工業(yè)機器人技術第4章工業(yè)機器人動力系統(tǒng)目錄4.1動力系統(tǒng)分類4.2交流伺服系統(tǒng)4.3液壓伺服系統(tǒng)4.4氣動系統(tǒng)4.1動力系統(tǒng)分類4.1.1電動驅(qū)動系統(tǒng) 4.1.2液壓驅(qū)動系統(tǒng) 4.1.3氣動驅(qū)動系統(tǒng) 4.1.4三種驅(qū)動方式對照工業(yè)機器人對動力系統(tǒng)的常見要求（1）動力系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；（2）反應速度要快，要求能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換；（3）驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小；（4）安全可靠；（5）操作和維護方便；（6）對環(huán)境無污染，噪聲要??；（7）經(jīng)濟上合理；（8）結(jié)構緊湊，盡量減少體積。4.1.1電動驅(qū)動系統(tǒng)電動驅(qū)動器是目前使用的最廣泛的驅(qū)動器。電動驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機構去驅(qū)動機器人的關節(jié)，以獲得所要求的位置，速度和加速度。它的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高，但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動比較困難。比較常用的電動驅(qū)動裝置是步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機三大類。步進電機步進電機驅(qū)動通常是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制系統(tǒng)，具有一定精度，也可在要求更高精度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。電脈沖是由專用驅(qū)動電源供給的，每當對其施加一個脈沖時，其輸出軸便轉(zhuǎn)過一個固定角度(稱為“步進角”)，電機就前進一步，當供給連續(xù)電脈沖時就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，這種電機的運行方式與普通勻速旋轉(zhuǎn)的電機有一定差別，是步進式運動，因此命名為步進電機。步進電機的特點位移與輸入脈沖信號相對應，步距誤差不長期積累，使得系統(tǒng)控制方便，結(jié)構簡單，制造成本低；易于啟動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，響應性也好；速度可在相當寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。另外，可用一臺控制器同時控制幾臺步進電機使它們完全同步運行；步進角選擇范圍大，可在幾十分至180°大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下，能夠在超低速、高轉(zhuǎn)矩下穩(wěn)定運行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動負載；步進電機的特點無刷，電機本體部件少，可靠性高；停止時，可有自鎖能力；啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，為保證其控制精度，需處理好升、降速問題；不能直接使用普通的交直流電源驅(qū)動，必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。伺服電機的分類伺服電機剖面圖(a)永磁式直流伺服電機的剖面圖(b)永磁式同步伺服電機的剖面圖交流伺服電機隨著技術的進步，近年來交流伺服電機正逐漸取代直流伺服電機而成為機器人的主要驅(qū)動器。無刷式直流伺服電機采用內(nèi)裝式的霍爾效應傳感器組件來檢測轉(zhuǎn)子的絕對位置以決定功率組件的觸發(fā)時序，其效用有如將直流伺服電機的機械式電刷換相改為電子式換相，因而去除了直流伺服電動機因電刷所帶來的限制。目前一般永磁式交流伺服電機的回接組件多采用解角器或光電解編碼器，前者可量測轉(zhuǎn)子絕對位置，后者則只能測得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的相對位置，電子換相則設計于驅(qū)動器內(nèi)。伺服系統(tǒng)特點（1）控制量是機械位移或位移的時間函數(shù)；（2）給定值在很大的范圍內(nèi)變化；（3）屬于反饋控制；（4）能使輸出量快速準確地隨給定量變化；（5）輸入功率小，輸出功率大；（6）能進行遠距離控制；4.1.2液壓驅(qū)動系統(tǒng)它具有動力大、力(或力矩)與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。適于在承載能力大，慣量大以及在防火環(huán)境中工作的這些機器人中應用。但液壓系統(tǒng)需進行能量轉(zhuǎn)換(電能轉(zhuǎn)換成液壓能)，速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低。液壓系統(tǒng)的液體泄漏會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪聲也較高。因這些弱點，近年來，在負荷為100kg以下的機器人中往往被電動系統(tǒng)所取代。氣動驅(qū)動系統(tǒng)氣動驅(qū)動系統(tǒng)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構簡單，維修方便、價格低等特點，適于在中、小負荷的機器人中采用。但因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。氣動驅(qū)動器的能源、結(jié)構都比較簡單、但與液壓驅(qū)動器相比，同體積條件下功率較小(因壓力低)，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制系統(tǒng)。4.1.4三種驅(qū)動方式對照內(nèi)容驅(qū)動方式

