第4章机器人驱动系统

第4章机器人的驱动系统4.1机器人的驱动方式4.2液压驱动系统4.3气压驱动系统4.4电气驱动系统4.5新型驱动器4.1机器人的驱动方式4.1.1概述优点:1）液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为25～63kg/cm2),体积较小，可以获得较大的推力或转矩。2）液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度。3）液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制。4）液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。不足之处:1）油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险。2）液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高。3）需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。应用:液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动液压驱动的特点及应用优点:1）以空气为工作介质，不仅易于取得，而且用后可直接排入大气，处理方便，也不污染环境。2）因空气的粘度很小（约为油的万分之一），在管道中流动时的能量损失很小，因而便于集中供气和远距离输送，气动动作迅速，调节方便，维护简单，不存在介质变质及补充等问题。3）工作环境适应性好，无论在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣环境中，还是在食品加工、轻工、纺织、印刷、精密检测等高净化、无污染场合，都具有良好的适应性，且工作安全可靠，过载时能自动保护。4）气动元件结构简单，成本低，寿命长，易于实现标准化、系列化和通用化。不足之处:1）由于空气具有较大的可压缩性，因而运动平稳性较差。2）因工作压力低（一般为0.3～1MPa），不易获得较大的输出力或力矩。3）有较大的排气噪声。4）由于湿空气在一定的温度和压力条件下能在气动系统的局部管道和气动元件中凝结成水滴，促使气动管道和气动元件腐蚀和生锈，导致气动系统工作失灵。应用:多用于开关控制和顺序控制的机器人中。气动驱动的特点及应用优点:电气驱动是利用各种电动机产生力和力矩，直接或经过减速机构去驱动机器人的关节，从而获得机器人的位置、速度和加速度。因省去中间的能量转换过程，因此比液压和气压驱动的效率高，且具有无环境污染、易于控制、运动精度高、成本低等优点。应用最广泛。分类特点:1）普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。2）交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。功率在1KW以下的机器人多采用电机驱动。应用:电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动逐渐为电动式所代替。电气驱动的特点及应用液压驱动气动驱动电动驱动输出功率很大，压力范围为50～140N/cm2大，压力范围为48～60N/cm2，最大可达100N/cm2较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，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，控制系统复杂响应速度很高较高很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题液压驱动气动驱动电动驱动安全性防爆性能较好，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对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无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、点焊机器人和托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、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、装配机器人等效率与成本效率中等（0.3～0.6）；液压元件成本较高效率低（0.15～0.2）气源方便，结构简单，成本低效率较高（0.5左右）成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂几种驱动方式的比较4.1.2驱动系统性能1．刚度和柔性刚度是材料对抗变形的阻抗，他可以是梁在负载作用下抗弯曲的刚度，或汽缸中气体在负载作用下抗压缩的阻抗，甚至是瓶中的酒在木塞作用下抗压缩的阻抗。系统的刚度越大，则使它变形所须的负载也越大。相反，系统柔性越大，则在负载作用下就越容易变形。2.重量、功率-重量比和工作压强驱动系统的重量以及功率-重量比至关重要，例如电子系统的功率-重量比属中等水平。在同样功率情况下，步进机通常比伺服电机要重，因此它具有较低的功率-重量比。电机的电压越高，功率-重量比越高。气动功率-重量比最低，而液压系统具有最高的功率-重量比。4.1.3驱动系统驱动方式1．直线驱动方式机器人采用的直线驱动包括直角坐标机构的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动方式把旋转运动转换成直线运动。2.旋转驱动方式多数普通电机和伺服电机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转速比所需要的转速高。