機(jī)器人技術(shù)討論課電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(共9頁(yè))

1、機(jī)器人技術(shù)(jsh)討論 機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)(q dn)系統(tǒng)姓 名： 指導(dǎo)(zhdo)教師： 目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc24776 1、前言 機(jī)器人電機(jī)(dinj)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （燕山大學(xué) 機(jī)械(jxi)工程學(xué)院）通過(tnggu)在課外查找、閱讀和分析相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，將各門課程的知識(shí)點(diǎn)圍繞機(jī)器人設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)。自主學(xué)習(xí)有關(guān)機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)知識(shí)，探明和研究機(jī)器人常用的可控電機(jī)有哪些，以及如何選擇這些電機(jī)的方法?？偨Y(jié)、整理并撰寫有關(guān)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的報(bào)告。1、前言通過匯報(bào)互相提問討論和教師參與的形式，將各門課程的知識(shí)點(diǎn)圍繞機(jī)器人設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)，使看起來(lái)不相關(guān)的課

2、程形成了一個(gè)整體的系統(tǒng)，使我們從機(jī)器人設(shè)計(jì)這一工程實(shí)踐的角度，確確實(shí)實(shí)地看到了每一門課程的重要作用，于是更有了學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于培養(yǎng)我們的自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量有著促進(jìn)作用。加深對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，并在溝通能力、團(tuán)隊(duì)合作能力等方面得到鍛煉和提高。無(wú)形中擴(kuò)充了形式，豐富了學(xué)習(xí)內(nèi)容，擴(kuò)充了知識(shí)面，而且強(qiáng)化交流、合作、責(zé)任心和工程意識(shí)。工業(yè)機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品。在許多生產(chǎn)領(lǐng)域，它對(duì)于提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動(dòng)條件的作用日見顯著，不少勞動(dòng)條件惡劣、生產(chǎn)要求苛刻的場(chǎng)合，工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動(dòng)已是必然的趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)各行各業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求

3、將越來(lái)越多?，F(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)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(dòng)化水平和柔性。而對(duì)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，要求有最大功率質(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。特別是像機(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)，尤其是要求快速響應(yīng)時(shí)，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)過載能力。這是伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。本文章(wnzhng)旨在通過

4、(tnggu)在課外查找、閱讀和分析(fnx)相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容自主學(xué)習(xí)有關(guān)機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)知識(shí)及方法，探明和研究機(jī)器人常用的可控電機(jī)有哪些，以及如何選擇這些電機(jī)的方法。報(bào)告正文2.1選擇原則對(duì)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，要求有最大功率質(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。特別是像機(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)，尤其是要求快速響應(yīng)時(shí)，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)過載能力。這是伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。2.2選擇要求快速性電動(dòng)機(jī)從獲得指令信號(hào)到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)短。響應(yīng)指令信號(hào)的時(shí)間愈短

5、，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(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)的大小來(lái)說(shuō)明伺服電動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)的性能。2起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。 HYPERLINK /index.php?gid=280 t _blank 控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著 HYPERLINK /index.php?gid=280 t _blank 控制信號(hào)的變化，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時(shí)還需轉(zhuǎn)速與 HYPERLINK /index.php?gid=280 t _blank 控制信號(hào)成正比或近似成正比。調(diào)速范圍寬。能使用于1：100010000的調(diào)速范圍。

6、體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。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(shí)間內(nèi)承受過載。2.3機(jī)器人驅(qū)動(dòng)(q dn)電機(jī)2.3.1伺服電動(dòng)機(jī)1交流(jioli)伺服電動(dòng)機(jī)包括(boku)同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)及異步型交流伺服電動(dòng)等。直流伺服電動(dòng)機(jī)包括小慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)、大慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。2.3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式永磁式混合式2.3.3超聲波電動(dòng)機(jī)駐波型直線型多自由度球形非接觸式2.4電機(jī)選擇方法2.4.1伺服電機(jī)的選擇伺服電機(jī)，按照通常的區(qū)分劃分為直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)。選擇什么樣的伺服電機(jī)，在很大程度

