工业机器人的驱动方式

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1、工业机器人的驱动方式 一 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 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 莫托曼机器人搬运喷涂机器人 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

2、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 二 对驱动装置的要求 驱动装置的质量尽可能要轻 单位质量的输出功率要高 效率高 反应速度要快 要求力质量比和力矩转动惯量比要大 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 三 液压驱动装置 1 实现直线运动的液压缸 主要构成 主要由活塞 活塞杆 缸体 缸盖 密封圈 进出油口等构成 工作原理 单活塞杆液压缸结构图 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 数字液压缸 数字液压缸原理 1 1

3、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 可通过网络等远程进行系统的操控 1 4 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2 1 1 高抗干扰 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

4、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 技术特点 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 叶片式液压马达工作原理图 工作流程 压力油进入油腔a 作用在叶片2的右侧 叶片1的左侧 叶片2伸出面积大 推力大 推动叶片顺时针旋转 转至b腔回油 带动中心轴回转 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出油口进油腔

5、a回油腔b 叶片式液压马达结构图 6 定子7 转子8 叶片 数字液压马达 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 液压伺服系统原理图 闭环伺服系统图例 2 用伺服阀控制液压缸简化原理图 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 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

6、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 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通电 挡板4移动 改变喷嘴5口径大小 工作阀芯7两端产生压差 阀芯移动 喷嘴挡板阀结构示意图 力矩马达 前置阀 功率阀 喷嘴挡板阀结构示意图 四 电机驱动装置的工作原理 1 步进电机 概述

7、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 每个输入脉冲对应电机的一个固定转角 故称为步进电机 步进电机属于同步电机 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 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 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

8、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 定子 转子 15 15 步进电机驱动 steppingmotor 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

9、于开环控制 所以精度不高 相数 产生不同N S对磁场的激磁线圈对数 2 相关术语 失步 电机运转时运转的步数 不等于理论上的步数 拍数 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态 四相四拍运行方式 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 表示 一般步进电机的精度为步距角的3 5 且不累积 保持转距 HOLDINGTORQUE 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

10、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 DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译 细分驱动器的原理 驱动器细分后的主要优点 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 3 提高了电机的分辨率 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 3 运行矩频特性 4 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

11、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2000 3000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 超声波电机 一种未来很有希望的电机 特点 超声波电机具有体

12、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 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 直接驱动电机 directdr

13、ive DD 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 这是什么 种类 直流力矩电机 无刷直流电机 VR式电机等 缺点 因为没有减速机构 所以容易受载荷的影响 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 自启动方式驱动1秒钟 则驱动脉冲速度应该这样计算 3000 Pulse 1 sec 3 kHz 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 加 减速时间设置为定位时间的25 启动脉冲速度为500 Hz 则 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50 mm 因此 所需要的必要脉冲数为 1 2驱动传动带 步进电机与单片机的接口由硬件完成脉冲分配的功能 PMAC运动控制卡 单元控制模式 测试传感器 信号调理 执行器 AD变换器 驱动器 微控制器 CAN接口 CAN总线以太网总线 测试传感器 信号调理 执行器 AD变换器 驱动器 微控制器 CAN接口 CAN总线 CAN总线 单元控制器 1 单片机2 DSP3 ARMPLC工控机