机器人的驱动系统.ppt

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1、工业机器人应用技术,机器人驱动系统概述,1,机器人驱动系统比较,2,机器人液压驱动系统,3,机器人气压驱动系统,4,机器人电气驱动系统,4,本模块主要介绍机器人的驱动系统，内容包括机器人的直接驱动方式与间接驱动方式，液压、气压、电动驱动的元件与特点，液压驱动系统的组成与工作原理，液压驱动系统的主要设备；气压驱动系统的组成与工作原理，气压驱动系统的主要设备；直流电动机与直流伺服电动机的结构原理与参数，步进电动机的结构原理。,学习完本模块的内容后，学生应能够了解机器人的驱动方式，掌握不同类型机器人驱动元件的性能与特点，能够熟练地分析机器人的驱动机构和驱动方式；掌握机器人的液压驱动系统的组成，熟悉液

2、压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析液压驱动系统的流程，能够找出液压驱动系统的故障环节。掌握机器人的气压驱动系统的组成，熟悉气压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析气压驱动系统的流程，能够找出气压驱动系统的故障环节。了解伺服系统与伺服电动机的要点，掌握直流电动机与直流伺服电动机的结构原理，掌握步进电动机的结构原理。,学习单元一机器人的驱动系统,机器人中连接运动部分的机构称为关节。关节有转动型和移动型，分别称为转动关节和移动关节。（1)转动关节。转动关节就是在机器人中简称为关节，是机器人的连接部分，它既连接各机构，又传递各机构间的回转运动（摆动），用于基座与臂部、臂部与臂部、臂部与手部等连接部

3、位。关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。,一、驱动方式,图4-1 转动关节的形式,一、驱动方式,驱动机构与回转轴同轴式。驱动机构与回转轴同轴式的驱动机构直接驱动回转轴，有较高的定位精度。但是，为减轻重量，要选择小型减速器并增加臂部的刚性。它适用于水平多关节型机器人。驱动机构与回转轴正交式。重量大的减速机构安放在基座上，通过臂部的齿轮、链条传递运动。这种形式适用于要求臂部结构紧凑的场合。,一、驱动方式,外部驱动机构驱动臂部的形式。外部驱动机构驱动臂部的形式适合于传递大转矩的回转运动，采用的传动机构有滚珠丝杠、液压缸和气缸。驱动电动机安装在关节内部的形式。驱动电动机安装在关节内部的形式称为直接驱动形

4、式。,一、驱动方式,一、驱动方式,滚动导轨按滚动体分为球、圆柱滚子和滚针。滚动导轨按轨道分为圆轴式、平面式和滚道式。滚动导轨按滚动体是否循环分为循环式和非循环式。这些滚动导轨各有特点，装有滚珠的滚动导轨适用于中小载荷和小摩擦的场合，装有滚柱的滚动导轨适用于重载和高刚性的场合。受轻载滚柱的特性接近于线性弹簧，呈硬弹簧特性；滚珠的特性接近于非线性弹簧，刚性要求高时应施加一定的预紧力。,一、驱动方式,机器人中轴承起着相当重要的作用，用于转动关节的轴承有多种形式，球轴承是机器人结构中最常用的轴承。球轴承能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。图4-2（a）所示为普通向心球轴承，图4-

5、2（b）所示为向心推力球轴承。这两种轴承的每个球和滚道之间只有两点接触（一点与内滚道，另一点与外滚道）。为实现预载，此种轴承必须成对使用。图4-2（c）所示为四点接触球轴承。该轴承的滚道是尖拱式半圆，球与每个滚道两点接触，该轴承通过两内滚道之间适当的过盈量实现预紧。因此，四点接触球轴承的优点是无间隙，能承受双向轴向载荷，尺寸小，承载能力和刚度比同样大小的一般球轴承高1.5倍；缺点是价格较高。,一、驱动方式,图4-2 基本耐磨球轴承,一、驱动方式,一、驱动方式,高输出转矩的驱动器有油缸式液压装置和力矩电动机等，其中液压装置在结构和摩擦等方面的非线性因素很强，所以很难体现出直接驱动的优点。因此，在

