工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)

1、第四章 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)4.1工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)4.3工業(yè)機(jī)器人典型控制方法4.4工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成4.5工業(yè)機(jī)器人使用的傳感器4.1工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4.1.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類基本驅(qū)動(dòng)類型液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按動(dòng)力源劃分- 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 復(fù)合式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)屯工程學(xué)院2013-5-33由一般的發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵，液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)形成高壓液 流（也就是動(dòng)力）,液壓管路將高壓液體（一般是液 壓油）接到液壓馬達(dá)，是液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，形成驅(qū)動(dòng)力。機(jī)屯工程學(xué)院2013-5-3#機(jī)屯工程學(xué)院2013-5-3#機(jī)屯工程學(xué)院2013-5-3#機(jī)屯工程學(xué)院2013-5-3#

2、液壓驅(qū)動(dòng)與液壓驅(qū)動(dòng)相似，傳動(dòng)介質(zhì)不同。利用氣 體的抗擠壓力來實(shí)現(xiàn)力的傳遞。4* I;擊出縮機(jī)一次冷卻器d吒k鑼r干燥機(jī)器減丿k閥控制閥丨咻J 11 L丿主座氣動(dòng)執(zhí)t.f構(gòu)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)屯工程學(xué)院2013-5-35電動(dòng)驅(qū)動(dòng)是一種將電信號轉(zhuǎn)換成角依弩或弓位 移的驅(qū)動(dòng)方法。比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖侶冇 轉(zhuǎn)化為依移或者是角依移的驅(qū)動(dòng)方法。7新型執(zhí)行裝置:壓電執(zhí)行裝置：利用在壓電陶瓷等材料上施加電壓而產(chǎn)生變 形的壓電效應(yīng)。形狀記憶合金執(zhí)行裝置：利用傑鈦合金等材料具有的形狀隨 溫度變化，溫度恢復(fù)時(shí)形狀也恢復(fù)的形狀記憶性質(zhì)。NA/D環(huán)境（控制 對象）數(shù)字 計(jì)算 機(jī)圖像 采集 卡執(zhí)行機(jī)構(gòu)（臂、手等）三種基本驅(qū)動(dòng)系

3、統(tǒng)的主要性能特點(diǎn)內(nèi)容液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)輸出功率很大，壓力范圍為：50 1400N/cm2 液體的不可壓縮性大壓力范圍為40 60N/cm2,最大可達(dá)100N/cm2較大控制性能控制精度較高， 可無級調(diào)速， 反應(yīng)靈敏, 可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大， 精度低， 阻尼效果差， 低速不易控制, 難以實(shí)現(xiàn)伺服控制控制精度高，能精 確定位，反應(yīng)靈敏 可實(shí)現(xiàn)高速、高精 度的連續(xù)軌跡控制 伺服特性好，控制 系統(tǒng)復(fù)雜三種基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要性能特點(diǎn)內(nèi)容液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度很高較高很高結(jié)構(gòu)性能 及體積執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、 模塊化，易實(shí)現(xiàn)直接 驅(qū)動(dòng)，功率/質(zhì)量比大， 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊， 密封問題較

4、大執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化 模塊化、易實(shí)現(xiàn)直 接驅(qū)動(dòng)功率/質(zhì)量比較大 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊 密封問題較小伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo) 準(zhǔn)化。結(jié)構(gòu)性能好 噪聲低。電動(dòng)機(jī)一 般需配置減速裝置 除DD電動(dòng)機(jī)外, 難以進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng) 結(jié)構(gòu)緊湊，無密封 問題。安全性防爆性能較好，用液 壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在 一定條件下有火災(zāi)危 險(xiǎn)防爆性能好，高于 1000kPa（10 個(gè)大氣 壓）時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的 抗壓性設(shè)備自身無爆炸和 火災(zāi)危險(xiǎn)。直流有 刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有 火花，對環(huán)境的防 爆性能較差三種基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要性能特點(diǎn)內(nèi)容液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)對環(huán)境的影 響泄漏對環(huán)境有污染排氣時(shí)有噪聲很小效率與成本效率中等(0.3-0.6),液壓元件成

