2022年2022年机器人的驱动系统 .pdf

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1、机器人的驱动系统机器人的驱动系统是直接驱使各运动部件动作的机构，对工业机器人的性能和功能影响很大。工业机器人的动作自由度多， 运动速度较快， 驱动元件本身大多是安装在活动机架（手臂和转台） 上的。这些特点要求工业机器人驱动系统的设计必须做到外形小、重量轻、工作平稳可靠。另外，由于工业机器人能任意多点定位，工作程序有能灵活改变，所以在一些比较复杂的机器人中，通常采用伺服系统。一. 驱动方式机器人关节的驱动方式有液压式，气动式和电机式。二. 液压驱动机器人的液压驱动是已有压力的油液作为传递的工作台质。电动机带动油泵输出压力油， 将电动机供给的机械能转换成油液的压力能，压力油经过管道及一些控制调节装

2、置等进入油缸， 推动活塞杆云佛那个， 从而使手臂搜索、 升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动是所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小， 均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关，手臂做各种动作的速度决定于流入密封油缸中油液面积的多少。（借助于运动着的压力油的体积变化来传递动力液压传动称为容积式液压传动）1. 液压系统的组成 油泵：供给液压系统驱动系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统的工作。 液动机 ：是压力油驱动运动部件对外工作的部分。手臂作直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸，也有作回转运动的液动机，一般就作油马

3、达， 回转角度小于 360的液动机，一般叫回转油缸（或摆动油缸）。 控制调节装置 ：各种阀类，如单向阀，溢流阀，换向阀，节流阀，调速阀，减压阀，顺序阀等。各起一定的作用，使机器人的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。 辅助装置 ：如油箱、滤油器、储能器、管路和管接头以及压力表等。2. 液压驱动系统的特点： 能得到较大的输出力或力矩一般得到 2070 公斤/ 厘米2的油液压力是比较方便的，而通常工厂的压缩空气均为 46 公斤/ 厘米2。因此在活塞面积相同的条件下，液压机械手可比气动机械手负荷大得多。 液压机械手搬运重量已达到800 公斤以上，而气动机械手一般小于30 公斤。 液压传动滞后现象

4、小，反应较灵敏，传动平稳。与空气相比，油液的压缩性极小，故传动的滞后现象小，传动平稳。气压传动虽易得到较大速度(1 米/ 秒以上) ，但空气粘性比较低，传动冲击较大，不利于精确定位。 输出力和运动速度控制较容易。输出力和运动速度在一定的油缸结构尺寸下，主要决定于油液的压力和流量，通过调节相应的压力和流量控制阀，能比较方便地控制输出功率。 可达到较高的定位精度目前一般液压机器人，在速度低于100 毫米/ 秒，抓重较轻时，采用适宜的缓冲措施和定位方式，定位精度可达10.002 毫米，若采用电液伺服系统名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

5、- - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 控制，不仅定位精度高，而且可连续任意定位，适用于高速、重负荷的通用机器人。 系统的泄漏难以避免，影响工作效率和系统的工作性能。工作要求越多，对密封装置和配合制动精度的要求就越多。 油液的粘度对温度的变化很敏感，当温度升高时，油的粘度即显著降低，油液粘度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量。另外在高温条件下工作时， 必须注意油液着火等危险三 气动驱动气动驱动机器人是指以压缩空气为动力源驱动的机器人。1 气动驱动系统的组成 气源系统压缩空气是保证气动系统正常工作的动力源。一般工厂均

6、设有压缩空气站。压缩空气站的设备主要是空气压缩机和气源净化辅助设备。压缩空气为什么要净化空气呢？由于压缩空气中含有水汽，油气和灰尘，这些杂志如果被直接带入贮气罐、管道及气动元件和装置中， 会引起腐蚀、 磨损、阻塞等一系列问题， 从而造成气动系统效率和寿命降低、控制失灵等严重后果。气源净化辅助设备有：后冷却器。油水分离器，贮气罐、干燥器、过滤器等。后冷却器 ：安装在空气压缩机出口处的管道上，它的作用是使压缩空气降温，因为一般的工作压力为8 公斤/厘米2的空气压缩机排气温度高达140170，压缩空气中所含的水和油 （气缸润滑油混入压缩空气） 均为气态。经后冷却器降温至4050后，水汽和油汽凝聚成水

