《机器人的驱动》PPT课件.ppt

1,第三章 机器人的驱动,这里所说的机器人驱动就是机电一体化系统中的执行装置。,执行装置就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置。按利用的能源来分类，主要可分为电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。,2,新型执行装置： 压电执行装置：利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变形的压电效应。 形状记忆合金执行装置：利用镍钛合金等材料具有的形状随温度变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。,3,3.1 直流电机驱动（DC motor）,1. 直流电机工作原理,止口,左手定则,直流电动机通过换向器将直流转换成电枢绕组中的交流，从而使电枢产生一个恒定方向的电磁转矩。,4,2. 矩频特性曲线：电流控制曲线和电压控制曲线。,3. 直流电机的控制方式 改变电压或电流控制转速和转距。,其中，KE为电动势常数， KF为转矩常数。,PWM (Pulse Width Modulation)控制是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压达到调节电机转速的目的。,5,优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。,4. 直流电机的特点,书籍是进步的阶梯,缺点：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，噪音比交流电机大。,6,3.2 交流电机驱动（AC motor）,AC servomotor,止口,7,8,9,10,1. 工作原理,11,2.矩频特性曲线,同步电机：定子是永磁体，所谓同步是指转子速度与定子磁场速度相同。,异步电机：转子和定子上都有绕组，所谓异步是指转子磁场和定子间存在速 度差（不是角度差）。,12,同步电机的特点：体积小。用途：要求响应速度快的中等速度以下的工业机器人；机床领域。,伺服电机的精度由编码器的精度决定。,3.交流电机的特点,4.交流电机的控制方式 改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。,特点：无电刷和换向器，无产生火花的危险；比直流电机的驱动电路复杂、价格高。,异步电机的特点：转子惯量很小，响应速度很快。用途：中等功率以上的伺服系统。,13,3.3 步进电机驱动（stepping motor）,步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。缺点：由于开环控制，所以精度不高。,14,步进电机有三种：永磁式PM（permanent magnet）；反应式（也称可变磁阻式）VR（variable reluctance），在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式 HB（hybrid），混合式是指混合了永磁式和反应式的优点，混合式步进电机的应用最为广泛。,步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。简单说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。,1.工作原理,15,PM式步进电机转子是永磁体，定子是绕组，在定子电磁铁和转子永磁体之间的排斥力和吸引力的作用下转动，步距角一般为7.5o90o。,VR式步进电机用齿轮状的铁心作转子，定子是电磁铁。在定子磁场中，转子始终转向磁阻最小的位置。步距角一般为0.9o15o。,HB式步进电机是PM式和VR式的复合形式。在永磁体转子和电磁铁定子的表面上加工出许多轴向齿槽，产生转矩的原理与PM式相同，转子和定子的形状与VR式相似，步距角一般为0.9o15o。,16,相数：产生不同N、S对磁场的激磁线圈对数。,2. 相关术语,失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。,拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。四相四拍运行方式：AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式： A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.,步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积。,17,保持转距（HOLDING TORQUE）或静转矩是指电机各相绕组通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转距。是电机选型时最重要的参数之一。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。比如，当说2Nm的步进电机时，在没有特殊说明的情况下一般是指保持转矩为2Nm的步进电机。,定位转矩是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，由于混合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转矩。一般定位转矩远小于保持转距。是否存在定位转距是混合式步进电机区别于反应式步进电机的重要标志。 DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译。,18,细分驱动器的原理,驱动器细分后的主要优点： （1）完全消除了电机的低频振荡。 （2）同时也提高了电机的输出转矩。 （3）提高了电机的分辨率。,通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。,19,3. 运行矩频特性,4. 步进电机驱动的特点 控制系统简单可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高负载或高速度时易失步，低速运行时会产生步进运行现象。,在这个输出转矩区间，步进电机启动时的输入脉冲频率必须缓慢增加,20,1、实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题； 2、高速性能好，一般额定转速能达到20003000转； 3、抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用； 4、低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合； 5、电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内； 6、发热和噪音明显降低。,伺服电机与步进电机比较,伺服电机的优势：,21,超声波电机（一种未来很有希望的电机）,特点： 超声波电机具有体积小，重量轻，不用制动器，速度和位置控制灵敏度高，转子惯性小，响应性能好，没有电磁噪声等普通电机不具备的优点。,工作原理：当给压电陶瓷施加一定方向的电压时，各部分产生的应变方向相反（在正电压作用下，+的部分伸长，-的部分压缩），+、-部分交替相接。在交流电压的作用下，压电陶瓷就会沿圆周方向产生交替的伸缩变形，定子弹性体的上下运动产生驻波。此外，由于重叠在一起的两片压电陶瓷的相位差为90O，所以，在形成驻波的同时也会在水平方向形成行波。这样，在驻波和行波的合成波的作用下，使定子作椭圆运动轨迹的振动。这样，装在定子上的转子在摩擦力的作用下就会产生旋转。同样也有直线运动的超声波电机。,22,直接驱动电机（direct drive:DD）,优点：不用齿轮减速器直接驱动，因此具有无间隙、摩擦小、机械刚度高等优点，可以实现高速、高精度的位置控制和微小力控制。,种类：直流力矩电机、无刷直流电机、VR式电机等。,缺点：因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响。,23,3.4 液压驱动,液压缸,液压马达,24,伺服阀,伺服阀是一种根据输入信号及输出信号反馈量连续成比例地控制流量和压力的液压控制阀。根据输入信号的方式不同，又分电液伺服阀和机液伺服阀。 电液伺服阀将小功率的电信号转换为大功率的液压能输出，实现执行元件的位移、速度、加速度及力的控制。 机液伺服阀的输入信号是机动或手控的位移。 伺服阀控制精度高，响应速度快，特别是电液伺服系统容易实现计算机控制，在航空航天、军事装备中得到广泛应用。但加工工艺复杂，成本高，对油液污染敏感，维护保养难，民用工业应用较少。,25,电液伺服阀的组成和工作原理 （见动画）,电液伺服阀由电气机械转换装置、液压放大器和反馈（平衡）机构三部分组成。 电气机械转换装置将输入的电信号转换为转角或直线位移输出，常称为力矩马达或力马达。图中上部分为力矩马达。 液压放大器接受小功率的转角或位移信号，对大功率的液压油进行调节和分配，实现控制功率的转换和放大。图中有喷嘴挡板（前置级）和主滑阀两级。 反馈平衡机构使阀输出的流量或压力与输入信号成比例。图中反馈弹簧杆11为反馈机构。,26,机液伺服阀,轴向柱塞泵的手动伺服变量机构主要零件有伺服阀阀芯1、伺服阀阀套2、变量活塞5等。伺服阀芯与控制杆挂在一起，伺服阀套与变量活塞刚性连成一体。伺服阀油口a 通过油道b 与变量活塞下腔相通；油口e 通过油道f 与变量活塞上腔相通。