6、20世纪80年代所开发的力矩电动机采用了非线性的轴承机械系统，得到了优良的逆向驱动能力（以关节一侧带动驱动器的输出轴）。,图4-3 使用力矩电动机的直接驱动方式的关节机构实例,一、驱动方式,使用这样的直接驱动方式的机器人通常称为DD机器人(direct drive robot，DDR)。DD机器人驱动电动机通过机械接口直接与关节连接，驱动电动机和关节之间没有速度和转矩的转换。日本、美国等工业发达国家已经开发出性能优异的DD机器人。美国Adept公司研制出带有视觉功能的四自由度平面关节型DD机器人。日本大日机工公司研制成功了五自由度关节型DD600V机器人，其性能指标为：最大工作范围为1.2 m

7、，可搬重量为5 kg，最大运动速度为8.2 m/s，重复定位精度为0.05 mm。,一、驱动方式,一、驱动方式,一、驱动方式,中小型机器人一般采用普通的直流伺服电动机、交流伺服电动机或步进电动机作为机器人的执行电动机，由于电动机速度较高，输出转矩又大于驱动关节所需要的转矩，所以必须使用带减速器的电动机驱动。但是，间接驱动带来了机械传动中不可避免的误差，引起冲击振动，影响机器人系统的可靠性，并增加关节重量和尺寸。由于手臂通常采用悬臂梁结构，因而多自由度机器人关节上安装减速器会使手臂根部关节驱动器的负载增大。,一、驱动方式,一、驱动方式,二、驱动元件,液压驱动的输出力和功率很大，能构成伺服机构，常

8、用于大型机器人关节的驱动。美国Unimation公司生产的Unimate型机器人采用了直线液压缸作为驱动元件。Versatran机器人也使用直线液压缸作为圆柱坐标式机器人的垂直驱动元件和径向驱动元件。,二、驱动元件,(1)液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为2563 kg/cm2），体积较小。(2)可以获得较大的推力或转矩；功率/重量比大，可以减小执行装置的体积。(3)介质可压缩性小，刚度高，工作平稳、可靠，能够实现高速、高精度的位置控制。(4)在液压传动中，通过流量控制可以实现无级变速，比较容易实现自动控制。(5)液压系统采用油液作为介质，具有防锈和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿

9、命长。,二、驱动元件,(1)油液的黏度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起油液燃烧、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。(4)必须对油的污染进行控制，稳定性较差。(5)液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大，造价较高。,二、驱动元件,二、驱动元件,二、驱动元件,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，一般用于对速度和位置精度要求不高的场合。电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器

10、人关节驱动逐渐为电动机驱动所代替。,二、驱动元件,电动机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出转矩大，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转矩相对较小，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。,二、驱动元件,二、驱动元件,二、驱动元件,三、驱动机构,多数普通电动机和伺服电动机都能够直接产生旋转运动，但其输出转矩比所需要的转矩小，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，以获得较大的转矩。有时也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就

11、需要把直线运动转换成旋转运动。由于旋转驱动具有旋转轴强度高、摩擦小、可靠性好等优点，因此在结构设计中较多采用。,三、驱动机构,在行走机构关节中，完全采用旋转驱动实现关节伸缩时，旋转运动虽然也能转化得到直线运动，但在高速运动时，关节伸缩的加速度不能忽视，它可能产生振动。为了提高着地点选择的灵活性，还必须增加直线驱动系统。因此，许多情况采用直线驱动更为合适。直线气缸仍是目前所有驱动装置中最廉价的动力源，凡能够使用直线气缸的地方，还是应该选用它。有些要求精度高的地方也要选用直线驱动。,三、驱动机构,学习单元二机器人驱动系统的比较,学习单元三 机器人液压驱动系统,学习单元三机器人液压驱动系统,一、液压