5、本較咼效率低(0.15-0.2) 氣源方便、結(jié)構(gòu)簡 單，成本低效率為0.5左右， 成本高維修及使用方便，但油液對環(huán)境 溫度有一定要求方便較復(fù)雜在工業(yè)機(jī)器 人中應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū) 動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適 用于噴涂機(jī)器人、重 載點(diǎn)焊機(jī)器人和搬運(yùn) 機(jī)器人適用于中小負(fù)載， 快速驅(qū)動(dòng)，精度要 求較低的有限點(diǎn)位 程序控制機(jī)器人。如沖壓機(jī)器人、機(jī) 器人本體的氣動(dòng)平 衡及裝配機(jī)器人氣 動(dòng)夾具適用于中小負(fù)載， 要求具有較高的位 置控制精度，速度 較高的機(jī)器人。如 AC伺服噴涂機(jī)器 人、點(diǎn)焊機(jī)器人、 弧焊機(jī)器人、裝配 機(jī)器人等機(jī)屯工程學(xué)院2013-5-3114-1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選用原則4-1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)

6、計(jì)的選用原則一般情況下，各種機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用原則：1)控制方式2)作業(yè)環(huán)境要求3)操作運(yùn)行速度低速重負(fù)載時(shí)可選用液壓驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)；中等負(fù)載時(shí)可選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)；輕負(fù)載時(shí)可選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)；輕負(fù)載、高速時(shí)可選用氣動(dòng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)屯工程學(xué)院2013-5-3104.1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選用原則機(jī)屯工程學(xué)院2013-5-3#4.1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選用原則一般情況下，各種機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用原1)2)3)控制方式作業(yè)環(huán)境要求操作運(yùn)行速度從事噴涂作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人, 由于工作環(huán)境需要防爆，考 慮到其防爆性能，多采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和具有本征防爆的交流電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)屯工程學(xué)院2013-5-

7、3154-1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選用原則在腐蝕性、易燃易爆氣體、 放射性物質(zhì)環(huán)境中工作的移 動(dòng)機(jī)器人，一般采用交流伺 服驅(qū)動(dòng)0如要求在潔凈環(huán)境中使用， 則多要求采用直接驅(qū)動(dòng)（Direct DriveDD）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。一般情況下，各種機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用原 則：1）控制方式2）作業(yè)環(huán)境要求3）操作運(yùn)行速度4-1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選用原則4-1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選用原則機(jī)屯工程學(xué)院2013-5-3124-1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選用原則1)2)3)控制方式作業(yè)環(huán)境要求操作運(yùn)行速度一般情況下，各種機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用原則：要求其有較高的點(diǎn)位重復(fù)疥 度和較高的運(yùn)行速度，通常 在速度相對較低(54

8、.5m/s) 情況下，可采用AC、DC或步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；在速度、精度要求均很高的 條件下，多采用直接驅(qū)動(dòng)(DD) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。4-1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選用原則4-1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選用原則機(jī)屯工程學(xué)院2013-5-3134.1.3工業(yè)機(jī)器人主要的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人主要的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。早期的機(jī)械手和機(jī)器人中，其操作機(jī)多應(yīng)用連桿 機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)桿、滑塊、曲柄，多采用液壓（氣壓）活 塞缸（或回轉(zhuǎn)缸）來實(shí)現(xiàn)其直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)器人操作機(jī)各部分動(dòng) 作要求的不斷提高，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在機(jī)器人中應(yīng)用 日益廣泛。久、電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電液伺服

9、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是由電氣信號處理單元與 液壓功率輸出單元組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。具有控制精度高、響應(yīng)速度快、信號處理靈活、 輸出功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、功率質(zhì)量比大等特點(diǎn)， 在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。采用電液伺服系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，具有點(diǎn)位控制 和連續(xù)軌跡控制功能，并具有防爆性能。電液伺服驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人所采用的電液轉(zhuǎn)換和 功率放大元件有電液伺服閥、電液比例閥等。電液伺服動(dòng)力機(jī)構(gòu)：電液伺服馬達(dá)、電液伺服液 壓缸、電液步進(jìn)馬達(dá)、電液步進(jìn)液壓缸、液壓回 轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器等。采用電液伺服驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng) 注意伺服閥的布置，以彳吏伺服閥與驅(qū)動(dòng)器之間連 接的管線距離最短，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。系統(tǒng)動(dòng)力源

