机器人驱动系统学习教案

1、会计学1机器人驱动机器人驱动(q dn)系统系统第一页，共49页。4.1 4.1 机器人的驱动机器人的驱动(q dn)(q dn)方式方式概述概述(i sh)优点优点:1）液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为）液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为2563kg/cm2),体积较小，可以获得较大的推力或转矩。体积较小，可以获得较大的推力或转矩。2）液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度）液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度(jn d)。3）液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制。）液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制。

2、4）液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。）液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。不足之处不足之处:1）油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险。）油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险。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。）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。）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

3、则会引起故障。应用应用: 液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动液压驱动的特点及应用液压驱动的特点及应用 第1页/共48页第二页，共49页。 优点优点:1）以空气为工作介质，不仅易于取得，而且用后可直接排入大气，处理方便，也不污染环境。）以空气为工作介质，不仅易于取得，而且用后可直接排入大气，处理方便，也不污染环境。2）因空气的粘度很小（约为油的万分之一），在管道中流动时的能量损失很小，因而便于集中供气和远距离输送，气动动作迅速，调节方便，维护简单，不存在介质变质及补充等问题。）因空气

4、的粘度很小（约为油的万分之一），在管道中流动时的能量损失很小，因而便于集中供气和远距离输送，气动动作迅速，调节方便，维护简单，不存在介质变质及补充等问题。3）工作环境适应性好，无论在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣环境中，还是在食品加工、轻工、纺织、印刷、精密检测）工作环境适应性好，无论在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣环境中，还是在食品加工、轻工、纺织、印刷、精密检测(jin c)等高净化、无污染场合，都具有良好的适应性，且工作安全可靠，过载时能自动保护。等高净化、无污染场合，都具有良好的适应性，且工作安全可靠，过载时能自动保护。4）气动元件结构简单，成本低，寿命长，易于

5、实现标准化、系列化和通用化。）气动元件结构简单，成本低，寿命长，易于实现标准化、系列化和通用化。 不足之处不足之处:1）由于空气具有较大的可压缩性，因而）由于空气具有较大的可压缩性，因而(yn r)运动平稳性较差。运动平稳性较差。2）因工作压力低（一般为）因工作压力低（一般为0.31MPa），不易获得较大的输出力或力矩。），不易获得较大的输出力或力矩。3）有较大的排气噪声。）有较大的排气噪声。4）由于湿空气在一定的温度和压力条件下能在气动系统的局部管道和气动元件中凝结成水滴，促使气动管道和气动元件腐蚀和生锈，导致气动系统工作失灵。）由于湿空气在一定的温度和压力条件下能在气动系统的局部管道和气动

6、元件中凝结成水滴，促使气动管道和气动元件腐蚀和生锈，导致气动系统工作失灵。 应用应用: 多用于开关多用于开关(kigun)控制和顺序控制的机器人中。控制和顺序控制的机器人中。 气动驱动的特点及应用气动驱动的特点及应用 第2页/共48页第三页，共49页。 优点优点: 电气驱动是利用各种电动机产生力和力矩，直接电气驱动是利用各种电动机产生力和力矩，直接(zhji)或经过减速机构去驱动机器人的关节，从而获得机器人的位置、速度和加速度。因省去中间的能量转换过程，因此比液压和气压驱动的效率高，且具有无环境污染、易于控制、运动精度高、成本低等优点。应用最广泛。或经过减速机构去驱动机器人的关节，从而获得机器

7、人的位置、速度和加速度。因省去中间的能量转换过程，因此比液压和气压驱动的效率高，且具有无环境污染、易于控制、运动精度高、成本低等优点。应用最广泛。 分类特点分类特点:1）普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，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力矩相对小，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。）普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，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力矩相对小，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。2）交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，

8、而步进电动机则主要）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(zhyo)用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。功率在用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。功率在1KW以下的机器人多采用电机驱动。以下的机器人多采用电机驱动。 应用应用: 电动机使用简单电动机使用简单(jindn)，且随着材料性能的提高，电机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动逐渐为电动式所代替，且随着材料性能的提高，电机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动逐渐为电动式所代替 。电气驱动的特点及应用电气驱动的特点及应用 第3页/共48页第四页，共49页。

9、液压驱动液压驱动气动驱动气动驱动电动驱动电动驱动输出功率输出功率 很大，压力范围为很大，压力范围为50140N/cm2 大，压力范围为大，压力范围为4860N/cm2，最大，最大可达可达100N/cm2 较大较大控制性能控制性能 利用液体的不可压缩性，控制精度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、差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制高精度的连续轨迹控制 控制精度高，功率较大，能精

10、确定控制精度高，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，控制的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂系统复杂响应速度响应速度 很高很高 较高较高 很高很高结构性能及体积结构性能及体积 结构适当，执行机构可标准化、模结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率拟化，易实现直接驱动。功率/质量比质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大，体积小，结构紧凑，密封问题较大大 结构适当，执行机构可标准化、模结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率拟化，易实现直接驱动。功率/质量比质量比大，体积小，结构紧凑，密

11、封问题较大，体积小，结构紧凑，密封问题较小小 伺服电动机易于标准化，结构性能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好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除装置，除DD电动机外，难以直接驱动，电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题结构紧凑，无密封问题液压驱动液压驱动气动驱动气动驱动电动驱动电动驱动安全性安全性 防爆性能较好，用液压油作传动介防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险质，在一定条件下有火灾危险 防爆性能好，高于防爆性能好，高于1000kPa(10个大个大气压气压)时应注意设备的抗压性时应注意设备的抗压性 设备自身无爆炸和火灾危险，直流设备

12、自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差防爆性能较差对环境的影响对环境的影响 液压系统易漏油，对环境有污染液压系统易漏油，对环境有污染 排气时有噪声排气时有噪声 无无在工业机器人中应在工业机器人中应用范围用范围 适用于重载、低速驱动，电液伺服适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人和托运机器人 适用于中小负载驱动、精度要求较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，如冲低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器压机器人本体的气动平

13、衡及装配机器人气动夹具人气动夹具 适用于中小负载、要求具有较高的适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等人等效率与成本效率与成本效率中等（效率中等（0.30.6）；液压元件成）；液压元件成本较高本较高 效率低（效率低（0.150.2）气源方便，结）气源方便，结构简单，成本低构简单，成本低 效率较高（效率较高（0.5左右）成本高左右）成本高维修及使用维修及使用 方便，但油液对环境温度有一定要方便，但油液对环境

14、温度有一定要求求 方便方便 较复杂较复杂几种驱动几种驱动(q dn)方式的比较方式的比较 第4页/共48页第五页，共49页。驱动驱动(q dn)系统性能系统性能1刚度和柔性刚度和柔性 刚度是材料对抗变形的阻抗，他可以是梁在负载作用下抗弯曲刚度是材料对抗变形的阻抗，他可以是梁在负载作用下抗弯曲的刚度，或汽缸中气体在负载作用下抗压缩的阻抗，甚至是瓶中的的刚度，或汽缸中气体在负载作用下抗压缩的阻抗，甚至是瓶中的酒在木塞作用下抗压缩的阻抗。系统的刚度越大，则使它变形所须酒在木塞作用下抗压缩的阻抗。系统的刚度越大，则使它变形所须的负载也越大。相反，系统柔性越大，则在负载作用下就越容易的负载也越大。相反，

15、系统柔性越大，则在负载作用下就越容易(rngy)变形。变形。2. 重量、功率重量、功率-重量比和工作压强重量比和工作压强 驱动系统的重量以及功率驱动系统的重量以及功率-重量比至关重要，例如电子系统的功重量比至关重要，例如电子系统的功率率-重量比属中等水平。在同样功率情况下，步进机通常比伺服电机重量比属中等水平。在同样功率情况下，步进机通常比伺服电机要重，因此它具有较低的功率要重，因此它具有较低的功率-重量比。电机的电压越高，功率重量比。电机的电压越高，功率-重量重量比越高。气动功率比越高。气动功率-重量比最低，而液压系统具有最高的功率重量比最低，而液压系统具有最高的功率-重量比重量比。第5页/