12、伺服系统的组成及工作特点,图4-4 液压伺服系统的组成,一、液压伺服系统的组成及工作特点,(1)在液压伺服系统的输入和输出之间存在反馈连接，从而组成了闭环控制系统。反馈介质可以是机械的、电气的、气动的、液压的或它们的组合形式。(2)系统的主反馈是负反馈，即反馈信号与输入信号相反，用二者比较得到的偏差信号来控制液压源，控制输入液压元件的流量，使其向减小偏差的方向移动，即以偏差来减小偏差。(3)系统输入信号的功率很小，但系统的输出功率却可以很大，因此它是一个功率放大装置，功率放大所需的能量由液压源提供。液压源提供能量的大小是根据伺服系统偏差大小自动进行控制的。,一、液压伺服系统的组成及工作特点,电

13、液伺服系统通过电气传动方式，用电气信号输入系统来操作有关的液压驱动元件动作，控制液压执行元件，使其跟随输入信号而动作。在这类伺服系统中，电、液两部分都采用电液伺服阀作为转换元件。,二、电液伺服系统,图4-5 机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图,二、电液伺服系统,具体工作过程为：当数控装置发出一定数量的脉冲时，步进电动机就会带动电位器的动触头转动。假设顺时针转过一定的角度，这时电位器输出电压为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，液压缸右侧的油液经电液伺服阀返回油箱。此时，机械手手臂上的齿条

14、带动齿轮也顺时针移动，当其转动角度=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旋转，与前述过程相反，机械手手臂就会缩回。,二、电液伺服系统,图4-6 机械手手臂伸缩运动的伺服系统框图,二、电液伺服系统,三、液压驱动系统的工作原理,图4-7 液压驱动系统的工作原理1油箱；2液压泵；3溢流阀；4换向阀；5液压缸；6节流阀,四、液压驱动系统的主要设备,液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动或摆动运动的液压执行元件。它结构简单，工作可靠。用液压缸来实现往复运动时，可免

15、去减速装置，且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。,用电磁阀控制的直线液压缸是最简单和最便宜的开环液压驱动装置。在直线液压缸的操作中，可以通过受控节流口调节流量，在机械部件到达运动终点时实现减速，使停止过程得到控制。无论是直线液压缸或旋转液压电动机，它们的工作原理都是基于高压油对活塞或叶片的作用。液压油是经控制阀被送到液压缸的一端的，在开环系统中，阀是由电磁铁控制的；在闭环系统中，阀则是用电液伺服阀来控制的。,四、液压驱动系统的主要设备,图4-8 直线液压缸中阀的控制,四、液压驱动系统的主要设备,图4-9 旋转液压电动机,液压电动机又称为旋转液压电动机，是液压系统的

16、旋转式执行元件，如图4-9所示。,四、液压驱动系统的主要设备,四、液压驱动系统的主要设备,四、液压驱动系统的主要设备,单向阀只允许油液向某一方向流动，而反向截止，这种阀也称为止回阀，如图4-10所示。,图4-10 单向阀,四、液压驱动系统的主要设备,(1)滑阀式换向阀。滑阀式换向阀是靠阀芯在阀体内做轴向运动，使相应的油路接通或断开的换向阀。其换向原理如图4-11所示。当阀芯处于图4-11(a)所示位置时，P与B，A与T相连，活塞向左运动；当阀芯处于图4-11(b)所示位置时，P与A，B与T相连，活塞向右运动。,图4-11 换向阀的换向原理,四、液压驱动系统的主要设备,(2)手动换向阀。手动换向

17、阀用于手动换向。(3)机动换向阀。机动换向阀用于机械运动中，作为限位装置限位换向，如图4-12所示。,图4-12 机动换向阀1行程挡块；2滚轮；3阀体；4阀芯；5弹簧,四、液压驱动系统的主要设备,学习单元四机器人气压驱动系统,(4)电磁换向阀。电磁换向阀用于在电气装置或控制装置发出换向命令时，改变流体方向，从而改变机械运动状态。三位四通电磁换向阀如图4-13所示。,图4-13 三位四通电磁换向阀1阀体；2阀芯；3定位器；4弹簧；5挡块；64t杆；7环；8线圈；9衔铁；10导套；11插头,四、液压驱动系统的主要设备,气源装置是获得压缩空气的装置，其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转变