7、上取決于負(fù)載的物理特性，負(fù)載的工作特性、系統(tǒng)要求以及工作環(huán)境。一旦系統(tǒng)要求確定后，無(wú)論選擇何種形式的伺服電機(jī)，首先要考慮的是選擇多大的電機(jī)合適，主要考慮負(fù)載的物理特性，包括負(fù)載扭矩、慣量等。在伺服電機(jī)中，通常以扭矩或者力來(lái)衡量電機(jī)大小，所以選電機(jī)首先要計(jì)算出折算到電機(jī)軸端負(fù)載扭矩或者力的大小。計(jì)算出扭矩以后需要留出一部分余量，一般選擇電機(jī)連續(xù)扭矩=1.3倍負(fù)載扭矩，這樣(zhyng)能保證電機(jī)可靠的運(yùn)行。除此外還需要計(jì)算折算到軸端負(fù)載慣量的大小，一般選擇負(fù)載慣量：電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量5：1，以保證伺服系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。如果出現(xiàn)(chxin)電機(jī)和負(fù)載之間慣量，扭矩不匹配的情況，那么只能犧牲速度，在電機(jī)

8、和負(fù)載間增加減速機(jī)了，這時(shí)你需要權(quán)衡。選擇出用多大扭矩的電機(jī)后，需要做的是了解負(fù)載的工作特性和工作環(huán)境。負(fù)載的工作特性包括如負(fù)載是高速還是低速運(yùn)行(ynxng)，加速度需要達(dá)到多少，是否需要頻繁起停，頻率需要達(dá)到多少，系統(tǒng)運(yùn)行精度等等。這時(shí)選擇伺服電機(jī)也并沒有什么特定的規(guī)律可循，關(guān)鍵的是你所選擇的電機(jī)必須適應(yīng)你負(fù)載運(yùn)動(dòng)的工作要求。不需要頻繁起停的情況下，步進(jìn)電機(jī)是一種很好的選擇。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，控制精度低，速度太高，電機(jī)扭矩會(huì)下降的很快，將帶不動(dòng)負(fù)載，速度過低會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)不連續(xù)的爬行現(xiàn)象，而且步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)也不快，不適合頻繁啟動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度幾轉(zhuǎn)到3000多轉(zhuǎn)以下時(shí)，控制精度相

9、對(duì)要求較高，可以選擇直流或者交流伺服電機(jī)。工業(yè)應(yīng)用中廣泛應(yīng)用的交流伺服電機(jī)為交流永磁同步電機(jī)，由于其在額定轉(zhuǎn)速以下呈現(xiàn)的恒扭矩特性，所以多用于負(fù)載扭矩恒定或者變化不大的場(chǎng)合，比如機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)。選擇是相對(duì)的，同一種應(yīng)用，可以用交流也可以用直流，有時(shí)取決于環(huán)境，比如有的機(jī)器人項(xiàng)目，交流電源相對(duì)而言比較難得到，那就只能用直流伺服電機(jī)了。直流電機(jī)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速方便（可無(wú)極調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低速性能好（起動(dòng)轉(zhuǎn)距大，啟動(dòng)電流?。\(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制。缺點(diǎn)：換相需經(jīng)常維護(hù)，電刷容易磨損，必須經(jīng)常更換，噪音較大。交流電機(jī)的特點(diǎn)：無(wú)電刷和換向器，無(wú)產(chǎn)生火花的危險(xiǎn)：比直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、價(jià)格更高

10、。同步電機(jī)特點(diǎn)：體積小，適用于響應(yīng)速度快的中等速度以下的工業(yè)機(jī)器人。異步電機(jī)的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子慣量很小，響應(yīng)速度很快。2.4.2步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。步進(jìn)電機(jī)在構(gòu)造上有三種主要類型：反應(yīng)式：定子上有繞組、轉(zhuǎn)子(zhun z)由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2、但動(dòng)態(tài)性能(xngnng)差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。永磁式：永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出(shch)力矩大，但這

11、種電機(jī)精度差，步矩角大（一般為7.5或15）?；旌鲜剑夯旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。1、步距角的選擇電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、

12、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。2、靜力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）。3、電流的選擇靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流。步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)：控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，成本較低；但控制精度受

