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1、工业机器人技术,第4章 工业机器人动力系统,目录,4.1 动力系统分类4.2 交流伺服系统4.3 液压伺服系统4.4 气动系统,4.1动力系统分类,4.1.1 电动驱动系统4.1.2 液压驱动系统4.1.3 气动驱动系统4.1.4 三种驱动方式对照,工业机器人对动力系统的常见要求,（1）动力系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；（2）反应速度要快，要求能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；（3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；（4）安全可靠；（5）操作和维护方便；（6）对环境无污染，噪声要小；（7）经济上合理；（8）结构紧凑，尽量减少体积。,4.1.1 电动驱动系统
2、,电动驱动器是目前使用的最广泛的驱动器。电动驱动是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动机器人的关节，以获得所要求的位置，速度和加速度。它的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。比较常用的电动驱动装置是步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机三大类。,步进电机,步进电机驱动通常是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制系统，具有一定精度，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。电脉冲是由专用驱动电源供给的，每当对其施加一个脉冲时，其输出轴便转过一个固定角度(称为“步进角”)，电机就前进一步，当供给连续电脉冲时就能一步一步地
3、连续转动，这种电机的运行方式与普通匀速旋转的电机有一定差别，是步进式运动，因此命名为步进电机。,步进电机的特点,位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累，使得系统控制方便，结构简单，制造成本低；易于启动、停止、正反转及变速，响应性也好；速度可在相当宽范围内平滑调节。另外，可用一台控制器同时控制几台步进电机使它们完全同步运行；步进角选择范围大，可在几十分至180大范围内选择。在小步距情况下，能够在超低速、高转矩下稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载；,步进电机的特点,无刷，电机本体部件少，可靠性高；停止时，可有自锁能力；启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过
4、冲的现象，为保证其控制精度，需处理好升、降速问题；不能直接使用普通的交直流电源驱动，必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。,伺服电机的分类,伺服电机剖面图,(a)永磁式直流伺服电机的剖面图(b)永磁式同步伺服电机的剖面图,交流伺服电机,随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。无刷式直流伺服电机采用内装式的霍尔效应传感器组件来检测转子的绝对位置以决定功率组件的触发时序，其效用有如将直流伺服电机的机械式电刷换相改为电子式换相，因而去除了直流伺服电动机因电刷所带来的限制。目前一般永磁式交流伺服电机的回接组件多采用解角器或光电解编码器，前者
5、可量测转子绝对位置，后者则只能测得转子旋转的相对位置，电子换相则设计于驱动器内。,伺服系统特点,（1）控制量是机械位移或位移的时间函数；（2）给定值在很大的范围内变化；（3）属于反馈控制；（4）能使输出量快速准确地随给定量变化；（5）输入功率小，输出功率大；（6）能进行远距离控制；,4.1.2 液压驱动系统,它具有动力大、力(或力矩)与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适于在承载能力大，惯量大以及在防火环境中工作的这些机器人中应用。但液压系统需进行能量转换(电能转换成液压能)，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低。液压系统的液体泄漏会对环境产生污染，工作噪声也较高。
6、因这些弱点，近年来，在负荷为100kg以下的机器人中往往被电动系统所取代。,气动驱动系统,气动驱动系统具有速度快、系统结构简单，维修方便、价格低等特点，适于在中、小负荷的机器人中采用。但因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。气动驱动器的能源、结构都比较简单、但与液压驱动器相比，同体积条件下功率较小(因压力低)，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统。,4.1.4 三种驱动方式对照,4.2 交流伺服系统,4.2.1概述4.2.2驱动器4.2.3交流永磁同步伺服系统的工作及控制原理,4.2.1 概述,工业机器人伺服系统的发展与伺服电动机的发展
7、密切相关。伺服系统包括：伺服电机及其驱动器，外加编码器构成通常所说的伺服系统。除了驱动部分以外，还包括操作软件、控制部分、检测元件、传动机构和机械本体，各部件协调完成特定的运动轨迹或工艺过程。工业机器人伺服系统的发展经历了三个阶段。,几种常用的机器人伺服控制策略,恒压频比控制矢量控制直接转矩控制,伺服控制器,单片机系统运动控制专用PLC系统专用数控系统PC+运动控制卡,4.2.2 驱动器,伺服驱动器主要包括功率驱动单元和伺服控制单元；伺服控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。其作用类似于变频器作用于普通交流电机。,交流伺服系统,交流伺服驱动器的一般结构