18、为气体的压力能。气压驱动系统中的气源装置为气动系统提供符合使用要求的压缩空气，它是气压传动系统的重要组成部分。由空气压缩机产生的压缩空气必须经过降温、净化、减压、稳压等一系列处理后，才能供给控制元件和执行元件使用。用过的压缩空气排向大气时，会产生噪声，应采取措施，降低噪声，改善劳动条件和环境质量。,一、气源装置,压缩空气站的设备一般包括产生压缩空气的空气压缩机和使气源净化的辅助设备。,图4-14 压缩空气站设备组成及布置示意图1空气压缩机；2后冷却器；3油水分离器；4、7贮气罐；5干燥器；6过滤器,一、气源装置,在图4-14中，空气压缩机用于产生压缩空气，一般由电动机带动。其吸气口装有空气过滤

19、器，以减少进入空气压缩机的杂质量。后冷却器用于降温冷却压缩空气，使净化的水凝结出来。油水分离器用于分离并排出降温冷却的水滴、油滴、杂质等。贮气罐用于储存压缩空气，稳定压缩空气的压力，并除去部分油分和水分。干燥器用于进一步吸收或排除压缩空气中的水分和油分，使之成为干燥空气。过滤器用于进一步过滤压缩空气中的灰尘、杂质颗粒。贮气罐4输出的压缩空气可用于一般要求的气压传动系统，贮气罐7输出的压缩空气可用于要求较高的气动系统（气动仪表及射流元件组成的控制回路等）。,一、气源装置,一、气源装置,空气过滤减压器是最典型的附件。它用于净化来自空气压缩机的压缩空气，并能把压力调整到所需的压力值，且具有自动稳压的

20、功能。图空气过滤减压器是以力平衡原理动作的。当来自空气压缩机的空气输入过滤减压器的输入端后，进入过滤器气室A。由于旋风盘5的作用，使气流旋转并将空气中的水分分离出一部分，在壳体底部沉降下来。当气流经过过滤件4时，进行除水、除油、除尘，空气得到净化后输出。,图4-15 空气过滤减压器的结构1给定弹簧；2膜片；3球体阀瓣；4过滤件；5旋风盘；A、B气室,一、气源装置,当调节手轮按逆时针方向拧到不动时，过滤减压器没有输出压力，气路被球体阀瓣3切断。若按顺时针方向转动手轮，则活动弹簧座把给定弹簧1往下压，弹簧力通过膜片2把球体阀瓣打开，使气流经过球体阀瓣而流到输出管路。与此同时，气压通过反馈小孔进入反

21、馈气室B，压力作用在膜片上，将产生一个向上的力。若此力与给定弹簧所产生的力相等，则过滤减压器达到力平衡，输出压力就稳定下来。给定弹簧的作用力越大，输出的压力就越高。因此，调节手轮就可以调节给定值。在安装过滤减压器时，必须按箭头方向或“输入”“输出”方向，分别与管道连接。减压器正常工作时，一般不需要特殊维护。使用半年之后检修一次。当过滤元件阻塞时，可将其拆下，放在10%的稀盐酸溶液中煮沸，用清水漂净，烘干之后继续使用。,一、气源装置,二、气动控制元件,气压系统不同于液压系统，一般每一个液压系统都自带液压源（液压泵）；而在气压系统中，一般来说由空气压缩机先将空气压缩，储存在贮气罐内，然后经管路输送

22、给各个气动装置使用。贮气罐的空气压力往往比各台设备实际所需要的压力高些，同时其压力波动值也较大。因此，需要用减压阀（调压阀）将其压力减到每台装置所需的压力，并使减压后的压力稳定在所需压力值上。,二、气动控制元件,图4-16 直动式减压阀的结构1调节手柄；2、3调压弹簧；4溢流口；5膜片；6阀杆；7阻尼管；8阀芯；9阀座；10复位弹簧；11排气孔,二、气动控制元件,二、气动控制元件,二、气动控制元件,二、气动控制元件,顺序阀是依靠气路中压力的作用而控制执行元件按顺序动作的压力控制阀，如图4-17所示，它根据弹簧的预压缩量来控制其开启压力。当输入压力达到或超过开启压力时，顶开弹簧，于是P到A才有输

