工业机器人的驱动方式

工业机器人的驱动方式主讲周兰一、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。从控制水平的高低来分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。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．电力驱动：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a回油腔b叶片式液压马达结构图：6—定子7—转子8—叶片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。信号类型：脉冲信号模拟信号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：结构：定子：定子铁芯由硅钢片叠加而成。每个定子磁极上均有控制绕组，且有均匀分布的小齿。转子：由转子铁芯和转轴组成。转子铁芯同样由硅钢片叠加而成。转子上没有绕组，其上也有均匀分布的小齿。通常定子磁极上的小齿和转子上的小齿其齿宽和槽宽都是一样的。但它们之间的相对位置按一定的规律排列。如当A相定子小齿和转子小齿对准时，B、C相的定子小齿就会和转子的小齿错开。错齿是步进电动机能够步进的根本原因工作原理：A、B、C相电流通常来自于机器人控制系统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°三相步进电机结构图：2．直流伺服电机（1）：构成：由定子、转子和换向器构成。定子：由极心、极掌和励磁绕组构成。转子：由转子铁芯和电枢绕组构成。换向器：改变电枢绕组中电流的流动方向；并使磁极下的电流方向保持不变。工作原理：直流电机结构示意图：直流电机结构直流电机的磁极和磁路电枢绕组直流伺服电机工作原理图：1、通电导体在磁场中一定会受到力的作用。2、判断受力方向用左手法则：磁力线穿过手心，四指指向电流方向，大拇指则指向受力方向。3、电枢绕组在旋转一周的过程中，每根导体中的电流方向发生了改变，但由于换向器的作用，保证了每个磁极下的导体的通电方向不变，从而使得电枢的受力方向不变。2．直流伺服电机（2）：直流电机的分类：直流电动机根据励磁绕组与电枢绕组的连接方式不同可分为他励、并励、串励与复励。直流伺服电机：转子电枢绕组的电源来自于控制系统的他励直流电机。直流伺服电机的调速与换向：通过改变控制系统提供电源电压的大小和极性改变电机的速度和方向。直流电机分类图例：他励并励串励复励接机器人控制系统作业：参见《机器人技术补充讲义》P10，说明直流伺服电机的主要构成及工作原理。