第4章工业机器人动力系统

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1、目录第一章工业机器人概论第二章工业机器人的数学基础第三章工业机器人的机械系统第四章工业机器人的动力系统第五章工业机器人的感知系统第六章工业机器人的控制系统第七章工业机器人编程与调试 工业机器人技术基础 第四章工业机器人动力系统 主要内容4 1工业机器人的动力系统组成 了解 4 2交流伺服动力系统 掌握 4 3直流伺服动力系统 掌握 4 4液压气动系统主要设备及特性 掌握 工业机器人技术基础 4 1工业机器人的动力系统的类型 第四章工业机器人的动力系统 工业机器人技术基础 工业机器人动力系统将电能或流体能等转换成机械能的动力装置 按照控制系统发出的指令信号 借助于动力元件使工业机器人完成指定的工

2、作任务 它是用来使机器人运动的动力机构 好比是机器人的心脏 4 1 1 工业机器人的动力系统的类型 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 1 液压动力系统2 气动动力系统3 电动动力系统 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 1 2工业机器人的动力系统的组成 1 工业机器人动力装置的组成 主要包括 气源 控制调节元件 辅助元件与装置 气动动力机构等 气动工业机器人动力装置组成框图 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 1 2工业机器人的动力系统的组成 1 工业机器人动力装置的组成 液压式工业机器人主要包括 油源 执行机构 控制调节元件 辅助元件等 电液伺服工业机

3、器人动力装置组成框图 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 1 2工业机器人的动力系统的组成 1 工业机器人动力装置的组成 电动式工业机器人主要包括 位置比较器 速度比较器 信号和功率放大器 驱动电机 减速器等 电动伺服工业机器人动力装置组成框图 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 1 2工业机器人的动力系统的组成 2 工业机器人传动机构的组成 1 谐波传动机构 谐波传动机构的结构 谐波发生器通常由凸轮或偏心安装的轴承构成 刚轮为刚性齿轮 柔轮为能产生弹性变形的齿轮 当谐波发生器连续旋转时 产生的机械力使柔轮变形 变形曲线为一条基本对称的谐波曲线 第四章工业机器人动力

4、系统 工业机器人技术基础 4 1 2工业机器人的动力系统的组成 2 工业机器人传动机构的组成 2 丝杠传动机构 工业机器人采用丝杠螺母传动的手臂升降机构 由电动机1带动蜗杆2使蜗轮5回转 依靠蜗轮内孔的螺纹带动丝杠4作升降运动 为了防止丝杠的转动 在丝杠上端铣有花键 与固定在箱体6上的花键套7组成导向装置 工业机器人丝杠螺母传动的手臂升降机构 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 1 2工业机器人的动力系统的组成 2 工业机器人传动机构的组成 工业机器人丝杠螺母传动的手臂升降机构 带传动和链传动用于传递平行轴之间的回转运动 或把回转运动转换成直线运动 工业机器人中的带传动和链传动分

5、别通过带轮或链轮传递回转运动 3 带传动和链传动 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 2 工业机器人传动机构的组成 工业机器人丝杠螺母传动的手臂升降机构 带传动和链传动用于传递平行轴之间的回转运动 或把回转运动转换成直线运动 工业机器人中的带传动和链传动分别通过带轮或链轮传递回转运动 3 带传动和链传动 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 2交流伺服动力系统 4 2 1交流伺服系统的分类 1 开环伺服系统 开环伺服系统是一种没有位置或速度反馈的控制系统 它的伺服机构按照指令装置发来的移动指令 驱动机械做相应的运动 系统的输出位移与输入指令脉冲个数成正比 所以在控制整个系

