工业机器人驱动方法和应用

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。
• 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。
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。
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）。
2.矩频特性曲线
3.交流电机的特点
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。
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。
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。
包装机器人
材料去除机器人
打保险机器人
等离子切割机器人
堆垛机器人
高温喷涂机器人
清洁机器人
设备维护机器人
涂层机器人
去毛刺机器人
自动钻孔机器人
谢谢大家！
机器人用பைடு நூலகம்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。
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
电刷
直流电动机通过
左 手 定 则
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。
换向器 T=BILr
4. 直流电机的特点
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。 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。
书籍是进步的阶梯
交流电机驱动
AC servomotor
1. 工作原理
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。
2. 矩频特性曲线：电流控制曲线和电压控制曲
线。
其中，KE为电
动势常数， KT 为转矩常数。
3. 直流电机的控制方式
改变电压或电流控制转速和转距。 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。
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7.5o~90o。 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0.9o~15o。 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0.9o~15o。
2. 运行矩频特性
起动曲线 运行曲线
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
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。
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
• 装配机器人
三、其他领域
• 机器人在其他领域应用也 非常广泛，如，工业机器 人可以取代人去处理一些 如放射线、火灾、海洋、 宇宙等环境的危险作业， 如2004年1月4日美国“勇 气”号火星探测机器人实 现了人类登陆火星的梦想 （右图为“勇气”号的图 片）。
勇气号火星探测器
扫雷轮式移动机器人
无人移动侦察车
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。
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
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。
直接驱动电机
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。
这是 什么？
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。
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。 步进电机有三种：永磁式PM（permanent magnet）；反应式 （也称可变磁阻式）VR（variable reluctance），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。
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。
伺服电机的精度由编码器的精度决定。
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。
1.工作原理
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
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
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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1：1000～10000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。