工业机器人驱动方法和应用.ppt

工业机器人驱动方法和应用,工业机器人驱动方法,液压驱动气压驱动直流电机驱动交流电机驱动步进电机驱动超声波电机驱动,液压驱动,把油压泵产生的工作油的压力能转变成机械能的装置称为液压执行器。在驱功液压执行器时，作为外围设备，包括：(1)形成液压的液压泵；(2)供给工作油的导管；(3)控制工作油流动的液压控制阀；(4)控制控制阀的控制回路，根据液压执行器输出量的形式的不同，大致可以把它们区分为作直线运动的油压缸和作旋转运动的油压马达。,液压驱动系统,功率重量比高，低速时出力大（无论直线驱动还是旋转驱动）,适合微处理器及电子控制，可用于极端恶劣的外部环境。由于液压系统中存在不可避免的泄漏、噪声和低速不稳定等问题，以及功率单元非常笨重和昂贵，目前已不多使用它们。现在大部分机器人是电动的，当然仍有许多工业机器人带有液压驱动器。此外，对于一些需要巨大型机器人和民用服务机器人的特殊应用场合，液压驱动器仍可能是合适的选择。,气压驱动,气压驱动器在原理上与液压驱动器相同；由于气动装置的工作压强低，和液压系统相比，功率重量比低得多；由于空气的可压缩性，在负载作用下会压缩和变形，控制气缸的精确位置很难。因此气动装置通常仅用于插入操作或1/2自由度关节上；结构简单，安全可靠，价格便宜；,液压驱动与气压驱动之对比,液压驱动适于搬运较重的物体不适于高速移动适于确定高精度位置,气压驱动适于搬运较轻的物体适于高速移动不适于确定高精度位置,直流电机驱动,1.直流电机工作原理,左手定则,直流电动机通过换向器将直流转换成电枢绕组中的交流，从而使电枢产生一个恒定方向的电磁转矩。,2.矩频特性曲线：电流控制曲线和电压控制曲线。,3.直流电机的控制方式改变电压或电流控制转速和转距。,其中，KE为电动势常数，KT为转矩常数。,脉冲宽度调制PWM是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压达到调节电机转速的目的。,优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。,4.直流电机的特点,书籍是进步的阶梯,缺点：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，噪音比交流电机大。,交流电机驱动,1.工作原理,ACservomotor,2.矩频特性曲线,同步电机：定子是永磁体，所谓同步是指转子速度与定子磁场速度相同。,异步电机：转子和定子上都有绕组，所谓异步是指转子磁场和定子间存在速度差（不是角度差）。,同步电机的特点：体积小。用途：要求响应速度快的中等速度以下的工业机器人；机床领域。,伺服电机的精度由编码器的精度决定。,3.交流电机的特点,4.交流电机的控制方式改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。,特点：无电刷和换向器，无产生火花的危险；比直流电机的驱动电路复杂、价格高。,异步电机的特点：转子惯量很小，响应速度很快。用途：中等功率以上的伺服系统。,步进电机驱动,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：由于开环控制，所以精度不高。,步进电机有三种：永磁式PM（permanentmagnet）；反应式（也称可变磁阻式）VR（variablereluctance），在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式HB（hybrid），混合式是指混合了永磁式和反应式的优点，混合式步进电机的应用最为广泛。,步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。简单说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。,1.工作原理,PM式步进电机转子是永磁体，定子是绕组，在定子电磁铁和转子永磁体之间的排斥力和吸引力的作用下转动，步距角一般为7.5o90o。,VR式步进电机用齿轮状的铁心作转子，定子是电磁铁。在定子磁场中，转子始终转向磁阻最小的位置。步距角一般为0.9o15o。,HB式步进电机是PM式和VR式的复合形式。在永磁体转子和电磁铁定子的表面上加工出许多轴向齿槽，产生转矩的原理与PM式相同，转子和定子的形状与VR式相似，步距角一般为0.9o15o。,2.运行矩频特性,3.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，高负载或高速度时易失步，低速运行时会产生步进运行现象。,在这个输出转矩区间，步进电机启动时的输入脉冲频率必须缓慢增加,1、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；2、高速性能好，一般额定转速能达到20003000转；3、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；4、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；5、电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内；6、发热和噪音明显降低。