6、统时 只要精确的控制输入脉冲的个数就可以准确的控制系统的输出 但是这种系统精度比较低 运行不是很平稳 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 2交流伺服动力系统 4 2 1交流伺服系统的分类 2 半闭环伺服系统 半闭环伺服系统属于闭环系统 具有反馈环节 所以在原理上它具有闭环系统的一切特性和功能 它的检测元件与伺服电机同轴相连 通过直接测出电机轴旋转的角位移或角速度来推知执行机械的实际位移或速度 它对实际位置移动或运行速度采用的是间接测量的方法 所以半闭环伺服系统存在测量转换误差 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 2交流伺服动力系统 4 2 1交流伺服系统的分类 3

7、闭环伺服系统 全闭环伺服系统是一种真正的闭环伺服系统 全闭环系统在结构上与半闭环伺服系统是一样的 只是它的检测元件直接安装在系统的最终运动部件上 系统反馈的信号是整个系统真正的最终输出 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 2交流伺服动力系统 4 2 2交流伺服电动机的类型 1 感应异步交流伺服电机 异步交流伺服电动机的结构分为两大部分 即定子和转子部分 在定子铁心中安放着空间成90度度的两相定子绕组 其中一相为励磁绕组始终通以交流电压 另一相为控制绕组 输入同频率的控制电压 改变控制电压的幅值或相位可实现调速 转子的结构通常为笼形 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4

8、 2交流伺服动力系统 4 2 2交流伺服电动机的类型 2 永磁同步交流伺服电机 永磁同步伺服电动机主要由转子和定子两大部分组成 在转子上装有特殊形状高性能的永磁体 用以产生恒定磁场 无需励磁绕组和励磁电流 永磁同步电机结构图 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 2交流伺服动力系统 4 2 3交流伺服电动机的原理 驱动器控制的U V W三相电形成电磁场 转子在此磁场的作用下转动 同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器 驱动器根据反馈值与目标值进行比较 调整转子转动的角度 1 幅值控制控制电流与励磁电流的相位差保持90 不变 改变控制电压的大小 2 相位控制控制电压与励磁电压的大小 保

9、持额定值不变 改变控制电压的相位 3 幅值一相位控制同时改变控制电压幅值和相位 交流伺服电动机转轴的转向随控制电压相位的反相而改变 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 2交流伺服动力系统 4 2 4交流永磁同步伺服驱动器 交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元 功率驱动单元 通讯接口单元 伺服电动机及相应的反馈检测器件组成 交流永磁同步伺服驱动器结构 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 2交流伺服动力系统 4 2 4交流永磁同步伺服驱动器 功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流 得到相应的直流电 1 功率驱动单元 三相逆变电路 第四章工

10、业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 2交流伺服动力系统 4 2 4交流永磁同步伺服驱动器 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 2 控制单元 模拟式位置控制系统原理图 数字式位置控制系统原理图 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 2交流伺服动力系统 4 2 5 交流伺服调速 2 函数发生器 1 绝对值运算器 SPWM变频调速原理图 3 逻辑控制器 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 3直流伺服动力系统 4 3 1直流伺服系统的分类 直流无刷伺服电机的特点 转动惯量小 启动电压低 空载电流小弃接触式换向系统 大大提高电机

11、转速 最高转速高达100000rpm 无刷伺服电机在执行伺服控制时 无须编码器也可实现速度 位置 扭矩等的控制 容易实现智能化 其电子换相方式灵活 可以方波换相或正弦波换相 不存在电刷磨损情况 除转速高之外 还具有寿命长 噪音低 无电磁干扰等特点 1 直流有刷伺服电机 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 3直流伺服动力系统 4 3 1直流伺服系统的分类 直流有刷伺服电机的特点 体积小 动作快反应快 过载能力大 调速范围宽 低速力矩大 波动小 运行平稳 低噪音 高效率 后端编码器反馈 选配 构成直流伺服等优点 变压范围大 频率可调 另外 直流有刷伺服电机成本高 结构复杂 启动转矩大