8、,检测元件,对于一个设计完善的伺服系统，其定位精度等主要取决于检测元件。伺服运动控制系统常用检测元件包括：测速电机，感应同步器、光电编码器、磁敏式、电磁式等和光栅等元件。也有控制精度要求相对较高的场合，采用正弦或余弦旋转变压器等位置传感器的，但无论哪种测量方式本质都是用来测量转子位置信息，只是安装的体积，方便程度，成本及可靠性要求不同而已。,旋转式光电编码器的一般结构,编码器工作原理,由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取；由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位；编码器码盘的
9、材料有玻璃、金属、塑料；分辨率编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率或称多少线；一般在每转分度5-10000线。,旋转式光电编码器的输出信号,4.2.3交流永磁同步伺服系统的工作原理,永磁同步电机其本身是一个自控式同步电机，它有定子和转子组成，有的定子是线圈，转子是永磁体，有的转子是线圈，定子是永磁体。但无论哪种方式，电机本身是不能够自己执行旋转控制的，它必须依赖电子换相装置，这也是为什么这种电机需要变频控制的原因。也可以这样说，该种电机系统由电动机，逆变器和位置传感器共同组成,永磁同步电机的基本工作原理,交流永磁同步伺服数字式驱动器结构图,一般永磁同步电机的驱动器的结构,交流永
10、磁同步伺服系统的控制方法,永磁同步电机的矢量控制原理框图,智能功率模块结构图,三相逆变器主回路,4.3 液压伺服系统,4.3.1 液压伺服驱动系统4.3.2 电液比例控制4.3.3 电液比例换向阀4.3.4 摆动缸4.3.5 齿条传动液压缸4.3.6 液压伺服马达,电液伺服系统,电液伺服系统通过电气传动方式，将电气信号输入系统来操纵有关的液压控制元件动作，控制液压执行元件使其跟随输入信号而动作。这类伺服系统中电液两部分之间都采用电液伺服阀作为转换元件。电液伺服系统根据物理量的不同可分为位置控制、速度控制、压力控制和电液伺服控制。,机械手手臂伸缩电液伺服系统原理图,1电液伺服阀 2液压缸 3机械
11、手手臂 4电位器5步进电动机 6齿轮齿条 7放大器,4.3.1 液压伺服驱动系统,液压伺服驱动系统由液压源、驱动器、伺服阀、传感器和控制回路组成。电液伺服阀是电液伺服系统中的放大转换元件，它把输入的小功率电流信号，转换并放大成液压功率输出，实现执行元件的位移、速度、加速度及力的控制。,液压伺服驱动系统,喷嘴档板式电液伺服阀的工作原理图,1线圈 2，3导磁体 4永久磁铁 5衔铁6弹簧管 7，8 9挡板10，13固定节流孔11反馈弹簧杆 12主滑阀,4.3.2 电液比例控制,电液比例控制是介于普通液压阀的开关控制和电液伺服控制之间的控制方式。它能实现对液流压力和流量连续地、按比例的跟随控制信号而变
12、化。它的控制性能优于开关控制，它与电液伺服控制相比，其控制精度和响应速度较低。因为它的核心元件是电液比例阀，所以简称比例阀。,电液比例压力阀,1压力阀 2力马达 3推杆4钢球 5弹簧 6锥阀,4.3.3 电液比例换向阀,电液比例换向阀一般由电液比例减压阀和液动换向阀组合而成，前者作为先导级以其出口压力来控制液动换向阀的正反向开口量的大小，从而控制液流方向和流量的大小。,图4-20 电液比例换向阀1，6螺钉 2，4电磁铁 3，5阀芯,4.3.4 摆动缸,摆动式液压缸也称为摆动液压马达。当它通入压力油时，它的主轴能输出小于360的摆动运动，常用于夹具夹紧装置、送料装置、转为装置以及需要周期性进给的
13、系统中。,图4-21 摆动缸,4.3.5 齿条传动液压缸,图4-22 齿条传动液压缸 图4-23 滑阀伺服马达的原理1，9螺钉 2，8端盖 3半圆环 4，7活塞 5齿条 6齿轮,4.4 气动系统,4.4.1气压驱动回路4.4.2气源系统的组成4.4.3气压驱动器,空气压缩机输出的压缩空气首先储存于储气罐中，然后供给各个回路使用。气动回路使用过的空气无需回收，而是直接经排气口排入大气，因而没有回收空气的回气管道。,4.4.1 气压驱动回路,压缩空气由空气压缩机产生，其压力约为0.5-0.7Mpa，并被送入储气罐。然后由储气罐用管道接入驱动回路。在过滤器内出去灰尘和水分后，流向压力调整阀调压，使空
14、气压缩机的压力至4-5Mpa。,4.4.2 气源系统的组成,一般规定，当排气量大于或等于6-12 的情况下，就有必要单独设立压缩空气站。压缩空气站主要由空气压缩机、吸气过滤器、后冷却器、油水分离器和储气罐组成。如要求气体质量更高，还应附设气体的干燥、净化等处理装置。,气源净化辅助设备,图4-25 风冷式后冷却器 图4-26 撞击折回式油水分离器,图4-27 储气罐,气源净化辅助设备,图4-28 干燥器 图4-29 过滤器,湿空气进气管 2椭圆封头 3，5，10法兰4，6再生空气排气管 7再生空气进气管8干燥空气输出管 9排水管 11，22密封垫12，15，20铜丝过滤网 13毛毡 14下栅板1
15、6，21吸附剂 17支撑板 18外壳 19上栅板,4.4.3 气压驱动器,气压驱动器时最简单的一种驱动方式，气体驱动元件有直线汽缸和旋转气动马达两种。气压驱动器除了用压缩空气作为工作介质外，其它与液压驱动器类似。气动马达和汽缸是典型的气压驱动器。气压驱动器结构简单、安全可靠、价格便宜。但是由于空气的可压缩性，精度和可控性较差，不能应用在高精度的场合。一种新型的气动马达，用微处理器直接控制的一种叶片马达，能携带215.6N的负载而又获得高的定位精度（1mm）。,叶片式气动马达,由于空气的可压缩性，使得气缸的特性与液压油缸的特性有所不同。因为空气的温度和压力变化时将导致密度的变化，所以采用质量流量比体积流量更方便。,气压驱动的控制结构,放大器把输入的控制信号放大后去推动电动部件及变速器，电动部件及变速器把电能转化为机械能，产生线位移或角位移。最后通过位移气压变换器产生与控制信号相对应的气压值。位移气压变换器是喷嘴挡板式气压变换器。气-电变换器把输出的气压变成电量用作显示或反馈。,结束,中南林业科技大学朱洪前,
