2.2工业机器人的驱动方式

1、工业机器人的驱动方式机械工程学院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。机械工程学院1. 液压驱动：分类：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。从控制分为开环控制液压系统和闭环控制液压系 统。适用范围：液压系统具有较大的功率体积比，适合于大负载 的情形。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。莎孑支逼尢礬机械工程学院墓托一曼机器人搬运墮涂机器人*,2. 气压驱动:分类：直线气缸，摆动汽缸及旋转气动马达。适用范围:适合于节拍快、负载小且精度要求不高 的场合（因为空气具有可压缩性）。3. 电机驱动:分类：按

2、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。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。适用范围: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。膨罗夭逼尢器机械工程学院1、对驱动装置的要求驱动装置的质量尽可能要轻。单位质量 的输岀功率要高，效率高。反应速度要快。要求力质量比和力矩转 动惯量比要去。动作平滑，不产生冲击。控制灵活，位移偏差和速度偏差小。安全可靠。操作维修方便等。膨孑支逼伙辱机械工程学院三、液压驱动装置1实现直线运动的液压缸:主要构成:DL-K八.远沁刀架刀盘:3f .丿y.,7卅刀架转位X署L莎孑关违丈学机械工程学院工作原理:主要由

3、活塞、 活基杆、缸体、 缸盖、密封圈、 进出油口等构 成。9单活基杆液压缸结构图:99(a)9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99机械工程学竽召鹽多支通丈滲机械工程学院精密步进：0.0051米/步 Stepping motion: 0 005mm / Step数字液压缸数字液压缸原理图631日本东京计器公司的数字缸1缸体2活塞村3活塞4一螺母5螺朴6阀体7平衡活塞8三通阀9一齿轮副10-编码器技术特点11、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

4、过网络等远程进行系统的操控。14、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、高电磁兼容性甌干扰。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

5、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。2实现回转运动的液压马达: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、叶片式以及轴向 柱塞式。膨乎支遍乂学机械工程学院ab736(If® Al)101£B5达工作原理图:工作流程:叶片式液压马a压力油进入油腔a作用在 叶片2的右侧、叶片1的左侧一叶片2伸出面积大一推力大一推动叶片顺时针旋 转一转至b腔回油一带动中心轴回转一液压能转变为机 械能。主要构成：缸体定子转子叶片输出轴进油口岀油口 进油fix a回油腔切械工程学院叶片式液压马达结构图:6定子7转子

6、8叶片$歩久良尢邃机械工程目数字液压马达每分钟q转低速无爬行3闭环伺服控制系统（1）:工作原理: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）:反馈通道手爪 臂伺服向液压源液压缸7/I编码器)输岀比较器示教控制伺服放大器记录按钮两者尿用:储器乐 a液压伺服系统原理图莎多支逼尢竽机械工程学闭环伺服系统图例（2）:用伺服阀控制液压缸简化原理图扬孑文逼丈齊机械工程学院3.闭环伺服控制系统(2):核心液压元件：在闭环伺服控制系统中，核心液压元件是电液 伺服阀。

7、作用及特点：电液伺服阀是一种接受电气模拟信号,输出相 应调制流量和压力的液压控制阀。分类：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(3):喷嘴挡板阀:膨罗夭逼尢器机械工程学院结构：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。特点：能够按照控制要求动作。工作原理: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

8、通电-挡板4移动一改变喷嘴5 口径大小一 工作阀芯7两端产生压差-阀芯移动膨罗夭逼尢器机械工程学院膨罗夭逼尢器机械工程学院机械工程学院膨罗夭逼尢器机械工程学院©力矩马达喷嘴挡板阀结构示意图:前置阀功率阀机械工程学卩口j喷嘴挡板阀结构示意图:©p-fefcI矢21力矩9达;2衔铁;3扭力 管;4挡板；5控制喷嘴;6反 馈杆；7滑闽机械工程学电机驱动装置的工作原理1.步进电机： 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*俞入脉7审对血电机的一个国定 转角，敲*尔为步粧由机。步建由机属于同步由机，

9、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。莎孑关违丈学机械工程学院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

10、时，只要维持绕组的激励电流不变， 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相通电竽机械工程学V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：控制较容易，维修也较方便,而且控制为全数字化。缺点：由于开环I三控制，所以精度不高。2.相关术语相数产生不同N、S对磁场的激磁线圈对数。拍数衣完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。四相

