工业机器人驱动与控制系统

1、4.1 4.1 工业机器人驱动系统工业机器人驱动系统4.2 4.2 工业机器人控制系统工业机器人控制系统4.3 4.3 工业机器人典型控制方法工业机器人典型控制方法4.4 4.4 工业机器人控制系统构成工业机器人控制系统构成4.5 4.5 工业机器人使用的传感器工业机器人使用的传感器2022-3-29机电工程学院12022-3-29机电工程学院24.1 4.1 工业机器人驱动系统工业机器人驱动系统4.1.1 4.1.1 驱动系统分类驱动系统分类按动力源划分液压驱动系统气动驱动系统电动驱动系统复合式驱动系统新型驱动系统基本驱动类型2022-3-29机电工程学院3由一般的发动机带动液压泵，液压泵转

2、动形成高压液由一般的发动机带动液压泵，液压泵转动形成高压液流（也就是动力），液压管路将高压液体（一般是液流（也就是动力），液压管路将高压液体（一般是液压油）接到液压马达，是液压马达转动，形成驱动力。压油）接到液压马达，是液压马达转动，形成驱动力。 液压驱动液压驱动2022-3-29机电工程学院4与液压驱动相似，传动介质不同。利用气与液压驱动相似，传动介质不同。利用气体的抗挤压力来实现力的传递。体的抗挤压力来实现力的传递。气动驱动气动驱动气动执行装置的种类：气缸、气动马达。气动执行装置的种类：气缸、气动马达。2022-3-29机电工程学院5电动驱动是一种将电信号转换成角位移或线位电动驱动是一种将

3、电信号转换成角位移或线位移的驱动方法。比如步进电动机是将电脉冲信号移的驱动方法。比如步进电动机是将电脉冲信号转化为位移或者是角位移的驱动方法。转化为位移或者是角位移的驱动方法。电动驱动电动驱动2022-3-29机电工程学院6新型执行装置：新型执行装置：压电执行装置：利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变压电执行装置：利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变形的压电效应。形的压电效应。形状记忆合金执行装置：利用镍钛合金等材料具有的形状随形状记忆合金执行装置：利用镍钛合金等材料具有的形状随温度变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。温度变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。数字计算机执行装置（

4、电机、液压等）执行机构（臂、手等）传感器（视觉、触觉等）环境（控制对象）运动控制卡A/D驱动器端子板图像采集卡2022-3-29机电工程学院7三种基本驱动系统的主要性能特点三种基本驱动系统的主要性能特点内容液压驱动气动驱动电动驱动输出功率很大,压力范围为:501400N/cm2,液体的不可压缩性大压力范围为4060N/cm2，最大可达100N/cm2较大控制性能控制精度较高，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现伺服控制控制精度高，能精确定位，反应灵敏。可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂2022-3-29机电工程

5、学院8三种基本驱动系统的主要性能特点三种基本驱动系统的主要性能特点内容液压驱动气动驱动电动驱动响应速度很高较高很高结构性能及体积执行机构可标准化、模块化，易实现直接驱动,功率质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大执行机构可标准化、模块化、易实现直接驱动功率质量比较大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化。结构性能好，噪声低。电动机一般需配置减速装置。除DD电动机外，难以进行直接驱动，结构紧凑，无密封问题。安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险。直流有刷电动机换向时有

6、火花，对环境的防爆性能较差2022-3-29机电工程学院9三种基本驱动系统的主要性能特点三种基本驱动系统的主要性能特点内容液压驱动气动驱动电动驱动对环境的影响泄漏对环境有污染排气时有噪声很小效率与成本效率中等(0.30.6)，液压元件成本较高效率低(0.150.2)，气源方便、结构简单，成本低效率为O.5左右，成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、重载点焊机器人和搬运机器人适用于中小负载，快速驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人。如冲压机器人、机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负