因此，需要采用各种传动装置把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。这种运动的传递和转换必须高效率地完成，并且不能有损于机器人系统所需要的特性，特别是定位精度、重复精度和可靠性。运动的传递和转换可以选择齿轮链传动、同步皮带传动和谐波齿轮等传动方式。4.2液压驱动系统4.2.1液压伺服系统的组成和特点1.液压伺服系统的组成液压伺服系统有液压源、驱动器、伺服阀、传感器和控制器等组成。如图所示。2.液压伺服控制系统的工作特点1）在系统的输出和输入之间存在反馈连接，从而组成闭环控制系统。2）系统的主反馈是负反馈。3）系统的输入信号的功率很小，而系统的输出功率可以达到很大。4.2.2电液伺服系统1、电液伺服系统的组成电液伺服系统通过电气传动方式，将电气信号输入系统来操纵有关的液压控制元件动作，控制液压执行元件，使其跟随输入信号而动作。这类伺服系统中，电液两部分都采用电液伺服阀作为转换元件。1－电放大器2－电液伺服阀3－液压缸4－机械手手臂5－齿轮齿条机构6－电位器7－步进电机下图所示为机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图其具体工作过程如下：当数控装置发出一定数量的脉冲时，步进电机就会带动电位器的动触头转动。假设此时顺时针转过一定的角度β，这是电位器输出电压为u，经放大器放大后输出电流i，使电液伺服阀产生一定的开口量。这时，电液伺服阀处于左位，压力油进入液压缸左腔，活塞杆右移，带动机械手手臂右移，液压缸右腔的油液经电液伺服阀返回油箱。此时，机械手手臂上的齿条带动齿轮也顺时针移动，当其转动角度α＝β时，动触头回到电位器的中位，电位器输出电压为零，相应放大器输出电流为零，电液伺服阀回到中位，液压油路被封锁，手臂即停止运动。当数控装置发出反向脉冲时，步进电动机逆时针方向转动，和前面正好相反，机械手就会手臂缩回。机械手手臂伸缩运动伺服系统方框图2.电液伺服阀的工作原理（1）原理图如图为喷嘴挡板式电液伺服阀的工作原理图。喷嘴挡板式电液伺服由电磁和液压两部分组成，电磁部分是一个动铁式力矩马达，液压部分为两级。第一级是双喷嘴挡板阀，称前置级（先导级）；第二级是四边滑阀，称功率放大级（主阀）。1-永久磁铁2、4-导磁体3-衔铁5-挡板6-喷嘴7-固定节流孔8-滤油器9-滑阀10-阀体11-反馈弹簧杆12-弹簧管13-线圈（2）前置级工作原理由双喷嘴挡板阀构成的前置级如图所示，它由两个固定节流孔、两个喷嘴和1个挡板组成。两个对称配置的喷嘴共用一个挡板，挡板和喷嘴之间形成可变节流口，挡板一般由扭轴或弹簧支承，且可绕支点偏转，挡板的由力矩马达驱动。当挡板上没有作用输入信号时，挡板处于中间位置——零位，与两喷嘴之距均为x0，此时两喷嘴控制腔的压力P1与P2相等。当挡板转动时，两个控制腔的压力一边升高，另一边降低，就有负载压力PL(PL=P1-P2)输出。双喷嘴挡板阀有四个通道(一个供油口，一个回油口和两个负载口)，有四个节流口(两个固定节流孔和两个可变节流孔)，是一种全桥结构。（3）喷嘴挡板阀特点喷嘴挡板阀的优点是结构简单，加工方便，运动部件惯性小，反应快，精度和灵敏度高；缺点是无功损耗大，抗污染能力较差。喷嘴挡板阀常用作多级放大伺服控制元件中的前置级。4.2.3电液比例控制阀电液比例阀是一种按输入的电气信号连续地、按比例地对油液的压力、流量或方向进行远距离控制的阀。电液比例控制阀可以分为电液比例压力阀（如比例溢流阀、比例减压阀等）、电液比例流量阀（如比例调速阀）和电液比例方向阀（如比例换向阀）三大类。1.比例电磁铁比例电磁铁是一种直流电磁铁，与普通换向阀用电磁铁的不同主要在于，比例电磁铁的输出推力与输入的线圈电流基本成比例。这一特性使比例电磁铁可作为液压阀中的信号给定元件。如图为比例电磁铁结构图。1—轭铁2—线圈3—限位环4—隔磁环5—壳体6—内盖7—盖8—调节螺钉9—弹簧10—衔铁11—(隔磁)支承环12—导向套2．电液比例溢流阀用比例电磁铁取代先导型溢流阀导阀的手调装置（调压手柄），便成为先导型比例溢流阀，如图所示。a）结构图b）符号1-阀座2-先导锥阀3-轭铁4-衔铁5-弹簧6-推杆7-线圈；8-弹簧9-先导阀先导型比例溢流阀的工作原理简图3.比例方向节流阀用比例电磁铁取代电磁换向阀中的普通电磁铁，便构成直动型比例方向节流阀，如图所示。由于使用了比例电磁铁，阀芯不仅可以换位，而且换位的行程可以连续地或按比例地变化，因而连通油口间的通流面积也可以连续地或按比例地变化，所以比例方向节流阀不仅能控制执行元件的运动方向，而且能控制其速度。部分比例电磁铁前端还附有位移传感器（或称差动变压器），这种比例电磁铁称为行程控制比例电磁铁。位移传感器能准确地测定电磁铁的行程，并向放大器发出电反馈信号。电放大器将输入信号和反馈信号加以比较后，再向电磁铁发出纠正信号以补偿误差，因此阀芯位置的控制更加精确。带位移传感器的直动型比例方向节流阀4.2.4摆动缸摆动式液压缸也称摆动马达。当它通入压力油时，它的主轴输出小于360°的摆动运动。图（a）所示为单叶片式摆动缸,它的摆动角度较大,可达300°，当摆动缸进出油口压力为P1和P2,输入流量为q时,它的输出转矩T和角速度ω为：（4.1）（4.2）式中b—叶片的宽度；R1、R2—叶片底部、顶部的回转半径图4.10（b）所示为双叶片式摆动缸,它的摆动角度和角速度为单叶片式的一半,而输出角度是单叶片式的两倍。4.3气压驱动系统4.3.1气压驱动回路1．气压驱动回路的组成气压驱动回路主要由气源装置、执行元件、控制元件及辅助元件四部分组成。2．气压驱动回路工作原理如图为典型的气压驱动回路—气动剪切机系统的工作原理图。结构原理图工作原理图4.3.2气源装置气源装置由两部分组成，一是空气压缩机把大气压状态下的空气升压提供给气压传动系统，二是气源净化装置将空气压缩机所提供的含有大量杂质的压缩空气进行净化。1.空气压缩机空气压缩机按其压力大小分为低压（0.2～1.0MPa）、中压（1.0～10MPa）、高压（＞10