23、出；反之，A无输出。,图4-17 顺序阀的工作原理,二、气动控制元件,顺序阀很少单独使用，往往与单向阀配合在一起，构成单向顺序阀。图4-18所示为单向顺序阀的工作原理。当压缩空气由左端进入阀腔后，作用于活塞3上的力超过压缩弹簧2上的力时，将活塞顶起，压缩空气从P经A输出，如图4-18（a）所示，此时单向阀4在压差力及弹簧力的作用下处于关闭状态。反向流动时，输入侧变成输出侧，输出侧压力将顶开单向阀4由O口排气，如图4-18（b）所示。调节旋钮就可改变单向顺序阀的开启压力，以便在不同的开启压力下控制执行元件的顺序动作。,二、气动控制元件,图4-18 单向顺序阀的工作原理1调节手柄；2压缩弹簧；3活

24、塞；4单向阀,二、气动控制元件,二、气动控制元件,压缩空气由P口进入，经过节流后，由A口流出。旋转阀芯螺杆，就可改变节流口的开度，这样就调节了压缩空气的流量。这种节流阀因结构简单、体积小，故应用范围较广。,图4-19 节流阀(圆柱斜切型)的工作原理,二、气动控制元件,单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的组合式流量控制阀。当气流沿PA方向流动时，如图4-20（a）所示，气流经过节流阀节流；如图4-20（b）所示，气流反方向沿AP方向流动时，单向阀打开，不节流。单向节流阀常用于气缸的调速和延时回路。,图4-20 单向节流阀的工作原理,二、气动控制元件,排气节流阀是装在执行元件的排气口处，调节进入

25、大气中气体流量的一种控制阀。它不仅能调节执行元件的运动速度，还常带有消声器件，能起降低排气噪声的作用。排气节流阀的工作原理和节流阀类似，靠调节节流口1处的通流截面积来调节排气流量，由消声套2来减小排气噪声。,图4-21 排气节流阀的工作原理1节流口；2消声套,二、气动控制元件,二、气动控制元件,如图4-22（a）所示，压缩空气从进气口P，并将密封活塞迅速上推，开启阀口，同时关闭排气口O，使进气口P和工作口A相通。如图4-22（b）所示，P口没有压缩空气进入时，在A口和P口压差作用下，密封活塞迅速下降，关闭P口，使A口通过O口快速排气。,图4-22 快速排气阀的工作原理,二、气动控制元件,快速排

26、气阀常安装在换向阀和气缸之间。快速排气阀使气缸的排气不用通过换向阀而快速排出，从而加速了气缸的往复运动速度，缩短了工作周期。,图4-23 快速排气阀在回路中的应用,二、气动控制元件,二、气动控制元件,气压控制换向阀是以压缩空气为动力切换气阀，使气路换向或通断的阀类。气压控制换向阀的用途很广，多用于组成全气阀控制的气压传动系统或易燃、易爆、高净化等场合。（1）单气控加压式换向阀。图4-24所示为单气控加压截止式换向阀的工作原理。图4-24（a）所示为无气控信号状态（常态），此时，阀芯在弹簧的作用下处于上端位置，使阀口A与O相通，A口排气。图4-24（b）所示为有气控信号状态（动力阀状态）。由于气

27、压力的作用，阀芯压缩弹簧下移，使阀口A与O断开，P与A接通，A口有气体输出。图2-24(c)所示为该阀的图形符号。,二、气动控制元件,图4-24 单气控加压截止式换向阀的工作原理,二、气动控制元件,单气控截止式换向阀的结构简单、紧凑、密封可靠、换向行程短，但换向力大。若将气控接头换成电磁头（电磁先导阀），可变气控阀为先导式电磁换向阀。,图4-25 二位三通单气控截止式换向阀结构图,二、气动控制元件,（2）双气控加压式换向阀。图4-26（a）所示为有气控信号状态(K2)，此时，阀停在左边，其通路状态是P与A，B与O相通。图4-26（b）所示为有气控信号状态(K1)，此时信号K2已不存在，阀芯换位