10、壓力以適中為宜689l_379kPa,回 油管以及油冷*器必須按一定的尺寸制造，以利 熱量散發(fā)，保護(hù)回路中的部件。2、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多用于：兩位式或有限點(diǎn)位控制的 工業(yè)機(jī)器人（如沖壓機(jī)器人）中；作為裝配機(jī)器人的 氣動(dòng)夾具；用于點(diǎn)焊等較大型通用機(jī)器人的氣動(dòng) 平衡沖機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)機(jī)屯工程學(xué)院 2013-5-321機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖包括空氣壓縮 機(jī)、儲氣罐、 汽水分離器、 調(diào)壓過濾器等由分水濾 氣器、調(diào) 壓器和油 霧器組成包括電磁氣 閥、節(jié)流調(diào) 速閥和減速 壓閥等多采用直線氣缸和擺動(dòng)氣缸氣源氣動(dòng)閥rLe81 一限位器制動(dòng)器構(gòu)機(jī)屯工程學(xué)院 2013-5-323機(jī)器人電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利

11、用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生 的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體以獲 得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。要求有較大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動(dòng)轉(zhuǎn) 矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。伺服電動(dòng)機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并 且具有較大的短時(shí)過載能力。機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能 小的電動(dòng)機(jī)。對關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要要求:1）快速性2）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)用類型一般可分為直流伺服電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)、交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等。在 工業(yè)機(jī)器人中，交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、 直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(DD)都采用閉環(huán)控制，常用于位置精 度和速度要求高的機(jī)器人中。3)控制特性的連續(xù)

12、性和直線性4)調(diào)速范圍寬5）體積小.質(zhì)量小.軸向尺寸短6）可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在 短時(shí)間內(nèi)承受過載目前，一般負(fù)載1000N以下的工業(yè)機(jī)器人大多采用電 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要是AG(司 服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和DOf司服電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)由于采用電子換向，無換向火花，在 易燃易爆環(huán)境中得到了廣泛使用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要適 于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于位置和速度精度要求不高 的環(huán)境。摳器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率范圍一般為OZLlOkWo機(jī)屯工程學(xué)院 2013-5-3274.1.4工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器九 工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理框圖

13、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)（DC motor）直流電機(jī)工作原理左手定W直流電動(dòng)機(jī)通過 換向器將直流轉(zhuǎn) 換成電樞繞組中 的交流，從而使 電樞產(chǎn)生一個(gè)恒 定方向的電磁轉(zhuǎn) 矩。器人采用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器類型包括：直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、同 步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器.直 接驅(qū)動(dòng).特種驅(qū)動(dòng)器。直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器多采用脈寬調(diào)制(PWM)伺服驅(qū)1.直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)器，通過改變脈沖寬度來改變加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端 殆年均趕壓，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。r(1PWM伺服驅(qū)動(dòng)器具有調(diào)速范圍寬.低速特性好.響 應(yīng)快.效率高.過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中 常作為直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器2.同步式交流伺服電動(dòng)

14、機(jī)驅(qū)動(dòng)器同直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，同步式交流伺服電動(dòng) 機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高.無電刷及換向火花等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常采用電流型脈寬調(diào)制 (PWM)三相逆變器和具有電流環(huán)為內(nèi)環(huán).速度環(huán)為外環(huán)的 多閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的電 流控制。根聶其工作原理.驅(qū)動(dòng)電流波形和控制方式的不 同，它又可分為兩種伺服系統(tǒng)：1) 矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。2) 正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。采用矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為無刷直 流伺服電動(dòng)機(jī)，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng) 機(jī)稱為無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)。一般情況下，交

15、流伺服驅(qū)動(dòng)器，可通過對其內(nèi)部 功能參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)定而實(shí)現(xiàn)以下功能：2）位置控制方式；2）速度控制方式；3）轉(zhuǎn)矩控制方式；4）位置、速度混合方式;5）位置、轉(zhuǎn)矩混合方式;6）速度、轉(zhuǎn)矩混合方式;7）轉(zhuǎn)矩限制；8）位置偏差過大報(bào)警；9）速度PID參數(shù)設(shè)置；10）速度及加速度前饋 參數(shù)設(shè)置；11）零漂補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置;22）加減速時(shí)間設(shè)置等。機(jī)屯工程學(xué)院2013-5-331步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為一種開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機(jī)器人中得到較廣泛的應(yīng)用。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移的元 件，它的角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線速度與脈 沖頻率成正比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器優(yōu)點(diǎn)：在負(fù)載能力的范圍內(nèi)，位移量與脈沖數(shù)成正比的關(guān)系、速度與脈沖頻率成正比的關(guān)系，這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、