，液壓馬達(dá)分為齒輪式、葉片式以及軸向柱塞式。 葉片式液壓馬達(dá)工作原理圖：工作流程：壓力油進(jìn)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(shí)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(jī)械能。主要構(gòu)成：缸體 定子 轉(zhuǎn)子 葉片輸出軸 進(jìn)油口 出油口 進(jìn)

5、油腔a 回油腔b葉片式液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)圖：6定子 7轉(zhuǎn)子 8葉片數(shù)字液壓馬達(dá)3閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)（1）：工作原理： 通常用運(yùn)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(gè)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)生足夠的動力去驅(qū)動機(jī)器人的機(jī)械部件。閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖例（1）：液壓伺服系統(tǒng)原理圖閉環(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(diǎn)：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

6、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。 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(dá)、前置級及功率級。前置級接受力矩馬達(dá)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(jī)器人某關(guān)節(jié)動作。特點(diǎn)：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(dá)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 噴嘴擋板閥結(jié)構(gòu)示意圖：力矩馬達(dá)前置閥功率閥噴嘴擋板閥結(jié)構(gòu)示意圖：四、電機(jī)驅(qū)動裝置的工作原理 1步進(jìn)電機(jī)：概述：步進(jìn)電機(jī)是一種電

7、脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的機(jī)電執(zhí)行元件。當(dāng)有脈沖信號輸入時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就一步一步的轉(zhuǎn)動，每個(gè)輸入脈沖對應(yīng)電機(jī)的一個(gè)固定轉(zhuǎn)角，故稱為步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)屬于同步電機(jī)，多數(shù)情況用做伺服電機(jī)，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(jī)床的伺服電動機(jī)。步進(jìn)電機(jī)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。步進(jìn)電機(jī)的基本特點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)受點(diǎn)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(jī)就相應(yīng)的轉(zhuǎn)動以步，因此電機(jī)的總回轉(zhuǎn)角合輸入脈沖個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比關(guān)系，電機(jī)的轉(zhuǎn)速則正比于脈沖的輸入頻率。改變步進(jìn)電機(jī)的定子繞組的通電順

8、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（但是不能夠超出極限頻率）。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)脈沖輸入停止時(shí)，只要維持繞組的激勵電流不變，電機(jī)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(jī)械制動裝置從而達(dá)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(shí)間快。 缺點(diǎn)：效率低、沒有過載能力。步進(jìn)電機(jī)工作原理圖（1）：A相通電B相通電C相通電定子轉(zhuǎn)子1515步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動（stepping motor） 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

9、高。 相數(shù)：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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。 拍數(shù)：完成一個(gè)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(yùn)行方式：AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式： A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：對應(yīng)一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的3-5%，且不累積。 保持轉(zhuǎn)距（HOLDING TORQUE）或靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)各相繞組通額定電流，且處于靜態(tài)鎖定狀態(tài)時(shí)，電機(jī)所能輸出的最大轉(zhuǎn)距。是電機(jī)選型時(shí)最重要的參數(shù)之一。通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。比如，當(dāng)說2Nm的步進(jìn)電

10、機(jī)時(shí)，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(jìn)電機(jī)。 定位轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)各相繞組不通電且處于開路狀態(tài)時(shí)，由于混合式電機(jī)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(yuǎn)小于保持轉(zhuǎn)距。是否存在定位轉(zhuǎn)距是混合式步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的重要標(biāo)志。 DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯。細(xì)分驅(qū)動器的原理驅(qū)動器細(xì)分后的主要優(yōu)點(diǎn)： （1）完全消除了電機(jī)的低頻振蕩。（2）同時(shí)也提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。（3）提高了電機(jī)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(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。 3. 運(yùn)行矩頻特性4. 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

11、精度受步距角限制，高負(fù)載或高速度時(shí)易失步，低速運(yùn)行時(shí)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(gè)輸出轉(zhuǎn)矩區(qū)間，步進(jìn)電機(jī)啟動時(shí)的輸入脈沖頻率必須緩慢增加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(shí)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：超聲波電機(jī)（一種未來很有希望的

12、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)。工作原理：當(dāng)給壓電陶瓷施加一定方向的電壓時(shí)，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(shí)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)。同樣也有直線運(yùn)動

13、的超聲波電機(jī)。直接驅(qū)動電機(jī)（direct drive:DD）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。這是什么？種類：直流力矩電機(jī)、無刷直流電機(jī)、VR式電機(jī)等。 缺點(diǎn)：因?yàn)闆]有減速機(jī)構(gòu)，所以容易受載荷的影響。驅(qū)動滾軸絲桿如下圖，3相步進(jìn)電機(jī)（1.2/步）驅(qū)動物體運(yùn)動1秒鐘，則必要脈沖數(shù)和驅(qū)動脈沖速度的計(jì)算方法如下：必要脈沖數(shù)103601.23000脈沖自啟動方式驅(qū)動1秒鐘，則驅(qū)動脈沖速度應(yīng)該這樣計(jì)算：3000Pulse/1sec=3kHz但是，啟動速度不可能是3kHz，應(yīng)該采用加/減速運(yùn)行方式來驅(qū)動。設(shè)：加/減速時(shí)間設(shè)置為定位時(shí)間的25%，啟動脈沖速度為500Hz，則如上圖，3相步進(jìn)電機(jī)（1.2/步）驅(qū)動物體運(yùn)動1秒