12、 调速范围宽 控制容易 需要维护 但维护方便 换碳刷 会产生电磁干扰 对环境有要求 因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合 2 直流无刷伺服电机 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 3直流伺服动力系统 4 3 2直流伺服电动机的类型 高速直流伺服电动机又可分为普通直流伺服电动机和高性能直流伺服电动机 普通高速它励式直流伺服电动机的应用历史最长 但是 这种电动机的转矩 惯量比很小 不能适应现代伺服控制技术发展的要求 1 高速直流伺服电动机 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 3直流伺服动力系统 4 3 2直流伺服电动机的类型 低速大扭矩宽调速电动机又称为直流力矩

13、电机 由于它的转子直径较大 线圈绕组多 所以力矩大 转矩 惯量比高 热容量高 能长时间过载 不需要中间传动装置就可以直联丝杠工作 并且 由于没有励磁回路的损耗 它的外形尺寸比其它直流伺服电机小 另外 低速大扭矩宽调速电动机还有一个重要的特点 低速特性好 能够在较低的速度下平稳运行 最低速可以达到1r min 甚至达到0 1r min 2 低速大扭矩宽调速电动机 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 3直流伺服动力系统 4 3 3直流伺服电动机的原理 定子励磁电流产生定子电势Fs 转子电枢电流产生转子磁势为Fr Fs和Fr垂直正交 补偿磁阻与电枢绕组串联 电流又产生补偿磁势Fc Fc

14、与Fr方向相反 它的作用是抵消电枢磁场对定子磁场的扭斜 直流伺服电动机工作原理 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 3直流伺服动力系统 4 3 4晶体管脉宽调制器式速度控制单元 四个功率晶体管分为两组 VT1和VT4是一组 VT2和VT3为另一组 同一组的两个晶体管同时导通或同时关断 一组导通另一组关断 两组交替导通和关断 不能同时导通 H型双极模式PWM功率转换电路 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 3直流伺服动力系统 4 3 4晶体管脉宽调制器式速度控制单元 脉宽调制的任务是将连续控制信号变成方波脉冲信号 作为功率转换电路的基极输入信号 改变直流伺服电动机电枢

15、两端的平均电压 从而控制直流电动机的转速和转矩 方波脉冲信号可由脉宽调制器生成 也可由全数字软件生成 脉宽调制器是一个电压 脉冲变换装置 由控制系统控制器输出的控制电压UC进行控制 为PWM装置提供所需的脉冲信号 其脉冲宽度与UC成正比 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 3直流伺服动力系统 4 3 5直流伺服调速 1 调节电枢供电电压U 电动机加以恒定励磁 用改变电枢两端电压U的方式来实现调速控制 这种方法也称为电枢控制 2 减弱励磁磁通 电枢加以恒定电压 用改变励磁磁通的方法来实现调速控制 这种方法也称为磁场控制 3 改变电枢回路电阻R来实现调速控制 第四章工业机器人动力系统

16、 工业机器人技术基础 4 3直流伺服动力系统 4 3 5直流伺服调速 1 调节电枢供电电压U 电动机加以恒定励磁 用改变电枢两端电压U的方式来实现调速控制 这种方法也称为电枢控制 2 减弱励磁磁通 电枢加以恒定电压 用改变励磁磁通的方法来实现调速控制 这种方法也称为磁场控制 3 改变电枢回路电阻R来实现调速控制 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 4液压气动系统主要设备及特性 4 4 1液压系统的主要设备及其特性 电动机驱动液压泵2从油箱1中吸油送至输送管路中 经过换向阀4改变液压油的流动方向 再经过节流阀6调整液压油的流量 流量大小由工作液压油缸需要量决定 图所示的换向阀位置是液压油经换向阀进入液压缸5左侧空腔 推动活塞右移 液压缸活塞右侧腔内液压油经过换向阀已经开通的回油管 液压油卸压 流回油箱 液压驱动系统工作原理 1 液压系统概述 第四章工业机器人动力系统 工业机器人技术基础 4 4液压气动系统主要设备及特性 4 4 1液压系统的主要设备及其特性 一个完整的液压系统由五个部分组成 即动力元件 控制元件 执行元件 辅助元件 附件 和工作介质 1 液压系统概述 液压驱