28、，其通路状态变为P与B，A与O相通。双气控滑阀具有记忆功能，即气控信号消失后，阀仍能保持在有信号时的工作状态。,图4-26 双气控滑阀式换向阀的工作原理,二、气动控制元件,二、气动控制元件,二、气动控制元件,二、气动控制元件,二、气动控制元件,三、气动执行元件,三、气动执行元件,三、气动执行元件,薄膜式气缸是一种利用压缩空气通过膜片推动活塞杆做往复直线运动的气缸。它由缸体、膜片、膜盘和活塞杆等主要零件组成。其功能类似于活塞式气缸，它分单作用式和双作用式两种，如图4-27所示。薄膜式气缸的膜片可以做成盘形膜片和平膜片两种形式。膜片材料为夹织物橡胶、钢片或磷青铜片，常用的是夹织物橡胶，橡胶的厚度为

29、56 mm，有时也可为13 mm。金属式膜片只用在行程较小的薄膜式气缸中。,三、气动执行元件,图4-27 薄膜式气缸的结构简图1缸体；2膜片；3膜盘；4活塞杆,冲击式气缸是一种体积小、结构简单、易于制造、耗气功率小但能产生相当大的冲击力的特殊气缸。与普通气缸相比，冲击式气缸的结构特点是增加了一个具有一定容积的蓄能腔和喷嘴。,图4-28 冲击式气缸的工作原理,三、气动执行元件,三、气动执行元件,三、气动执行元件,冲击式气缸的整个工作过程可简单地分为以下3个阶段。（1）压缩空气由孔A输入冲击缸的下腔，蓄气缸经孔B排气，活塞上升并用密封垫封住喷嘴，中盖和活塞间的环形空间经排气孔与大气相通，如图4-2

30、8（a）所示。（2）压缩空气改由孔B进气，压缩空气进入蓄气缸中，冲击缸下腔，经孔A排气。由于活塞上端气压作用在面积较小的喷嘴上，而活塞下端受力面积较大（一般设计成喷嘴面积的9倍），冲击缸下腔的压力虽因排气而下降，但此时活塞下端向上的作用力仍然大于活塞上端向下的作用力，如图4-28（b）所示。,三、气动执行元件,二、机器人臂部的配置,气动电动机也是气动执行元件的一种。它的作用相当于电动机或液压电动机，即输出转矩，拖动机构做旋转运动。气动电动机是以压缩空气为工作介质的原动机，如图4-29所示。,图4-29 气动电动机,三、气动执行元件,三、气动执行元件,(3)工作安全，不受振动、高温、电磁、辐射等

31、影响，适用于恶劣的工作环境，在易燃、易爆、高温、振动、潮湿、粉尘等不利条件下均能正常工作。(4)有过载保护作用，不会因过载而发生故障。过载时，气动电动机只是转速降低或停止，当过载解除后，即可以重新正常运转，并不产生机件损坏等故障。气动电动机可以长时间满载连续运转，温升较小。(5)具有较高的起动转矩，可以直接带载荷起动。起动、停止均迅速。,三、气动执行元件,(6)功率范围及转速范围较宽。功率小至几百瓦，大至几万瓦；转速可从零一直到每分钟几万转。(7)操纵方便，维护检修较容易。气动电动机具有结构简单、体积小、重量轻、功率大、操纵容易、维护方便等优点。(8)使用空气作为介质，无供应上的困难，用过的空

32、气不需处理，释放到大气中无污染。压缩空气可以集中供应或远距离输送。(9)输出功率相对较小，最大只有20 kW左右。(10)耗气量大，效率低，噪声大。,学习单元五机器人电气驱动系统,一、机器人对关节驱动电动机的要求,(1)快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应尽可能短。响应指令信号的时间越短，电动机伺服系统的灵敏性越高，快速响应性能越好，一般是以伺服电动机的机电时间常数来表示伺服电动机快速响应的性能。(2)起动转矩惯量比较大。在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。,一、机器人对关节驱动电动机的要求,(3)控制特性的连续性和直线性，随着控制信号