液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電機驅(qū)動輸出功率很大，壓力范圍為50～140Pa大，壓力范圍為48～60較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應靈敏，可實現(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，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜響應速度很高較高很高結(jié)構性能及體積結(jié)構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構緊湊，密封問題較大結(jié)構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構緊湊，密封問題較小伺服電動機易于標準化，結(jié)構性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構緊湊，無密封問題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災危險防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應注意設備的抗壓性設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染排氣時有噪聲無應用范圍適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人等4.2交流伺服系統(tǒng)

4.2.1概述 4.2.2驅(qū)動器 4.2.3交流永磁同步伺服系統(tǒng)的工作及控制原理4.2.1概述工業(yè)機器人伺服系統(tǒng)的發(fā)展與伺服電動機的發(fā)展密切相關。伺服系統(tǒng)包括：伺服電機及其驅(qū)動器，外加編碼器構成通常所說的伺服系統(tǒng)。除了驅(qū)動部分以外，還包括操作軟件、控制部分、檢測元件、傳動機構和機械本體，各部件協(xié)調(diào)完成特定的運動軌跡或工藝過程。工業(yè)機器人伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。幾種常用的機器人伺服控制策略恒壓頻比控制矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制伺服控制器單片機系統(tǒng)運動控制專用PLC系統(tǒng)專用數(shù)控系統(tǒng)PC+運動控制卡4.2.2驅(qū)動器伺服驅(qū)動器主要包括功率驅(qū)動單元和伺服控制單元；伺服控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。其作用類似于變頻器作用于普通交流電機。交流伺服系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動器的一般結(jié)構檢測元件對于一個設計完善的伺服系統(tǒng)，其定位精度等主要取決于檢測元件。伺服運動控制系統(tǒng)常用檢測元件包括：測速電機，感應同步器、光電編碼器、磁敏式、電磁式等和光柵等元件。也有控制精度要求相對較高的場合，采用正弦或余弦旋轉(zhuǎn)變壓器等位置傳感器的，但無論哪種測量方式本質(zhì)都是用來測量轉(zhuǎn)子位置信息，只是安裝的體積，方便程度，成本及可靠性要求不同而已。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器的一般結(jié)構編碼器工作原理由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取；由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位；

編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料；

分辨率—編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率或稱多少線；一般在每轉(zhuǎn)分度5-10000線。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器的輸出信號4.2.3交流永磁同步伺服系統(tǒng)的工作原理永磁同步電機其本身是一個自控式同步電機，它有定子和轉(zhuǎn)子組成，有的定子是線圈，轉(zhuǎn)子是永磁體，有的轉(zhuǎn)子是線圈，定子是永磁體。但無論哪種方式，電機本身是不能夠自己執(zhí)行旋轉(zhuǎn)控制的，它必須依賴電子換相裝置，這也是為什么這種電機需要變頻控制的原因。也可以這樣說，該種電機系統(tǒng)由電動機，逆變器和位置傳感器共同組成永磁同步電機的基本工作原理交流永磁同步伺服數(shù)字式驅(qū)動器結(jié)構圖一般永磁同步電機的驅(qū)動器的結(jié)構交流永磁同步伺服系統(tǒng)的控制方法永磁同步電機的矢量控制原理框圖智能功率模塊結(jié)構圖三相逆變器主回路4.3液壓伺服系統(tǒng)4.3.1液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)

