第4章-工业机器人动力系统

工业机器人技术第4章工业机器人动力系统目录•4.1动力系统分类•4.2交流伺服系统•4.3液压伺服系统•4.4气动系统4.1动力系统分类4.1.1电动驱动系统4.1.2液压驱动系统4.1.3气动驱动系统4.1.4三种驱动方式对照工业机器人对动力系统的常见要求（1）动力系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；（2）反应速度要快，要求能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；（3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；（4）安全可靠；（5）操作和维护方便；（6）对环境无污染，噪声要小；（7）经济上合理；（8）结构紧凑，尽量减少体积。4.1.1电动驱动系统电动驱动器是目前使用的最广泛的驱动器。电动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。它的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。比较常用的电动驱动装置是步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机三大类。步进电机步进电机驱动通常是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制系统，具有一定精度，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。电脉冲是由专用驱动电源供给的，每当对其施加一个脉冲时，其输出轴便转过一个固定角度(称为“步进角”)，电机就前进一步，当供给连续电脉冲时就能一步一步地连续转动，这种电机的运行方式与普通匀速旋转的电机有一定差别，是步进式运动，因此命名为步进电机。步进电机的特点位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累，使得系统控制方便，结构简单，制造成本低；易于启动、停止、正反转及变速，响应性也好；速度可在相当宽范围内平滑调节。另外，可用一台控制器同时控制几台步进电机使它们完全同步运行；步进角选择范围大，可在几十分至180°大范围内选择。在小步距情况下，能够在超低速、高转矩下稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载；步进电机的特点无刷，电机本体部件少，可靠性高；停止时，可有自锁能力；启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，为保证其控制精度，需处理好升、降速问题；不能直接使用普通的交直流电源驱动，必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。伺服电机的分类伺服电机剖面图(a)永磁式直流伺服电机的剖面图(b)永磁式同步伺服电机的剖面图交流伺服电机随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。无刷式直流伺服电机采用内装式的霍尔效应传感器组件来检测转子的绝对位置以决定功率组件的触发时序，其效用有如将直流伺服电机的机械式电刷换相改为电子式换相，因而去除了直流伺服电动机因电刷所带来的限制。目前一般永磁式交流伺服电机的回接组件多采用解角器或光电解编码器，前者可量测转子绝对位置，后者则只能测得转子旋转的相对位置，电子换相则设计于驱动器内。伺服系统特点（1）控制量是机械位移或位移的时间函数；（2）给定值在很大的范围内变化；（3）属于反馈控制；（4）能使输出量快速准确地随给定量变化；（5）输入功率小，输出功率大；（6）能进行远距离控制；4.1.2液压驱动系统它具有动力大、力(或力矩)与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适于在承载能力大，惯量大以及在防火环境中工作的这些机器人中应用。但液压系统需进行能量转换(电能转换成液压能)，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低。液压系统的液体泄漏会对环境产生污染，工作噪声也较高。因这些弱点，近年来，在负荷为100kg以下的机器人中往往被电动系统所取代。气动驱动系统气动驱动系统具有速度快、系统结构简单，维修方便、价格低等特点，适于在中、小负荷的机器人中采用。但因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。气动驱动器的能源、结构都比较简单、但与液压驱动器相比，同体积条件下功率较小(因压力低)，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统。4.1.4三种驱动方式对照内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大，压力范围为50～140Pa大，压力范围为48～60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、弧焊机器人等4.2交流伺服系统4.2.1概述4.2.2驱动器4.2.3交流永磁同步伺服系统的工作及控制原理4.2.1概述工业机器人伺服系统的发展与伺服电动机的发展密切相关。伺服系统包括：伺服电机及其驱动器，外加编码器构成通常所说的伺服系统。除了驱动部分以外，还包括操作软件、控制部分、检测元件、传动机构和机械本体，各部件协调完成特定的运动轨迹或工艺过程。工业机器人伺服系统的发展经历了三个阶段。