7、滴和油滴，再经油水分离器析出。油水分离器 ：将水、油分离出去。贮气罐 ： 存贮较大量的压缩空气，以供给气动装置连续的和稳定的压缩空气，并可减少由于气流脉动所造成的管道振动。过滤器 ：空气的过滤是为了要得到纯净而干燥的压缩空气能源。一般气动控制元件对空气的过滤要求比较严格， 常采用简易过滤器过滤后， 再经分水滤气器二次过滤。 气动执行机构气动执行机构：气缸、气动马达。气缸：利用压缩空气的压力能转换为机械能的一种能量转换装置。它可以输出力，驱动工作部分作直线往复运动或往复摆动。气动马达：（气马达）是把压缩空气的压力能转变为机械能的能量转换装置。它输出力矩，驱动机构做回转运动。气动马达和油马达比较有

8、： 长时间满在工作温升很小， 输送系统安全便宜以及可以瞬间升到全速等优点。气动马达适应的工作范围较广，如功率由几分之一到几十马力，转速由0到每分钟几万转。适用于无级调速、经常变向转动、高温、潮湿、防爆等工作场合。 空气控制阀和气动逻辑元件空气控制阀是气动控制元件， 它的作用是控制和调节气路系统中压缩空气的压力、流量和方向，从而保证气动执行机构按规定的程序正常地进行工作。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 空气控制阀有

9、压力控制阀、流量控制阀、和方向控制阀三类。气动逻辑元件是通过可动部件的动作，进行元件切换而实现逻辑功能的。电器元件应用在自动控制系统中具有很多优点，但是，在工作次数极为频繁的电磁阀或继电器， 其寿命不易满足要求， 电火花会引起爆炸或火灾。 就发展起来的全气动控制系统中，采用气动逻辑元件给自动控制系统提供了简单、经济、可靠和寿命长的新途径。2 气动驱动系统的特点。 空气取之不竭，用过之后排入大气，不需回收和处理，不污染环境，偶然地或少量地泄露不止于对生产发生严重的影响。 空气的粘性很小，管路中压力损失也就很小，（一般气路阻力损失不到油路阻力损失的千分之一） ，便于远距离输送。 压缩空气的工作压力

10、较低，因此对气动元件的材质和制造精度要求可以降低。一般说来，往复运动推力在12 吨以下采用气动经济性较好。 与液压传动相比，它的动作和反应都快，这是气动的突出优点之一。 空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞。 可安全地应用在易燃，易爆和粉尘大的场合，又便于实现过载自动保护。气动驱动系统存在以下缺点： 气控信号比电子和光学控制信号慢的多，它不能用在信号传递速度要求很多的场合。 由于空气的可压缩性， 致使气动工作的稳定性差， 因而造成执行机构运动速度和定位精度不易控制。 由于使用气压较低、 输出力不可能太大， 为了增加输出力， 必然是整个气动系统的结构尺寸加大。 气动的效率还是较低的，这是由于空

11、气压缩机的效率为55% ，压缩空气用过之后排空又损失了一部分能量之故。四 电动驱动系统电动驱动（电气驱动）是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动机器人的关节，以获得所要求的位置，速度和加速度。电动机驱动可分为普通交流电机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。普通交、直流电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。交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进四氨基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。1 步进电机驱

12、动步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的数字/ 模拟装置。步进电机有回转式步进电机和直线式步进电机，对于旋转式步进电机而言，每当输入一个电脉冲后， 步进电机输出轴就转动一定角度，如果不断地输入电脉冲信号，步进电机就一步步地转动， 且步进电机转过的角度与输入脉冲个数成严名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 格比例关系， 能方便地实现正、 反转控制及调速和定位。 步进电机不同于通用的直流和交流电动机， 它

13、必须与驱动器和直流电源组成系统才能工作，通常我们所说的步进电机， 一般是指步进电机和驱动器的成套装置，步进电机的性能在很大程度取决于“矩频”特性，而“矩频”特性又和驱动器的性能好坏密切相关。脉冲分配器驱动器称为：驱动电源功率放大器脉冲分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到功率放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和切断，并根据指令使电机正转、 反转。实现确定的运行方式。特点： 输出角与输入脉冲严格成比例，且在时间上同步。步进电机的步距角不受各种干涉因素，如电压的大小，电流的数值，波形等影响，转子的速度主要取决于脉冲信号的频率，总的位移量则取决于总脉冲数。容易实现正反转和启、停控制，