4.3.2電液比例控制 4.3.3電液比例換向閥

4.3.4擺動缸 4.3.5齒條傳動液壓缸 4.3.6液壓伺服馬達電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)通過電氣傳動方式，將電氣信號輸入系統(tǒng)來操縱有關的液壓控制元件動作，控制液壓執(zhí)行元件使其跟隨輸入信號而動作。這類伺服系統(tǒng)中電液兩部分之間都采用電液伺服閥作為轉(zhuǎn)換元件。電液伺服系統(tǒng)根據(jù)物理量的不同可分為位置控制、速度控制、壓力控制和電液伺服控制。機械手手臂伸縮電液伺服系統(tǒng)原理圖1—電液伺服閥2—液壓缸3—機械手手臂4—電位器5—步進電動機6—齒輪齒條7—放大器4.3.1液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)由液壓源、驅(qū)動器、伺服閥、傳感器和控制回路組成。電液伺服閥是電液伺服系統(tǒng)中的放大轉(zhuǎn)換元件，它把輸入的小功率電流信號，轉(zhuǎn)換并放大成液壓功率輸出，實現(xiàn)執(zhí)行元件的位移、速度、加速度及力的控制。液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)噴嘴檔板式電液伺服閥的工作原理圖1—線圈2，3—導磁體4—永久磁鐵5—銜鐵6—彈簧管7，8—9—擋板10，13—固定節(jié)流孔11—反饋彈簧桿12—主滑閥4.3.2電液比例控制電液比例控制是介于普通液壓閥的開關控制和電液伺服控制之間的控制方式。它能實現(xiàn)對液流壓力和流量連續(xù)地、按比例的跟隨控制信號而變化。它的控制性能優(yōu)于開關控制，它與電液伺服控制相比，其控制精度和相應速度較低。因為它的核心元件是電液比例閥，所以簡稱比例閥。電液比例壓力閥1—壓力閥2—力馬達3—推桿4—鋼球5—彈簧6—錐閥4.3.3電液比例換向閥電液比例換向閥一般由電液比例減壓閥和液動換向閥組合而成，前者作為先導級以其出口壓力來控制液動換向閥的正反向開口量的大小，從而控制液流方向和流量的大小。圖4-20電液比例換向閥1，6—螺釘2，4—電磁鐵3，5—閥芯4.3.4擺動缸擺動式液壓缸也稱為擺動液壓馬達。當它通入壓力油是，它的主軸能輸出小于360°的擺動運動，常用于夾具夾緊裝置、送料裝置、轉(zhuǎn)為裝置以及需要周期性進給的系統(tǒng)中。圖4-21擺動缸4.3.5齒條傳動液壓缸圖4-22齒條傳動液壓缸

圖4-23滑閥伺服馬達的原理1，9—螺釘2，8—端蓋3—半圓環(huán)4，7—活塞5—齒條6—齒輪4.4氣動系統(tǒng)4.4.1氣壓驅(qū)動回路

4.4.2氣源系統(tǒng)的組成

4.4.3氣壓驅(qū)動器空氣壓縮機輸出的壓縮空氣首先儲存于儲氣罐中，然后供給各個回路使用。氣動回路使用過的空氣無需回收，而是直接經(jīng)排氣口排入大氣，因而沒有回收空氣的回氣管道。4.4.1氣壓驅(qū)動回路壓縮空氣由空氣壓縮機產(chǎn)生，其壓力約為0.5-0.7Mpa，并被送入儲氣罐。然后由儲氣罐用管道接入驅(qū)動回路。在過濾器內(nèi)出去灰塵和水分后，流向壓力調(diào)整閥調(diào)壓，使空氣壓縮機的壓力至4-5Mpa。4.4.2氣源系統(tǒng)的組成一般規(guī)定，當排氣量大于或等于6-12的情況下，就有必要單獨設立壓縮空氣站。壓縮空氣站主要由空氣壓縮機、吸氣過濾器、后冷卻器、油水分離器和儲氣罐組成。如要求氣體質(zhì)量更高，還應附設氣體的干燥、凈化等處理裝置。氣源凈化輔助設備圖4-25風冷式后冷卻器

圖4-26撞擊折回式油水分離器圖4-27儲氣罐氣源凈化輔助設備圖4-28干燥器

圖4-29過濾器

濕空氣進氣管2—橢圓封頭3，5，10—法蘭4，6—再生空氣排氣管7—再生空氣進氣管8—干燥空氣輸出管9—排水管11，22—密封墊12，15，20—銅絲過濾網(wǎng)13—毛氈14—下柵板16，21—吸附劑17—支撐板18—外殼19—上柵板4.4.3氣壓驅(qū)動器氣壓驅(qū)動器時最簡單的一種驅(qū)動方式，氣體驅(qū)動元件有直線汽缸和旋轉(zhuǎn)氣動馬達兩種。氣壓驅(qū)動器除了用壓縮空氣作為工作介質(zhì)外，其它與液壓驅(qū)動器類似。氣動馬達和汽缸是典型的氣壓驅(qū)動器。氣壓驅(qū)動器結(jié)構簡單、安全可靠、價格便宜。但是由于空氣的可壓縮性，精度和可控性較差，不能應用在高精度的場合。一種新型的氣動馬達，用微