几种常用的机器人伺服控制策略恒压频比控制矢量控制直接转矩控制伺服控制器单片机系统运动控制专用PLC系统专用数控系统PC+运动控制卡4.2.2驱动器伺服驱动器主要包括功率驱动单元和伺服控制单元；伺服控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。其作用类似于变频器作用于普通交流电机。交流伺服系统多环路控制器功率放大电机转速输出检测ENC控制指令传动机构PWMPWM驱动电流位置执行机构DSP交流伺服驱动器的一般结构检测元件对于一个设计完善的伺服系统，其定位精度等主要取决于检测元件。伺服运动控制系统常用检测元件包括：测速电机，感应同步器、光电编码器、磁敏式、电磁式等和光栅等元件。也有控制精度要求相对较高的场合，采用正弦或余弦旋转变压器等位置传感器的，但无论哪种测量方式本质都是用来测量转子位置信息，只是安装的体积，方便程度，成本及可靠性要求不同而已。旋转式光电编码器的一般结构编码器工作原理由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取；由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位；编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料；分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率或称多少线；一般在每转分度5-10000线。旋转式光电编码器的输出信号4.2.3交流永磁同步伺服系统的工作原理永磁同步电机其本身是一个自控式同步电机，它有定子和转子组成，有的定子是线圈，转子是永磁体，有的转子是线圈，定子是永磁体。但无论哪种方式，电机本身是不能够自己执行旋转控制的，它必须依赖电子换相装置，这也是为什么这种电机需要变频控制的原因。也可以这样说，该种电机系统由电动机，逆变器和位置传感器共同组成永磁同步电机的基本工作原理交流永磁同步伺服数字式驱动器结构图不控整流桥三相逆变电路PMSM光耦隔离HALL电流检测光电编码器控制电源上位机RS232外部存储器QEP220VADC键盘控制DACSCIPWM产生模块ADCIN0ADCIN1QEPAQEPBINDEX驱动电路SPILED显示驱动器功率因数校正电路故障检测电路EMIFJTAGPWM6PWM5PWM4PWM3PWM2PWM1CPU存储器TMS320LF2407A_______PDPINT数据观测PLLWD/RTII/O仿真器输入滤波器一般永磁同步电机的驱动器的结构A/D力矩标定A/D速度标定力矩指令速度指令位置标定速度轨迹发生器位置指令位置计数器P控制速度前馈+PI控制滤波器2PI控制PWM逆变器-PMSMPG电流检测A/Dus滤波器1速度估计4倍频每周脉冲数标定AA/BB/ZZ/位置反馈-交流永磁同步伺服系统的控制方法永磁同步电机的矢量控制原理框图智能功率模块结构图三相逆变器主回路SLRLL1L2L3C1C2uSuapwM/uapwMubpwM/ubpwMucpwM/ucpwMT1T2T3T4T5T6ZZZoabcnPMSM4.3液压伺服系统4.3.1液压伺服驱动系统4.3.2电液比例控制4.3.3电液比例换向阀4.3.4摆动缸4.3.5齿条传动液压缸4.3.6液压伺服马达电液伺服系统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之间都采用电液伺服阀作为转换元件。电液伺服系统根据物理量的不同可分为位置控制、速度控制、压力控制和电液伺服控制。机械手手臂伸缩电液伺服系统原理图1—电液伺服阀2—液压缸3—机械手手臂4—电位器5—步进电动机6—齿轮齿条7—放大器4.3.1液压伺服驱动系统液压伺服驱动系统由液压源、驱动器、伺服阀、传感器和控制回路组成。电液伺服阀是电液伺服系统中的放大转换元件，它把输入的小功率电流信号，转换并放大成液压功率输出，实现执行元件的位移、速度、加速度及力的控制。液压伺服驱动系统喷嘴档板式电液伺服阀的工作原理图1—线圈2，3—导磁体4—永久磁铁5—衔铁6—弹簧管7，8—9—挡板10，13—固定节流孔11—反馈弹簧杆12—主滑阀4.3.2电液比例控制电液比例控制是介于普通液压阀的开关控制和电液伺服控制之间的控制方式。它能实现对液流压力和流量连续地、按比例的跟随控制信号而变化。它的控制性能优于开关控制，它与电液伺服控制相比，其控制精度和响应速度较低。因为它的核心元件是电液比例阀，所以简称比例阀。电液比例压力阀1—压力阀2—力马达3—推杆4—钢球5—弹簧6—锥阀4.3.3电液比例换向阀电液比例换向阀一般由电液比例减压阀和液动换向阀组合而成，前者作为先导级以其出口压力来控制液动换向阀的正反向开口量的大小，从而控制液流方向和流量的大小。图4-20电液比例换向阀1，6—螺钉2，4—电磁铁3，5—阀芯4.3.4摆动缸摆动式液压缸也称为摆动液压马达。当它通入压力油时，它的主轴能输出小于360°的摆动运动，常用于夹具夹紧装置、送料装置、转为装置以及需要周期性进给的系统中。图4-21摆动缸4.3.5齿条传动液压缸图4-22齿条传动液压缸图4-23滑阀伺服马达的原理1，9—螺钉2，8—端盖3—半圆环4，7—活塞5—齿条6—齿轮4.4气动系统4.4.1气压驱动回路4.4.2气源系统的组成4.4.3气压驱动器空气压缩机输出的压缩空气首先储存于储气罐中，然后供给各个回路使用。气动回路使用过的空气无需回收，而是直接经排气口排入大气，因而没有回收空气的回气管道。4.4.1气压驱动回路压缩空气由空气压缩机产生，其压力约为0.5-0.7Mpa，并被送入储气罐。然后由储气罐用管道接入驱动回路。在过滤器内出去灰尘和水分后，流向压力调整阀调压，使空气压缩机的压力至4-5Mpa。4.4.2气源系统的组成一般规定，当排气量大于或等于6-12的情况下，就有必要单独设