,伺服电机与步进电机比较,伺服电机的优势：,直接驱动电机,这是什么？,优点：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控制。,缺点：因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响。,种类：直流力矩电机、无刷直流电机、VR式电机等。,超声波电机（一种未来很有希望的电机）,工作原理：当给压电陶瓷施加一定方向的电压时，各部分产生的应变方向相反（在正电压作用下，+的部分伸长，-的部分压缩），+、-部分交替相接。在交流电压的作用下，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陶瓷的相位差为90O，所以，在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，装在定子上的转子在摩擦力的作用下就会产生旋转。同样也有直线运动的超声波电机。,特点：超声波电机具有体积小，重量轻，不用制动器，速度和位置控制灵敏度高，转子惯性小，响应性能好，没有电磁噪声等普通电机不具备的优点。,机器人对关节驱动电机的要求,1、快速性，电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。2、调速范围宽，能使用于1：100010000的调速范围。3、体积小、质量小、轴向尺寸短。4、控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。5、能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。6、起动转矩惯量比大，在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。,工业机器人的应用,现有工业机器人主要用于机械制造、汽车工业、金属加工、电子工业、塑料成型等行业。从功能上看，这些应用领域涉及机械加工、搬用、工件及工夹具装卸、焊接、喷漆、装配、检验和抛光修正等。主要目的是提高生产能力、改善工件条件、提高制造系统的自动化水平和柔性。,一、机械制造领域,机械制造企业的柔性制造系统采用搬运机器人搬运物料、工件和工具，装配机器人完成设备的零件装配，测量机器人进行在线或离线测量。,如左图所示是两台机器人用于自动装配的情况，主机器人是一台具有3个自由度，且带有触觉传感器的直角坐标机器人，它抓取第1号零件，并完成装配动作，辅助机器人仅有一个回转自由度，它抓取第2号零件，1号和2号零件装配完成后，再由主机械手完成与3号零件的装配工作。,机器人用于零件装配,二、汽车制造领域,汽车制造生产线中的点焊和喷漆工作量极大，且要求有较高的精度和质量，由于采用传送带流水作业，速度快，上下工序要求严格，所以采用焊接机器人和喷漆机器人作业可保证质量和提高效率。其次，我们还在汽车制造领域使用了搬运机器人，装配机器人,喷漆工业机器人,喷涂机器人在汽车制造业中可喷涂形态复杂的汽车工件，而且生产效率和很高。多用于汽车车体的喷涂作业，如喷漆、喷釉等,1操作机2识别装置3外起动4喷漆工件5示教手把6喷枪7漆罐8外同步控制9生产线停线控制10控制系统11遥控急停开关12油源,喷漆工业机器人系统示意图,焊接机器人,汽车行业的发展水平，代表了一个国家的综合技术水平，汽车工业的发展将会带动其他行业的发展。各厂商为了在日渐激烈的竞争中立于不败之地，必须率先实现焊接自动化，因此，今后除了如汽车、摩托车这样的大批量生产行业，一些产品多样化的企业，为了提高焊接质量，也将会考虑使用焊接机器人，如钢结构等行业，与此同时，对焊接机器人的要求也必然会逐步提高，比如说对焊道的自动跟踪系统的需求会逐步加大等。,1总机座2轴旋转换位器3、4控制装置5工件夹具6工件7焊接电源,焊接机器人系统,搬运机器人,汽车桥箱类零件具有精度高、加工工序多、形状复杂、重量重的特点，为提高其加工精度及生产效率，各重型汽车生产厂家纷纷采用数控加工中心来加工此类零部件。而在使用数控加工中心加工工件时，要求工件在工作台上具有非常高的定位精度，且需要保证每次上料的一致性。由于人工上料此类的工件具有劳动强度高、上料精度不好控制等缺点，现在正逐步被工业机器人或专机进行上下料所取代。,工业机器人具有重复定位精度高，可靠性高，生产柔性化，自动化程度高等突出的优势：与人工相比，能够大幅度提高生产效率和产品质量；与专机相比，具有可实现生产的柔性化，投资规模小等特点。机器人智能化自动搬运系统作为减速器壳体加工的重要生产环节，虽然已经在国内重型汽车厂内取得成功的应用，但依然尚未普及。在国家经济建设飞速发展的进程中，重型载重汽车的生产能力及生产力水平亟待有一个质的飞跃，而工业机器人即是提升生产力水平的强力推进器。,搬运机器人,装配机器人,在国内外各大汽车公司装配生产线上被广泛采用的装配机器人。一方面使汽车装配自动化水平大大提高，目前，国外某些大批量生产的轿车的装配自动化程度已达到50%65%。另一方面，有效地减轻了工人的劳动强度，提高了装配质量，并明显地提高了生产率。在汽车整车装配中，机器人不仅用于挡风玻璃的密封及涂覆、安装和车轮备胎、仪表盘总成、后悬梁、车门、蓄电池等部件的安装，也用于发动机动力总成等大件的安装。,装配机