变量活塞下腔通有泵的压力油，上腔为密闭容腔，上下腔面积比为2：1。 给控制杆输入一个位移信号，因为伺服阀的控制作用，变量活塞将跟随产生一个同方向的位移，泵的斜盘摆动为某一角度，泵输出一定的排量，排量的大小与控制杆的位移信号成比例。,27,优点： （1）容易获得比较大的扭矩和功率； （2）功率/重量比大，可以减小执行装置的体积； （3）刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制； （4）通过流量控制可以实现无级变速。,缺点： （1）必须对油的温度和污染进行控制，稳定性较差； （2）有因漏油而发生火灾的危险； （3）液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。,液压驱动的特点：,28,3.5 气动驱动,气动执行装置的种类：气缸、气动马达。,29,优点：（1）利用气缸可以实现高速直线运动； （2）利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制； （3）无火灾危险和环境污染； （4）系统结构简单，价格低。,缺点：（1） 由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控 制都比较困难，驱动刚性比较差； （2）虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的动作速度很慢； （3）噪音大；,气动驱动的特点：,30,3.6 机械传动机构,目前，机器人的旋转关节有60%70%都使用谐波齿轮。,谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮组成。,（1）谐波齿轮减速器,假设刚性齿轮由100个齿，柔性齿轮比它少2个齿，则当谐波发生器转50圈时，柔性齿轮转1圈，这样只占用了很小的空间就可得到1:50的减速比。,31,谐波齿轮传动啮合过程示意图,32,谐波齿轮传动的工作原理如图9-14所示，若刚轮G为固定件，波发生器H为主动件，柔轮R为从动件。当将波发生器装入柔轮内孔时，由于波发生器两滚子外侧之间的距离略大于柔轮内孔直径，使原为圆形的柔轮产生弹性变形成为椭圆，使其长轴两端的齿与刚轮齿完全啮合。同时，变形后柔轮短轴两端的齿则与刚轮齿完全脱开，其余各处的齿，则视回转方向不同分别处于“啮入”或“啮出”状态。当波发生器连续回转时，啮入区和啮出区将随着椭圆长短轴相位的变化而依次变化。于是柔轮就相对于不动的刚轮沿与波发生器转向相反的方向作低速回转，柔轮长轴和短轴相位的连续变化，使柔轮的变形在其圆周上是连续的简谐波形，因此，这种传动称为谐波传动。若柔轮固定，刚轮从动，其工作过程完全相同，只是刚轮的转向与波发生器转向相同。,33,带杯形柔轮和椭圆盘波发生器的谐波齿轮减速器 1椭圆盘波发生器 2柔性轴承 3柔轮 4刚轮（外壳）,34,谐波齿轮传动的三种结构形式 带杯形柔轮的谐波传动组合件 (b) 带环形柔轮的谐波传动组合件 (c) 带环形柔轮的外啮合复波式谐波传动组合件 1杯形柔轮 2轴套 3端面牙嵌式离合器 4椭圆盘 5柔性轴承 6、9、10、12、15刚轮7、13波发生器 8、14环形柔轮 11、16壳体,35,带杯形柔轮的谐波传动 如图9-16a所示，是由三个基本构件组成的，带凸缘的环形刚轮6，杯形柔轮1和由柔性轴承5、椭圆盘4构成的波发生器，它通过端面牙嵌式联轴器3与输出轴套2相连。这种没有单独外壳的由三大基本构件形成一个组合件的结构形式，使传动装置的结构更为简化和紧凑。,36,外啮合复波式谐波传动的原理简图,37,带环形柔轮的外啮合复波式谐波传动 图9-17是这种外啮合复波式谐波传动原理简图。图中H为波发生器，G1为第一级固定刚轮，G2为第二级输出的活动刚轮，R1和R2为固连在一宽柔轮上的两个柔轮齿圈，在宽度上分别与刚轮G2和G1啮合。于是，波发生器H、柔轮R1和刚轮G1组成第一级谐波减速传动（波发生器主动，刚轮固定，柔轮从动）。而波发生器H、柔轮R2和刚轮G2组成第二级谐波减速传动（波发生器主动，柔轮相对固定，刚轮从动）。复波式谐波齿轮传动使用于大传动比、高精度的减速装置中。其特点是结构简单、传动比范围大，精度高，但齿间磨损较大，传动效率约为65%。,38,带复波式谐波减速装置的传动结构 1手腕 2滚针轴承 3、4刚轮 5柔轮 6波发生器 7轴承 8、10带轮 9手臂壳体11传动轴 12空心轴 13、14柔轮工作段 15法兰 16壳体 17法兰,39,图9-18所示为一驱动机器人操作机手腕回转运动装置中的复波式谐波减速装置的结构。两个带齿圈的刚轮3和4，它们同时与薄壁环形宽柔轮形成两个工作段13和14，宽椭圆盘6和两个柔性轴承组的波发生器和空心轴12安装在轴承7上，并由电动机（图中未表示）通过齿形带