13、步距角限制，高負(fù)載或高速度時(shí)容易失步，低速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。2.4.3超聲波電機(jī)(dinj) HYPERLINK /sowiki/%E8%B6%85%E5%A3%B0%E6%B3%A2%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA?prd=content_doc_search o 超聲波電動(dòng)機(jī) t /wiki/_blank 超聲波電動(dòng)機(jī)是以超聲頻域的機(jī)械振動(dòng)為驅(qū)動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)器。由于(yuy)激振元件為 HYPERLINK /s?q=%E5%8E%8B%E7%94%B5%E9%99%B6%E7%93%B7&ie=utf-8&src=se_lighten_f t /wiki/_bla

14、nk 壓電陶瓷(toc)，所以也稱為 HYPERLINK /sowiki/%E5%8E%8B%E7%94%B5%E9%A9%AC%E8%BE%BE?prd=content_doc_search o 壓電馬達(dá) t /wiki/_blank 壓電馬達(dá)。80年代中期發(fā)展起來(lái)的 HYPERLINK /s?q=%E8%B6%85%E5%A3%B0%E6%B3%A2%E7%94%B5%E6%9C%BA&ie=utf-8&src=se_lighten_f t /wiki/_blank 超聲波電機(jī)是基于功能陶瓷的超聲波頻率的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的新型驅(qū)動(dòng)器。 HYPERLINK /sowiki/%E8%B6%85%E

15、5%A3%B0%E7%94%B5%E6%9C%BA?prd=content_doc_search o 超聲電機(jī) 超聲電機(jī)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品與傳統(tǒng)電機(jī)相比，它具有以下特點(diǎn)：低速大力矩輸出功率密度高起?？刂菩院每蓪?shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)精確定位容易制成直線移動(dòng)型馬達(dá)噪音小：無(wú)電磁干擾亦不受電磁干擾需使用耐磨材料(接觸型USM)和高頻電源等。超聲電機(jī)的兩個(gè)顯著特點(diǎn)是：1)低速大力矩輸出：2)保持力矩大，宏觀表現(xiàn)為起?？刂菩院?。由于以上特點(diǎn)，與超聲電機(jī)相連接的系統(tǒng)無(wú)須齒輪減速機(jī)構(gòu)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 HYPERLINK /s?q=%E8%B6%85%E5%A3%B0%E6%B3%A2%

16、E7%94%B5%E6%9C%BA&ie=utf-8&src=se_lighten_f t /wiki/_blank 超聲波電機(jī)有著誘人的應(yīng)用前景，成為研究的一大熱點(diǎn)。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人一般可應(yīng)用在高真空、極端溫度、強(qiáng)輻射、無(wú)法有效潤(rùn)滑等惡劣條件中，且對(duì)系統(tǒng)重量要求嚴(yán)苛，超聲馬達(dá)是其中驅(qū)動(dòng)器的最佳選擇?；蛴贸曤妱?dòng)機(jī)作為機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，可將關(guān)節(jié)的固定部分和運(yùn)動(dòng)部分分別與超聲馬達(dá)的定、轉(zhuǎn)子作為一體，使整個(gè)機(jī)構(gòu)非常緊湊。2.4.4電機(jī)優(yōu)略比較超聲波電機(jī)成本較高且應(yīng)用場(chǎng)合較少故不用來(lái)比較服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)比較伺服電機(jī)的優(yōu)勢(shì)：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)失步的問題高速性能好，一般額定

17、轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000-3000轉(zhuǎn)抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速啟動(dòng)的場(chǎng)合特別適用低速運(yùn)行平穩(wěn)，不會(huì)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(chǎng)合。電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，一般(ybn)在幾時(shí)毫秒之內(nèi)發(fā)熱(f r)和噪音明顯降低綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要綜合(zngh)考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。研究報(bào)告的總結(jié)通過在課外查找、閱讀和分析相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，將各門課程的知識(shí)點(diǎn)圍繞機(jī)器人設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)。自主學(xué)習(xí)了有關(guān)機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)知識(shí)。了解了現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人主要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，探明和研究機(jī)器人常用的可控電機(jī)有哪些，以及如何選擇