7、载，要求具有较高的位置控制精度，速度较高的机器人。如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等2022-3-29机电工程学院104.1.2 4.1.2 驱动系统设计的选用原则驱动系统设计的选用原则一般情况下，各种机器人驱动系统的设计选用原一般情况下，各种机器人驱动系统的设计选用原则：则：1 1）控制方式）控制方式2 2）作业环境要求）作业环境要求3 3）操作运行速度）操作运行速度低速重负载时可选用液压驱动系统；中等负载时可选用电动驱动系统；轻负载时可选用电动驱动系统；轻负载、高速时可选用气动驱动系统2022-3-29机电工程学院114.1.2 4.1.2 驱动系统设计的选用原则驱

8、动系统设计的选用原则一般情况下，各种机器人驱动系统的设计选用原一般情况下，各种机器人驱动系统的设计选用原则：则：1 1）控制方式）控制方式2 2）作业环境要求）作业环境要求3 3）操作运行速度）操作运行速度从事喷涂作业的工业机器人，由于工作环境需要防爆，考虑到其防爆性能，多采用电液伺服驱动系统和具有本征防爆的交流电动伺服驱动系统。2022-3-29机电工程学院124.1.2 4.1.2 驱动系统设计的选用原则驱动系统设计的选用原则一般情况下，各种机器人驱动系统的设计选用原一般情况下，各种机器人驱动系统的设计选用原则：则：1 1）控制方式）控制方式2 2）作业环境要求）作业环境要求3 3）操作运

9、行速度）操作运行速度在腐蚀性、易燃易爆气体、放射性物质环境中工作的移动机器人，一般采用交流伺服驱动。如要求在洁净环境中使用，则多要求采用直接驱动(Direct DriveDD)电动机驱动系统。2022-3-29机电工程学院134.1.2 4.1.2 驱动系统设计的选用原则驱动系统设计的选用原则一般情况下，各种机器人驱动系统的设计选用原一般情况下，各种机器人驱动系统的设计选用原则：则：1 1）控制方式）控制方式2 2）作业环境要求）作业环境要求3 3）操作运行速度）操作运行速度要求其有较高的点位重复精度和较高的运行速度，通常在速度相对较低(4.5ms) 情况下，可采用AC、DC或步进电动机伺服驱

10、动系统；在速度、精度要求均很高的条件下，多采用直接驱动(DD)电动机驱动系统。2022-3-29机电工程学院144.1.3 4.1.3 工业机器人主要的驱动系统工业机器人主要的驱动系统工业机器人主要的驱动系统：工业机器人主要的驱动系统：电液伺服驱动系统、电液伺服驱动系统、气动驱动系统、电动驱动系统气动驱动系统、电动驱动系统。早期的机械手和机器人中，其操作机多应用连杆早期的机械手和机器人中，其操作机多应用连杆机构中的导杆、滑块、曲柄，多采用液压机构中的导杆、滑块、曲柄，多采用液压( (气压气压) )活塞缸活塞缸( (或回转缸或回转缸) )来实现其直线和旋转运动。来实现其直线和旋转运动。随着控制技

11、术的发展，对机器人操作机各部分动随着控制技术的发展，对机器人操作机各部分动作要求的不断提高，电动机驱动在机器人中应用作要求的不断提高，电动机驱动在机器人中应用日益广泛。日益广泛。2022-3-29机电工程学院151 1、电液伺服驱动系统、电液伺服驱动系统电液伺服驱动控制系统是由电气信号处理单元与电液伺服驱动控制系统是由电气信号处理单元与液压功率输出单元组成的闭环控制系统。液压功率输出单元组成的闭环控制系统。具有具有控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、输出功率大、结构紧凑、功率质量比输出功率大、结构紧凑、功率质量比大等特点，大等特点，在机器人驱动系统中得到