33、的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。(4)调速范围宽，能使用于11 000110 000的调速范围。(5)体积小，质量轻，轴向尺寸短。(6)能在苛刻的运行条件下工作，可进行十分频繁的正、反向和加、减速运动，并能在短时间内承受过载。,一、机器人对关节驱动电动机的要求,目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人领域中得到了广泛应用。一般负载在1 000 N以下的工业机器人大多采用电动机伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是交流伺服电动机、步进电动机和直流伺服电动机。其中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机(DD)均采用

34、位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。步进电动机驱动系统多用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。交流伺服电动机由于采用了电子换向，无换向火花，在易燃、易爆环境中得到了广泛的应用。机器人关节驱动电动机的功率一般为0.110 kW。,一、机器人对关节驱动电动机的要求,目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人领域中得到了广泛应用。一般负载在1 000 N以下的工业机器人大多采用电动机伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是交流伺服电动机、步进电动机和直流伺服电动机。其中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机(DD)均采用位置闭

35、环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。步进电动机驱动系统多用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。交流伺服电动机由于采用了电子换向，无换向火花，在易燃、易爆环境中得到了广泛的应用。机器人关节驱动电动机的功率一般为0.110 kW。,工业机器人电动伺服系统的结构一般为3个闭环控制，即电流环(转矩控制)、速度环(速度控制)和位置环(位置控制)。,图4-30 工业机器人电动机的驱动原理,一、机器人对关节驱动电动机的要求,二、步进电动机驱动器,二、步进电动机驱动器,通常步进电动机具有永磁转子，而定子上有多个绕组。由于绕组中产生的热量很容易从电动机机体散失，因而步进电动机很容易

36、受到热损坏的影响，且因为没有电刷与换向器，所以寿命比较长。,图4-31 步进电动机的结构,二、步进电动机驱动器,二、步进电动机驱动器,(1)永磁式步进电动机。永磁式步进电动机的转子为圆筒形永磁钢，定子位于转子的外侧，定子绕组中流过电流时产生定子磁场。定子和转子磁场间相互作用，产生吸引力或排斥力，从而使转子旋转。永磁式步进电动机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5或15。该步进电动机结构简单，生产成本低，步距角大，起动频率低，动态性能差。(2)反应式步进电动机。反应式步进电动机的转子由齿轮状的低碳钢构成，转子在通电相定子磁场的作用下，旋转到磁阻最小的位置。永磁式步进电动机出力大，动态性

37、能好，但步距角大。,二、步进电动机驱动器,电动机的定子上有 6个均匀分布的磁极，其夹角是60。各磁极上套有绕组，按图4-32所示的绕法连成A、B、C三相绕组。转子上均匀分布40个小齿。因此，每个齿的齿距为E=360/40=9，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。,图4-32 三相反应式步进电动机的剖面示意图,二、步进电动机驱动器,二、步进电动机驱动器,由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3。因此，B、C相磁极下的磁阻比A相磁

38、极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B相磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3。此时，A、C相磁极下的齿又分别与转子齿错开1/3齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3。,二、步进电动机驱动器,依次类推，当三相绕组按ABCA顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按ACBA顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并按

39、三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步距角b为30。三相步进电动机还有两种通电方式：双三拍运行，即按ABBCCAAB顺序循环通电的方式；单、双六拍运行，即按AABBBCCCAA顺序循环通电的方式。六拍运行时的步距角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算。b=360/NEr(4-1),二、步进电动机驱动器,图4-33 步进电动机驱动器的原理框图,步进电动机的脉冲频率与其产生的转矩之间的关系就是步进电动机的转矩特性，如图4-34 所示。步进电动机的转矩特性用使处于静止状态的步进电动机突然起动，并能够以一定的转速旋转的负载转矩的极限值来表示。起动转矩以内的区域称为自起