14、启停时间短。输出转角的精度高， 无积累误差。 步进电机世纪步距角与理论步距角总有一定的误差，且误差可以累加， 但当步进电机转过一周后， 总的误差又回到零。直接用数字信号控制，与计算机接口方便。维修方便，寿命长。2 直流伺服电机驱动在 20 世纪 80年代以前， 机器人广泛采用永磁式直流伺服电动机作为执行机构，近年来，直流伺服电机受到无刷电动机的挑战和冲击，但在中小功率的系统中，永磁式直流伺服电动机还是常常使用的。 20世纪 70 年代研制了大惯量宽调速直流电动机，尽量提高转矩，改善动态特性，既具有一般直流伺服电动机的优点，又具有小惯量直流伺服动机的快速响应性能，易与大惯量负载匹配， 能较好地满

15、足伺服驱动的要求，因而在高精度数控机床和工业机器人等机电一体化产品中得到了广泛应用。优点：启动转矩大，体积小，重量轻，转速易控制，效率高。缺点：有电刷和换向器，需要定期维修、更换电刷，电动机使用寿命短、噪声大。3 无刷伺服电动机驱动直流电动机在结构上存在机械换向器和电刷，使它具有一些难以克服的固有缺点，如维护困难，寿命短，转速低（通常低于2000r/min ） ，功率体积比不高等。将直流电动机的定子和转子互换位置，形成无刷电动机。 转子由永磁铁组成，定子绕有通电线圈，并安装用于检测转子位置的霍尔元件、 光码盘或旋转编码器。无刷电动机的检测元件检测转子的位置，决定电流的换向。无刷直流电动机在运行

16、过程中要进行转速和换向两种控制，控制提供给定子线圈的电流， 就可以控制转子的转速： 在转子到达指定位置时， 霍尔元件检测到该位置并改变定子导通相， 实现定子磁场改变， 从而实现无接触换向。 同直流电动机相比，无刷电动机具有以下优点： 无刷电动机没有电刷，不需要定期维护，可靠性更高。 没有机械换向装置，因而它有更高转速。 克服大电流在机械式换向器换向时易产生火花，电蚀，因而可以制造更大容量的电动机。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - -

17、- - - - 无刷直流电机无刷电动机无刷交流电机（交流伺服电机）无刷直流电动机迅速推广应用的重要因素之一是近10 多年来大功率集成电路的技术进步， 特别是无刷直流电机专用的控制集成电路出现，缓解了良好控制性能和昂贵成本的矛盾。近年来，在机器人中，交流伺服电电机正在取代传统的直流伺服电动机。交流伺服电电机的发展速度取决于PWM 控制技术，告诉运算芯片（如DSP ）和先进的控制理论， 如矢量控制， 直接转矩控制等。 电机控制系统通过引入微处理芯片实现模拟控制向数字控制的转变，数字控制系统促进了各种现代控制理论的应用，非线性解耦控制，人工神经网络，自适应控制、模糊控制等控制策略纷纷引入电机控制中，

18、 由于微处理器的处理速度和存储容量都有大幅度的提高，一些复杂的算法也能实现， 原来由硬件实现的任务在通过算法实现，不仅提高了可靠度，还降低了成本。4 制动器许多机器人的机械臂都需要爱各关节处安装制动器，其作用是：在机器人停止工作时， 保持机械臂的位置不变， 在电源发生故障时， 保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。例如，齿轮、谐波齿轮机构和滚珠丝杠等元件的质量较高，一般其摩擦力都很小，在驱动器停止工作的时候， 它们是不能承受负载的。 如果不采用如制动器、加紧器或止挡等装置， 一旦电源关闭， 机器人的各个部件就会在重力的作用下滑落。制动器通常是按失效抱闸方式工作的，即要放松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。它的主要目的是在电源出现故障时起保护作用。其缺点是在工作期间要不断花费电力使制动器放松。为了使关节定位准确， 制动器必须有足够的定位精度， 制动器应当尽可能地放在系统的驱动输入端， 这样利用传动链速比， 能够减小制动器的轻微滑动所引起的系统移动，保证了在承载条件下具有较多的定位精度。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -