典型工业机器人驱动器分析及设计研究

2015 届毕业生毕业设计说明书题 目: 典型工业机器人驱动器分析及设计研究 院系名称：电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 教授 2015 年 5 月 20 日I目 录1 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 研究意义 .31.3 工业机器人驱动器的发展 .31.3.1 工业机器人驱动器的历史及现状 .31.3.2 工业机器人驱动器未来发展的方向 .42 工业机器人驱动系统设计分析 .62.1 工业机器人的组成结构 .62.2 工业机器人的驱动类型 .62.2.1 驱动系统的分类 .62.2.2 各驱动系统的特点 .72.3 电动机特性分析 .93 工业机器人驱动器设计实例分析 .123.1 工业机器人 IRB L6/2 驱动器分析 .123.2 工业机器人 M2000 驱动器分析 .174 工业机器人驱动器设计研究 .224.1 系统硬件总体方案 .224.2 主控芯片介绍 .224.3 dsPIC 外围电路设计 .244.3.1 电流检测电路 .244.3.2 转子位置检测电路 .254.3.3 过压保护电路及制动电路 .264.3.4 浪涌保护电路 .274.4 开关电源电路设计 .274.5 智能功率模块电路设计 .28结 论 .30致 谢 .32参 考 文 献 .3311 绪论1.1 研究背景工业机器人是一种可以自行执行任务的装置，依靠自己本身的驱动力和控制力来代替人完成各种工作的机器。它可以执行人的命令，也可以根据初始编译的程序执行任务，随着科技的发展,现代的技术使机器人可以自己行动,但是还是需要遵循所设定的人工智能技术的规则。在工业生产中,有很多重复性高、耗费体力、危险性高的工作，如果由人类完成这样的工作，那么会效率十分的低。在实际操作中,这样的工作都是由机器人来完成的，比如在热处理、焊接、塑料制品成形等工作环境较恶劣和压力铸造、装配等简单重复性工作，以及搬运核原料等高危险性工作。各种各样不同用途的工业机器人相继发布，许多以前只存在于假设中的想法已经变成现实。工业机器人有两个很适用于工业生产的性质,那就是通用性和适应性，工业机器人可以适应多品种、小批量的生产，从七十年代开始，工业机器人就和数字机床相结合，成为柔性制造中重要的的组成部分。同时工业机器人具有精密的操作性,被广泛的用于一些对精密性要求很高的行业,比如精密仪器的加工、核工程以及医疗行业等等。工业机器人自动化生产线如图 1.1 所示。图 1.1 工业机器人自动化生产线谈到工业机器人的发展就不得不提到日本。日本工业机器人的普及领先世界上大部分国家,在上世纪九十年代就使用了许多工业机器人进行工业生产，与此同时达到了工业机器人发展的巅峰,从国家层面上看,日本政府很重视机器人的发展,这个从我们小时候看的动漫上就可以看的出来,比如铁臂阿童木,铁胆火车2侠,铁甲小宝等。而如今也在第发展三类工业机器人的路上取得了很棒的成就。据研究表明,国外对工业机器人发展重点有以下三点：仿生机器人与新型机构,机器人的定位与地图创建,机器人-环境交互。在工业机器人基础方面的研究上,我国也下了很大的功夫,我国依托各大学和研究所研究了许多学科,执行机构上包括机器人运动学、机器人动力学、机器人构型等，机器人控制机构上包括机器人编程语言、机器人运动控制算法等学科，传感器方面包括机器人传感器研究，多传感器控制系统的研究等，工业机器人的重要技术我国基本上全部可以独立自主的生产研发。在工业机器人控制系统上，中国已经研发出了多处理器和机器人分层控制系统，很多系统已经投入生产使用，而且中国在大型机方面的技术国际领先,主控机也在不断的更新换代。下图为机器人焊接工作站。机器人焊接工作站如图 1.2 所示。图 1.2 机器人焊接工作站中国制造业面临着向高端转变，承接国际先进制造的巨大挑战。中国想要抓住这个历史机遇,必须加快工业机器人技术的研究开发与生产。 因此,我国需要继续发展工业机器人,不断地提高生产效率和产品质量。首先,我国是一个制造大国,我们的目标是成为制造强国，无疑,大力发展工业机器人生产是实现这一目标的有力手段。政府为了实现这一目标,需要对工业机器人产业有更多的政策支持，我国不单单要学习国外的经验，而且要吸取国外发展工业机器人的相关教训,未雨绸缪；第二，在国家制定大型科研计划中，应该对工业机器人研究相关项目3给予更多的支持，打破工业机器人和自动化生产设备不相协调的局面；第三，在国产工业机器人质量已经与国外相当的前提下，企业应该优先国内采购,打破外国和尚好念经的局面,尽量自给自足。1.2 研究意义工业机器人未来发展的方向是朝着智能仿生化方向发展，随着材料工程与科学、自动控制系统等学科不断发展，实验室实际操作经验不断的积累，工业机器人适用的场合正在不断的增加。 伴随互联网、物联网工程、工业 4.0 等概念不断地深入人心，精密型具有分布式控制系统的工业机器人的适用行业正在不断的增加，不知不觉不断地在改变传统制造业，使传统制造业逐步由生产型行业向着服务型行业转变 。日益增长的工业机器人市场吸引着许多世界工业机器人生产厂家的目光。目前，我国进口工业机器人主要源自日本，但是随着国内具有工业机器人相关技术自有知识产权的企业不断增加，越来越多的工业机器人将由中国制造。1.3 工业机器人驱动器的发展1.3.1 工业机器人驱动器的历史及现状工业机器人驱动器的发展与伺服电动机的不同发展阶段密切相关，从直流电机的发明到现在已经有一百多年的历史。最早发明的电动机是直流电机，但是它的发展却是十分的缓慢，这是由于在当时相关电力电子元器件达不到实际的使用要求，但是到了二十世纪六十年代以后，随着半导体以及材料工程的发展，直流电动机得到迅速的发展，并在当时成为了随动系统中十分重要的驱动设备。其实在直流电机发展起来之前呢，运用最广泛的是步进电机，当时磁阻式步进电机在数控机床设备中运用的最为广泛，当时的控制系统还是十分落后的，多为开环控制。但是在现代，随着科技的发展，使用最多控制方式是闭环控制，而且随着方波、正弦波驱动的各种新型永磁同步电动机的研发成功，逐渐开始替代直流伺服电动机，占领整个市场。众所周如，未来驱动器的发展离不开驱动器动力源的智能化，尤其是当今处于网络化时代，除了驱动器的智能化外，还需网络化。新的时代提供了开阔的思路，也为驱动器未来的发展指明了方向。4根据对控制系统高性能的要求，现如今的大部分工业机器人驱动系统采用闭环控制方式。伺服驱动器如图 1.3 所示。图 1.3 工业机器人伺服驱动器1.3.2 工业机器人驱动器未来发展的方向现代工业机器人驱动系统，已经逐渐向数字时代转变，数字控制技术已经无孔不入，如信号处理技术中的数字滤波、数字控制器、各种先进智能控制技术的应用等，把功能更加强大的控制器芯片以及各种智能处理模块应用到工业机器人交流伺服驱动系统当中，可以实现更好的控制性能。分析多年来交流伺服控制系统的发展特色，总结市场上客户对其性能的要求，可以概括出交流伺服控制系统有以下几种热门发展方向： （1）数字化 随着微电子技术的发展，处理速度更迅速、功能更强大的微控制器不断涌现，控制器芯片价格越来越低，硬件电路设计也更加简单，系统硬件设计成本快速下降，且数字电路抗干扰能力强，参数变化对系统影响小，稳定性好；采用微处理器的数字控制系统，更容易与上位机通讯，在不变更硬件系统结构的前提下，可随时改变控制器功能。在相同的硬件控制系统中，可以有多种形式的控制功能，不同的系统功能可以通过设计不同的软件程序来实现，且可以根据控制技术的发展把最新的控制算法通过软件编程实时的更新控制系统。 （2）智能化 为了适应更为恶劣的控制环境和复杂的控制任务，各种先进的智能控制算法已经开始应用在交流伺服驱动系统中。其特点是根据环境、负载特性的变化自主的改变参数，减少操作人员的工作量。目前市场上已经出现比较成熟的专用智能控制芯片，其控制动静态特性优越，在交流伺服驱动控制5系统中被广大技术人员所采用。 （3）通用化 当前，控制系统都有多种工作模式，而且不同工作模式的切换无需改变系统硬件电路设计，应用范围宽广，而且可以控制多种类型的各种型号的电机，适用于多种类型的控制系统，系统的通用化无疑是驱动系统发展的大势所趋。现如今，高性能的工业机器人驱动技术仍然被欧美日等发达国家所垄断，我国的交流伺服驱动市场 80%以上被欧美日等国的伺服产品所占据，特别是高端设备中基本上看不到国产伺服产品的身影。二十一世纪初期，我国加入 WTO 以后，随着我国开始变为世界工厂，为我国交流伺服技术的发展提供了广阔的市场空间，国内几家实力雄厚的交流伺服产品生产单位开始逐渐推出自己的产品，占领部分市场份额。62 工业机器人驱动系统设计分析2.1 工业机器人的组成结构工业机器人主要由机械系统，包括执行机构和驱动机构、控制检测系统及智能系统组成。工业机器人的组成结构图如图 2.1 所示。工业机器人控制系统 智能系统机械系统执行机构 驱动机构图 2.1 工业机器人的组成结构执行机构：执行机构是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。 驱动机构：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。控制系统 机械系统驱动 - 传动装置执行机构 工作对象位形检测智能系统图 2.2 工业机器人各部分关系图检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。工业机器人各部分关系图如图 2.2 所示。2.2 工业机器人的驱动类型2.2.1 驱动系统的分类工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压，气动和电动三大类。根据需7要也可由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的各有自己的特点。一、液压驱动系统由于液压技术是一种比较成熟的技术。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，惯量大以及在防焊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。液压系统的液体泄泥会对环境产生污染，工作噪声也较高。因这些弱点，近年来，在负荷为 100kz 以下的机器人中往往被电动系统所取代。二、气动驱动系统压缩机二次冷却器储气罐干燥机过滤器减压阀控制阀气动执行装置负载图 2.3 工业机器人气动驱动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。工业机器人气动驱动如图2.3 所示。三、电动驱动系统由于低惯量，大转矩交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器(交流变频器、直流脉冲宽度调制器)的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量选用。这类系统不需能量转换，使用方便，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的环境中，成本也较上两种驱动系统的高。但因这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的选用。2.2.2 各驱动系统的特点机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三8种方法各有所长，不同的驱动系统适用于不同的场合，在设计工业机器人驱动器的时候要按照需求来选择合适的驱动方式，在实际的工程应用中，根据实际的条件来选用一个最合适的驱动系统，各种驱动方式的特点见表 2.1表 2.1 三种驱动方式特点对照内容 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50140Pa大，压力范围为4860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