16、共48页第六页，共49页。驱动系统驱动方式驱动系统驱动方式1直线驱动方式直线驱动方式 机器人采用的直线驱动包括直角坐标机构的机器人采用的直线驱动包括直角坐标机构的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产。直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动方式把旋转运动转换成直线运动。方式把旋转运动转换成直线运动。2. 旋转驱动方式旋转驱动方式 多数普通电机和伺服电机都能够

17、直接产生旋多数普通电机和伺服电机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转速比所需要的转速高。因此，需要采用各种传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，并获动装置把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时也采用直线液压缸或直线得较大的力矩。有时也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就需要把直线运动转换成气缸作为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。这种运动的传递和转换必须旋转运动。这种运动的传递和转换必须(bx)高高效率地完成，并且不能有损于机器人系统所需效率地完成，并且不能有损于机器人

18、系统所需要的特性，特别是定位精度、重复精度和可靠要的特性，特别是定位精度、重复精度和可靠性。运动的传递和转换可以选择齿轮链传动、性。运动的传递和转换可以选择齿轮链传动、同步皮带传动和谐波齿轮等传动方式。同步皮带传动和谐波齿轮等传动方式。第6页/共48页第七页，共49页。4.2 4.2 液压驱动液压驱动(q dn)(q dn)系统系统液压伺服系统的组成液压伺服系统的组成(z chn)和特点和特点1. 液压伺服系统的组成液压伺服系统的组成(z chn) 液压伺服系统有液压源、驱动器、伺服阀、传感器液压伺服系统有液压源、驱动器、伺服阀、传感器和控制器等组成和控制器等组成(z chn)。如图所示。如图

19、所示。2. 液压伺服控制系统的工作特点液压伺服控制系统的工作特点1）在系统的输出和输入之间存在反馈连接）在系统的输出和输入之间存在反馈连接(linji)，从而组成闭环控制系统。，从而组成闭环控制系统。2）系统的主反馈是负反馈。）系统的主反馈是负反馈。3）系统的输入信号的功率很小，而系统的输出功率可以达到很大。）系统的输入信号的功率很小，而系统的输出功率可以达到很大。第7页/共48页第八页，共49页。电液伺服系统电液伺服系统1、电液伺服系统的组成、电液伺服系统的组成 电液伺服系统通过电气传动方式，将电气信号输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入系统来操纵(cozng)有关的液

20、压控制元件动作，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，电液两部分都采用电液伺服阀作为类伺服系统中，电液两部分都采用电液伺服阀作为转换元件。转换元件。1电放大器电放大器 2电液伺服阀电液伺服阀 3液压缸液压缸 4机械手手臂机械手手臂 5齿轮齿轮(chln)齿条机构齿条机构 6电位器电位器 7步进电机步进电机下图所示为机械手手臂伸缩下图所示为机械手手臂伸缩(shn su)运动的电液伺服系统原理图运动的电液伺服系统原理图 第8页/共48页第九页，共49页。其具体工作过程如下：其具体工作过程如下： 当数控装置发出一

21、定当数控装置发出一定(ydng)数量的脉冲时，步进电机就会带动电数量的脉冲时，步进电机就会带动电位器的动触头转动。假设此时顺时针转过一定位器的动触头转动。假设此时顺时针转过一定(ydng)的角度的角度，这是电，这是电位器输出电压为位器输出电压为u，经放大器放大后输出电流，经放大器放大后输出电流i，使电液伺服阀产生一定，使电液伺服阀产生一定(ydng)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，液压缸右腔的油液经电液伺服阀，活塞杆右移，带动机械手手臂右移，液压缸右腔的油液经电液伺服阀返回油箱。此

22、时，机械手手臂上的齿条带动齿轮也顺时针移动，当其转返回油箱。此时，机械手手臂上的齿条带动齿轮也顺时针移动，当其转动角度动角度时，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转动，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转动，和前面正好相反，机械手就会手臂缩回。和前面正好相反，机械手就会手臂缩回。机械手手臂机械手手臂(shu b)伸缩运动伺服系统方