40、动区域。,图4-34 步进电动机的转矩特性,二、步进电动机驱动器,二、步进电动机驱动器,三、直流电动机驱动器,三、直流电动机驱动器,图4-35 直流电动机的工作原理示意图,三、直流电动机驱动器,将外部直流电源加到电刷A（正极）和B（负极）上，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。由左手定则可知，导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图4-35（a）所示。当电枢旋转180，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下，由于电流仍从电刷A流

41、入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，由左手定则判断可知，电磁转矩的方向仍为逆时针方向，如图4-35（b）所示。,三、直流电动机驱动器,三、直流电动机驱动器,四、无刷直流电动机,无刷直流电动机是直流电动机和交流电动机的混合体，虽然其结构与交流电动机不完全相同，但二者具有相似之处。无刷直流电动机工作时使用的是开关直流波形，这一点和交流电相似（正弦波或梯形波），但频率不一定是60 Hz。因此，无刷直流电动机不像交流电动机，它可以工作在任意速度，包括很低的速度。为了正确地运转，需要一个反馈信号来决定何时改变电流方向。实际上，装在转子上的旋转变压器、光学编码器或霍尔

42、效应传感器都可以向控制器输出信号，由控制器来切换转子中的电流。为了保证运行平稳、力矩稳定，转子通常有三相，通过利用相位差120的三相电流给转子供电。无刷直流电动机通常由控制电路控制运行，若直接接在直流电源上，它不会运转。,为实现伺服电动机的控制，可以使用多种不同类型的传感器，包括编码器、旋转变压器、电位器和转速计等。如果采用了位置传感器，如电位计和编码器等，对输出信号进行微分就可以得到速度信号。,图4-36 伺服电动机控制器的控制原理,五、伺服电动机,五、伺服电动机,五、伺服电动机,在所有电动机中，一个很重要的问题是反电动势。通有电流的导线在磁场中会产生力，从而使导线运动。类似地，如果导线（导

43、体）在磁场中做切割磁力线的运动，那么将会产生感应电流，这是发电的基本原理。然而，这也意味着当电动机绕组中的导线在磁场中旋转时，同样也会感应产生一个与输入电流方向相反的电压，该电压称为反电动势，它将试图削弱电动机中的实际电流。电动机旋转得越快，反电动势越大。反电动势通常表示为转子转速的函数，即 Vemf=nKE,五、伺服电动机,KE一般用1 000 r/min所产生的电压大小来表示。当电动机达到它的额定空载转速时，反电动势将足够大，并使具有有效电流的电动机稳定在额定空载转速上。然而，在此额定转速下，电动机的输出力矩为零。电动机的电压由下式决定。Vin=IR+Vemf=IR+nKE式中，R为电弧绕

44、组电阻，。,五、伺服电动机,若给电动机加载，电动机将减速，导致反电动势变小，电枢电流变大，相应产生正的净输出力矩。负载越大，电动机的转速越低，以产生更大的力矩。如果负载越来越大，就会产生堵转，反电动势消失，电枢电流达到最大值，力矩也达到最大值。但是，当反电动势较小时，尽管输出力矩较大，由于有效电流变大，产生的热量也越多。在堵转或接近堵转的条件下，产生的热量可能会损坏电动机。,五、伺服电动机,为了能输出更大力矩而不降低电动机转速，必须给转子或定子增大电流，若采用软铁心，则会给二者都增加电流。在这样的情况下，虽然电动机的转速不变且反电动势也不变，但增大的电流将使有效电流增加，从而增加力矩。通过改变电流（相应的电压），可以在期望点上维持转速力矩的平衡，这样的电动机就称为伺服电动机。电动机的输出力矩T可以表示为力矩常数 KT 的函数，即T=IKT。反抗力矩指摩擦力矩T f、黏性阻尼力矩nK D 及负载力矩TL，因此电动机的力矩为 T=TL+Tf+nKD=nKT（4-4）式(4-2)、式(4-3)和式(4-4)决定了电动机的运动。,谢谢观看！,