工业机器人驱动与控制系统.pptx

4.1工业机器人驱动系统4.2工业机器人控制系统4.3工业机器人典型控制方法4.4工业机器人控制系统构成4.5工业机器人使用的传感器,2020/6/12,机电工程学院,1,第四章工业机器人驱动与控制系统,2020/6/12,机电工程学院,2,4.1工业机器人驱动系统4.1.1驱动系统分类,按动力源划分,液压驱动系统气动驱动系统电动驱动系统复合式驱动系统新型驱动系统,基本驱动类型,2020/6/12,机电工程学院,3,由一般的发动机带动液压泵，液压泵转动形成高压液流（也就是动力），液压管路将高压液体（一般是液压油）接到液压马达，是液压马达转动，形成驱动力。,液压驱动,2020/6/12,机电工程学院,4,与液压驱动相似，传动介质不同。利用气体的抗挤压力来实现力的传递。,气动驱动,气动执行装置的种类：气缸、气动马达。,2020/6/12,机电工程学院,5,电动驱动是一种将电信号转换成角位移或线位移的驱动方法。比如步进电动机是将电脉冲信号转化为位移或者是角位移的驱动方法。,电动驱动,2020/6/12,机电工程学院,6,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。,2020/6/12,机电工程学院,7,三种基本驱动系统的主要性能特点,2020/6/12,机电工程学院,8,三种基本驱动系统的主要性能特点,2020/6/12,机电工程学院,9,三种基本驱动系统的主要性能特点,2020/6/12,机电工程学院,10,4.1.2驱动系统设计的选用原则一般情况下，各种机器人驱动系统的设计选用原则：1）控制方式2）作业环境要求3）操作运行速度,低速重负载时可选用液压驱动系统；中等负载时可选用电动驱动系统；轻负载时可选用电动驱动系统；轻负载、高速时可选用气动驱动系统,2020/6/12,机电工程学院,11,4.1.2驱动系统设计的选用原则一般情况下，各种机器人驱动系统的设计选用原则：1）控制方式2）作业环境要求3）操作运行速度,从事喷涂作业的工业机器人，由于工作环境需要防爆，考虑到其防爆性能，多采用电液伺服驱动系统和具有本征防爆的交流电动伺服驱动系统。,2020/6/12,机电工程学院,12,4.1.2驱动系统设计的选用原则一般情况下，各种机器人驱动系统的设计选用原则：1）控制方式2）作业环境要求3）操作运行速度,在腐蚀性、易燃易爆气体、放射性物质环境中工作的移动机器人，一般采用交流伺服驱动。如要求在洁净环境中使用，则多要求采用直接驱动(DirectDriveDD)电动机驱动系统。,2020/6/12,机电工程学院,13,4.1.2驱动系统设计的选用原则一般情况下，各种机器人驱动系统的设计选用原则：1）控制方式2）作业环境要求3）操作运行速度,要求其有较高的点位重复精度和较高的运行速度，通常在速度相对较低(4.5ms)情况下，可采用AC、DC或步进电动机伺服驱动系统；在速度、精度要求均很高的条件下，多采用直接驱动(DD)电动机驱动系统。,2020/6/12,机电工程学院,14,4.1.3工业机器人主要的驱动系统工业机器人主要的驱动系统：电液伺服驱动系统、气动驱动系统、电动驱动系统。早期的机械手和机器人中，其操作机多应用连杆机构中的导杆、滑块、曲柄，多采用液压(气压)活塞缸(或回转缸)来实现其直线和旋转运动。随着控制技术的发展，对机器人操作机各部分动作要求的不断提高，电动机驱动在机器人中应用日益广泛。,2020/6/12,机电工程学院,15,1、电液伺服驱动系统电液伺服驱动控制系统是由电气信号处理单元与液压功率输出单元组成的闭环控制系统。具有控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、输出功率大、结构紧凑、功率质量比大等特点，在机器人驱动系统中得到广泛应用。采用电液伺服系统的工业机器人，具有点位控制和连续轨迹控制功能，并具有防爆性能。,2020/6/12,机电工程学院,16,电液伺服驱动的工业机器人所采用的电液转换和功率放大元件有电液伺服阀、电液比例阀等。电液伺服动力机构：电液伺服马达、电液伺服液压缸、电液步进马达、电液步进液压缸、液压回转伺服执行器等。采用电液伺服驱动的工业机器人系统设计中，应注意伺服阀的布置，以使伺服阀与驱动器之间连接的管线距离最短，以提高系统的动态响应。系统动力源压力以适中为宜6891379kPa，回油管以及油冷却器必须按一定的尺寸制造，以利热量散发，保护回路中的部件。,2020/6/12,机电工程学院,17,2、气动驱动系统气动驱动系统多用于：两位式或有限点位控制的工业机器人(如冲压机器人)中；作为装配机器人的气动夹具；用于点焊等较大型通用机器人的气动平衡中。,机器人气动驱动结构,2020/6/12,机电工程学院,18,机器人气动驱动结构图,包括空气压缩机、储气罐、汽水分离器、调压过滤器等,由分水滤气器、调压器和油雾器组成,包括电磁气阀、节流调速阀和减速压阀等,多采用直线气缸和摆动气缸,2020/6/12,机电工程学院,19,3、电动驱动系统机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。