12、广泛应用。在机器人驱动系统中得到广泛应用。采用电液伺服系统的工业机器人，具有采用电液伺服系统的工业机器人，具有点位控制点位控制和和连续轨迹控制连续轨迹控制功能，并具有功能，并具有防爆性能防爆性能。2022-3-29机电工程学院16电液伺服驱动的工业机器人所采用的电液转换和电液伺服驱动的工业机器人所采用的电液转换和功率放大元件有功率放大元件有电液伺服阀、电液比例阀电液伺服阀、电液比例阀等。等。电液伺服动力机构：电液伺服马达、电液伺服液电液伺服动力机构：电液伺服马达、电液伺服液压缸、电液步进马达、电液步进液压缸、液压回压缸、电液步进马达、电液步进液压缸、液压回转伺服执行器等。转伺服执行器等。采用电

13、液伺服驱动的工业机器人系统设计中，应采用电液伺服驱动的工业机器人系统设计中，应注意注意伺服阀的布置伺服阀的布置，以，以使伺服阀与驱动器之间连使伺服阀与驱动器之间连接的管线距离最短接的管线距离最短，以，以提高系统的动态响应提高系统的动态响应。系统动力源压力以适中为宜系统动力源压力以适中为宜6896891379kPa1379kPa，回，回油管以及油冷却器必须按一定的尺寸制造，以利油管以及油冷却器必须按一定的尺寸制造，以利热量散发，保护回路中的部件。热量散发，保护回路中的部件。2022-3-29机电工程学院172 2、气动驱动系统、气动驱动系统气动驱动系统多用于：两位式或有限点位控制的气动驱动系统多

14、用于：两位式或有限点位控制的工业机器人工业机器人( (如冲压机器人如冲压机器人) )中；作为装配机器人中；作为装配机器人的气动夹具；用于点焊等较大型通用机器人的气的气动夹具；用于点焊等较大型通用机器人的气动平衡中。动平衡中。机器人气动驱动结构机器人气动驱动结构2022-3-29机电工程学院18机器人气动驱动结构图机器人气动驱动结构图包括空气压缩包括空气压缩机、储气罐、机、储气罐、汽水分离器、汽水分离器、调压过滤器等调压过滤器等由分水滤由分水滤气器、调气器、调压器和油压器和油雾器组成雾器组成包括电磁气包括电磁气阀、节流调阀、节流调速阀和减速速阀和减速压阀等压阀等多采用直多采用直线气缸和线气缸和摆

15、动气缸摆动气缸2022-3-29机电工程学院193 3、电动驱动系统、电动驱动系统机器人电动伺服驱动系统是机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动得机器人的各种运动的执行机构。的执行机构。要求有较大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转要求有较大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。且具有较大的短时过载能力

16、。机器人末端执行器机器人末端执行器( (手爪手爪) )应采用体积、质量尽可应采用体积、质量尽可能小的电动机。能小的电动机。2022-3-29机电工程学院20电动驱动系统电动驱动系统对关节驱动电机的主要要求：对关节驱动电机的主要要求：1 1）快速性）快速性2 2）起动转矩惯量比大）起动转矩惯量比大3 3）控制特性的连续性和直线性）控制特性的连续性和直线性4 4）调速范围宽）调速范围宽5 5）体积小、质量小、轴向尺寸短）体积小、质量小、轴向尺寸短6 6）可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在）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短时间内承受过载2022-3-29机电工程学

17、院21电动机驱动方式应用类型一般可分为电动机驱动方式应用类型一般可分为直流伺服电动机直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动、步进电动机驱动驱动、交流伺服电动机驱动、步进电动机驱动等。在等。在工业机器人中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、工业机器人中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机直接驱动电动机(DD)(DD)都采用闭环控制，常用于位置精都采用闭环控制，常用于位置精度和速度要求高的机器人中。度和速度要求高的机器人中。目前，一般负载目前，一般负载1000N1000N以下的工业机器人大多采用以下的工业机器人大多采用电电伺服驱动系统伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是。所采用的关