11、四拍运行方式：AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角，对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用e表示。一般步进电机的精度为步距角的3-5%,且不累积。失步综电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。机械工程学院保持转距(HOLDING TORQUE)或静转矩是指电机各相绕 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。 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2Nm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2Nm的步进电机。定位转矩是指电机各相绕组不通电且处于开路状

12、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 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。DETENT TORQUE在国内没有统一 的翻译。细分驱动器的原理通过改变相邻(A, B)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o驱动器细分后的主要优点:日相磁场(1)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。提高了电机的分辨率。(3)柘孑文逼尢密机械工程学院伺服电机与步进电机比较伺服电机的优势: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20003

13、000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；$、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。需多文邁丈摩机械工程学院超声波电机（一种未来很有希望的电机）转子靡乘材料工作原理：当给压电陶瓷施加一用电陶瓷定了定方向的电压时，各部分产生的 应变方向相反（在正电压作用下, +的输并伸鮫，-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，定子特点：超声波电机具有体积小,重量轻，不用

14、制动器，速度和位置控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900,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，使定子作椭运动轨迹的振动。这样，装在制灵敏度高，转子惯性小，响应性能定子上的转子在摩擦力的作用下好，没有电磁噪声等普通电机不具备 的优点。就会产生旋转。同样也有直线运 动的超声波电机。爲告畑栓机械工程学院直接驱动电机(direct drive:DD)优点：不用齿轮减速器直接驱动，因此具有无间隙、摩擦小、1=.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

15、荷的影响。种类：直流力矩电机、无刷直流电机、VR式电机等。步进电机选型步骤计算负载力矩TL计算负载惯最JL确定驱动机械裝置部件尺寸:减速比外作用力厘力:及其它因素冷备驱动数据图根据定位时间,确定加减速时间，起动 脉冲速度fl,最大脉冲速度代步进电机选型步骤暂时选定电机转子惯量不小于负载惯 J.的1/10在起动脉冲谨度fl时据动另矩不小于如陞力拒tl在量大脉冲速度10时，离开力矩不小于员簸力矩tl根据驰动数据图，负载惯呈，转子惯呈等因素进彳亍计算驱动力矩Td二（加速力矩Ta+负载力矩TL）X安全系数 fl 1' < 1! “卫度切时，离开力矩不小于驱动力矩Tdmj i t (kg)

16、1）垂頁提升物休时:负载惯疑：JL(kg.cttf> (n .32) p L (Df -D24) + (m Dj2 )/4负载力矩：R(N.in= (WIV2)X1OV W一-重量（N）P 一-滚轮材料比重（kg/c谥）iri铁 P =7. 86 X IO'3 (kg/cin3)铝合金 P =2. 69 X IO-3 (kg/cm3)(转换：lkgf=9. 8N)2)水平移动物休时：员载惯駅：JL(kg.cm> h+ (ZZ)： J2+J3-m (P/2 兀 负载力矩：Tl(N_m)= (Z，Z) u (W+f)P/(2n)X 1(Pm质 fi(kg); f杆固定力(N)U

17、 摩擦系数 n播递效率齿轮J厂惯fi (kgcm2);分齿数齿轮J厂惯fi (kgem2);分齿数Z(fO-fl)/t X10-2 + TL导杆J厂惯fi (kgcmi2) ; P-螺距(cm) 3脉冲频率 f二(N/60) (360/9 s)0 S步即角(度)N詁速(rpm)TlAT 驱动力矩 加速力矩 血一电机转子惯量 JL负载惯疑移动方向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=10 X360°1.2°=3000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：3000

18、Pulse/1 sec=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：力11/减速时间设置为定位时间的格动 nfAioor«i3.8(Hzl移动方向滚轴丝杆卿/螺麗同1秒-0.25秒启动脉冲遼度5O3Hz):1-Ji11Q0.25砂0.25(： JL Kli;. 加用S速运行檯式25%,启动脉冲速度为500Hz,则12驱动传动带移动斃蔣1.1001mm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50mmo因此，所需要的必要脉冲数为1100360°必要脉冲数= X =6600 脉冲501.2°同上例驱动滚轴銘杆，采用如减速运行模式，则驱动脉冲速度为:驱动脉冲速度