工业机器人驱动与控制系统方案

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直流电机驱动（DC motor）
止口
直流电机工作原理
电刷
左 手 定 则
换向器
T=BILr
直流电动机通过 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。
2、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 步式交流伺服电动机驱动器、步进电动机驱动器、直 接驱动、特种驱动器。 1．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(PWM)伺服 驱动器，通过改变脉冲宽度来改变加在电动机电枢两 端的平均电压，从而改变电动机的转速。
设备自身无爆炸和 火灾危险。直流有 刷电动机换向时有 火花，对环境的防 爆性能较差
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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(0.3～0.6)， 液压元件成本较高
效 气 单，源率成方低本便(0低.、15结～构0.简2) ，效成本率高为O.5左右，
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
适用于中小负载， 适用于中小负载，
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
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
交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在 易燃易爆环境中得到了广泛使用。步进电动机主要适 于开环控制系统，一般用于位置和速度精度要求不高 的环境。
机器人关节驱动电动机的功率范围—般为0.1～
10kW。
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4.1.4 工业机器人驱动系统中的电动机驱动器 1、工业机器人电动机驱动原理
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
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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 结构性能
及体积
安全性
很高
较高
很高
执行机构可标准化 、 执行机构可标准化、伺服电动机易于标
模块化，易实现直接 模块化、易实现直 准化。结构性能好，
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4.1.2 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 则：
1）控制方式 2）作业环境要求 3）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。
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结 束！
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液压驱动工业机器人（码垛、焊接）
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气动驱动工业机器人（搬运 ）
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喷涂机器人
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6) 速度、转矩混合方式； 12) 加减速时间设置等。
7) 转矩限制；
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步进电动机驱动器
作为一种开环数字控制系统，在小型机器人中得到较广泛的应用。 步进电动机是将电脉冲信号变换为相应的角位移或直线位移的元 件，它的角位移和线位移量与脉冲数成正比。转速或线速度与脉 冲频率成正比。
系统动力源压力以适中为宜[689～1379kPa]， 回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。
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2、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 工业机器人(如冲压机器人)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 动平衡中。
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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：电液伺服驱动系统、 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 机构中的导杆、滑块、曲柄，多采用液压(气压) 活塞缸(或回转缸)来实现其直线和旋转运动。
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 日益广泛。
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电动机驱动方式应用类型一般可分为直流伺服电动机 驱动、交流伺服电动机驱动、步进电动机驱动等。在 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(DD)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。
目前，一般负载1000N以下的工业机器人大多采用 电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是 AC伺服电动机，步进电动机和DC伺服电动机。
机器人气动驱动结构
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机器人气动驱动结构图
包括空气压缩 机、储气罐、 汽水分离器、 调压过滤器等
由分水滤 气器、调 压器和油 雾器组成
包括电磁气 阀、节流调 速阀和减速 压阀等
多采用直 线气缸和 摆动气缸
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3、电动驱动系统
机器人电动伺服驱动系统是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 得机器人的各种运动的执行机构。
步进电动机驱动器
优点：在负载能力的范围内，位移量与脉冲数成 正比的关系、速度与脉冲频率成正比的关系，这 些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波 动而变化，误差不长期积累，步进电动机驱动系 统可以在较宽的范围内，通过改变脉冲频率来调 速，实现快速起动、正反转制动。
不足：由于其存在过载能力差、调速范围相对较 小、低速运动有脉动、不平衡等缺点，一般只应 用于小型或简易型机器人中。
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。
运动 控制
卡
端子 板
驱动 器
数字 计算
机
图像 采集
卡
A/D
执行装置（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）
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三种基本驱动系统的主要性能特点
基本驱动类型
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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 压油）接到液压马达，是液压马达转动，形成驱动力。
液压驱动
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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。
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4.1.2 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 则：
1）控制方式 2）作业环境要求 3）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 Drive—DD)电动机驱 动系统。
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电液伺服驱动的工业机器人所采用的电液转换和 功率放大元件有电液伺服阀、电液比例阀等。
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 转伺服执行器等。
采用电液伺服驱动的工业机器人系统设计中，应 注意伺服阀的布置，以使伺服阀与驱动器之间连 接的管线距离最短，以提高系统的动态响应。
PWM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 中常作为直流伺服电动机驱动器
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2．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。
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4.1.2 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 则：
1）控制方式 2）作业环境要求 3源自文库操作运行速度
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(≤4.5m／s) 情况下，可采用AC、DC或步 进电动机伺服驱动系统； 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。
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。
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。
机器人末端执行器(手爪)应采用体积、质量尽可 能小的电动机。
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电动驱动系统
对关节驱动电机的主要要求： 1）快速性 2）起动转矩惯量比大 3）控制特性的连续性和直线性 4）调速范围宽 5）体积小、质量小、轴向尺寸短 6）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
4.1 工业机器人驱动系统 4.2 工业机器人控制系统 4.3 工业机器人典型控制方法 4.4 工业机器人控制系统构成 4.5 工业机器人使用的传感器
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4.1 工业机器人驱动系统
4.1.1 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
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1、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 液压功率输出单元组成的闭环控制系统。
具有控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、 输出功率大、结构紧凑、功率质量比大等特点， 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，具有点位控制 和连续轨迹控制功能，并具有防爆性能。
同步式交流伺服电动机驱动器通常采用电流型脉宽调制 (PWM)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 不同，它又可分为两种伺服系统：
1) 矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统。 2) 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。
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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：
1) 位置控制方式；
8) 位置偏差过大报警；
2) 速度控制方式；
9) 速度PID参数设置；
3) 转矩控制方式；
10) 速度及加速度前馈
4) 位置、速度混合方式； 参数设置；
5) 位置、转矩混合方式； 11) 零漂补偿参数设置；
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
动夹具
机器人等
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4.1.2 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 则：
1）控制方式 2）作业环境要求 3）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
内容
液压驱动
气动驱动
电动驱动
很大, 输出功率 压力范围为:
50～1400N/cm2,
液体的不可压缩性
控制精度较高，
控制性能
可无级调速， 反应灵敏，
可实现连续轨迹控制
大 压力范围为
40～60N/cm2，
最大可达100N/cm2
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
较大
驱动,
接驱动
噪声低。电动机一
功率／质量比大， 功率／质量比较大，般需配置减速装置。
体积小，结构紧凑， 体积小，结构紧凑，除 DD 电 动 机 外 ，
密封问题较大
密封问题较小
难以进行直接驱动，
结构紧凑，无密封
问题。
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
气动执行装置的种类：气缸、气动马达。
气动驱动
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电动驱动是一种将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 转化为位移或者是角位移的驱动方法。
电动驱动
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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 形的压电效应。