要求有较大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。机器人末端执行器(手爪)应采用体积、质量尽可能小的电动机。,2020/6/12,机电工程学院,20,电动驱动系统对关节驱动电机的主要要求：1）快速性2）起动转矩惯量比大3）控制特性的连续性和直线性4）调速范围宽5）体积小、质量小、轴向尺寸短6）可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载,2020/6/12,机电工程学院,21,电动机驱动方式应用类型一般可分为直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动、步进电动机驱动等。在工业机器人中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机(DD)都采用闭环控制，常用于位置精度和速度要求高的机器人中。目前，一般负载1000N以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是AC伺服电动机，步进电动机和DC伺服电动机。交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛使用。步进电动机主要适于开环控制系统，一般用于位置和速度精度要求不高的环境。机器人关节驱动电动机的功率范围般为0.110kW。,2020/6/12,机电工程学院,22,4.1.4工业机器人驱动系统中的电动机驱动器1、工业机器人电动机驱动原理,直流电机驱动（DCmotor）,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。,2020/6/12,机电工程学院,24,2、工业机器人采用的电动机驱动器电动机驱动器类型包括：直流伺服电动机驱动器、同步式交流伺服电动机驱动器、步进电动机驱动器、直接驱动、特种驱动器。1直流伺服电动机驱动器直流伺服电动机驱动器多采用脉宽调制(PWM)伺服驱动器，通过改变脉冲宽度来改变加在电动机电枢两端的平均电压，从而改变电动机的转速。PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强等特点，在工业机器人中常作为直流伺服电动机驱动器,2020/6/12,机电工程学院,25,2同步式交流伺服电动机驱动器同直流伺服电动机驱动系统相比，同步式交流伺服电动机驱动器具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点，在工业机器人中得到广泛应用。同步式交流伺服电动机驱动器通常采用电流型脉宽调制(PWM)三相逆变器和具有电流环为内环、速度环为外环的多闭环控制系统，以实现对三相永磁同步伺服电动机的电流控制。根据其工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同，它又可分为两种伺服系统：1)矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统。2)正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。采用矩形波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷直流伺服电动机，采用正弦波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷交流伺服电动机。,2020/6/12,机电工程学院,26,一般情况下，交流伺服驱动器，可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现以下功能：,1)位置控制方式；2)速度控制方式；3)转矩控制方式；4)位置、速度混合方式；5)位置、转矩混合方式；6)速度、转矩混合方式；7)转矩限制；8)位置偏差过大报警；9)速度PID参数设置；10)速度及加速度前馈参数设置；11)零漂补偿参数设置；12)加减速时间设置等。,步进电动机驱动器,作为一种开环数字控制系统，在小型机器人中得到较广泛的应用。步进电动机是将电脉冲信号变换为相应的角位移或直线位移的元件，它的角位移和线位移量与脉冲数成正比。转速或线速度与脉冲频率成正比。,2020/6/12,机电工程学院,28,步进电动机驱动器优点：在负载能力的范围内，位移量与脉冲数成正比的关系、速度与脉冲频率成正比的关系，这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，误差不长期积累，步进电动机驱动系统可以在较宽的范围内，通过改变脉冲频率来调速，实现快速起动、正反转制动。不足：由于其存在