18、节驱动电动机主要是ACAC伺伺服电动机，步进电动机和服电动机，步进电动机和DCDC伺服电动机。伺服电动机。交流伺服电动机交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛使用。易燃易爆环境中得到了广泛使用。步进电动机步进电动机主要适主要适于开环控制系统，一般用于位置和速度精度要求不高于开环控制系统，一般用于位置和速度精度要求不高的环境。的环境。机器人关节驱动电动机的功率范围机器人关节驱动电动机的功率范围般为般为0.10.110kW10kW。2022-3-29机电工程学院224.1.4 4.1.4 工业机器人驱动系统中的电动机驱动器工业机器人驱

19、动系统中的电动机驱动器1 1、工业机器人电动机驱动原理、工业机器人电动机驱动原理直流电机直流电机驱动（驱动（DC motor）止口止口直流电动机通过直流电动机通过换向器将直流转换向器将直流转换成电枢绕组中换成电枢绕组中的交流，从而使的交流，从而使电枢产生一个恒电枢产生一个恒定方向的电磁转定方向的电磁转矩。矩。T=BILr换向器换向器电刷电刷2022-3-29机电工程学院242 2、工业机器人采用的电动机驱动器、工业机器人采用的电动机驱动器电动机驱动器类型包括：直流伺服电动机驱动器、同电动机驱动器类型包括：直流伺服电动机驱动器、同步式交流伺服电动机驱动器、步进电动机驱动器、直步式交流伺服电动机驱

20、动器、步进电动机驱动器、直接驱动、特种驱动器。接驱动、特种驱动器。1 1直流伺服电动机驱动器直流伺服电动机驱动器直流伺服电动机驱动器多采用脉宽调制直流伺服电动机驱动器多采用脉宽调制(PWM)(PWM)伺服驱伺服驱动器，通过改变脉冲宽度来改变加在电动机电枢两端动器，通过改变脉冲宽度来改变加在电动机电枢两端的平均电压，从而改变电动机的转速。的平均电压，从而改变电动机的转速。 PWM PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强等特点，在工业机器人响应快、效率高、过载能力强等特点，在工业机器人中常作为直流伺服电动机驱动器中常作为直流伺服

21、电动机驱动器2022-3-29机电工程学院252 2同步式交流伺服电动机驱动器同步式交流伺服电动机驱动器 同直流伺服电动机驱动系统相比，同步式交流伺服电同直流伺服电动机驱动系统相比，同步式交流伺服电动机驱动器具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等动机驱动器具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点，在工业机器人中得到广泛应用。优点，在工业机器人中得到广泛应用。 同步式交流伺服电动机驱动器通常采用电流型脉宽调同步式交流伺服电动机驱动器通常采用电流型脉宽调制制(PWM)(PWM)三相逆变器和具有电流环为内环、速度环为外环三相逆变器和具有电流环为内环、速度环为外环的多闭环控制系统，以实现对三相永

22、磁同步伺服电动机的的多闭环控制系统，以实现对三相永磁同步伺服电动机的电流控制。根据其工作原理、驱动电流波形和控制方式的电流控制。根据其工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同，它又可分为两种伺服系统：不同，它又可分为两种伺服系统： 1) 1) 矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统。矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统。 2) 2) 正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。 采用矩形波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷采用矩形波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷直流伺服电动机，采用正弦波电流驱动的永磁交流伺服电直流伺服电动机，采用正弦波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷交流伺服电动机。动机称为无刷交流伺服电动机。2022-3-29机电工程学院26一般情况下，交流伺服驱动器，可通过对其内部一般情况下，交流伺服驱动器，可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现以下功能：功能参数进行人工设定而实现以下功能： 1) 位置控制方式； 2) 速度控制方式； 3) 转矩控制方式； 4) 位置、速度混合方式； 5) 位置、转矩混合方式； 6) 速度、转矩混合方式； 7)