23、框图伸缩运动伺服系统方框图 第9页/共48页第十页，共49页。2. 电液伺服阀的工作原理电液伺服阀的工作原理（1） 原理图原理图 如图为喷嘴挡板如图为喷嘴挡板(dn bn)式电液伺服阀的工作原理图。喷嘴挡板式电液伺服阀的工作原理图。喷嘴挡板(dn bn)式电液伺服由电磁和液压两部分组成，电磁部分是一个动铁式力矩马达，液压部分为两级。第一级是双喷嘴挡板式电液伺服由电磁和液压两部分组成，电磁部分是一个动铁式力矩马达，液压部分为两级。第一级是双喷嘴挡板(dn bn)阀，称前置级（先导级）；第二级是四边滑阀，称功率放大级（主阀）。阀，称前置级（先导级）；第二级是四边滑阀，称功率放大级（主阀）。1-永久

24、磁铁永久磁铁 2、4-导磁体导磁体 3-衔铁衔铁(xinti) 5-挡板挡板 6-喷嘴喷嘴 7-固定节流孔固定节流孔 8-滤油器滤油器9-滑阀滑阀 10-阀体阀体 11-反馈弹簧杆反馈弹簧杆 12-弹簧管弹簧管 13-线圈线圈 第10页/共48页第十一页，共49页。（2）前置级工作原理）前置级工作原理 由双喷嘴挡板阀构成的前置级如图所示，它由两个固定节流孔、两个喷嘴和由双喷嘴挡板阀构成的前置级如图所示，它由两个固定节流孔、两个喷嘴和1个挡板组成。两个对称配置的喷嘴共用一个挡板，挡板和喷嘴之间形成可变节流口，挡板一般由扭轴或弹簧支承，且可绕支点偏转，挡板的由力矩马达驱动。当挡板上没有作用输入信号

25、时，挡板处于中间位置个挡板组成。两个对称配置的喷嘴共用一个挡板，挡板和喷嘴之间形成可变节流口，挡板一般由扭轴或弹簧支承，且可绕支点偏转，挡板的由力矩马达驱动。当挡板上没有作用输入信号时，挡板处于中间位置零位，与两喷嘴之距均为零位，与两喷嘴之距均为x0，此时两喷嘴控制腔的压力，此时两喷嘴控制腔的压力P1与与P2相等。当挡板转动时，两个控制腔的压力一边升高，另一边降低，就有负载压力相等。当挡板转动时，两个控制腔的压力一边升高，另一边降低，就有负载压力PL(PL=P1-P2)输出。双喷嘴挡板阀有四个通道输出。双喷嘴挡板阀有四个通道(一个供油口，一个回油口和两个负载口一个供油口，一个回油口和两个负载口

26、)，有四个节流口，有四个节流口(两个固定节流孔和两个可变节流孔两个固定节流孔和两个可变节流孔)，是一种全桥结构。，是一种全桥结构。（3）喷嘴挡板阀特点）喷嘴挡板阀特点 喷嘴挡板阀的优点是结构简单，加工方便，运动部件惯性小，反应快，精度和灵敏度高；缺点是无功损耗大，抗污染能力较差。喷嘴挡板阀常用喷嘴挡板阀的优点是结构简单，加工方便，运动部件惯性小，反应快，精度和灵敏度高；缺点是无功损耗大，抗污染能力较差。喷嘴挡板阀常用(chn yn)作多级放大伺服控制元件中的前置级。作多级放大伺服控制元件中的前置级。第11页/共48页第十二页，共49页。电液比例电液比例(bl)控制阀控制阀 电液比例阀是一种按输

27、入的电气信号连续地、按比例地对油液的压力、流量或方向进行电液比例阀是一种按输入的电气信号连续地、按比例地对油液的压力、流量或方向进行(jnxng)远距离控制的阀。电液比例控制阀可以分为电液比例压力阀（如比例溢流阀、比例减压阀等）、电液比例流量阀（如比例调速阀）和电液比例方向阀（如比例换向阀）三大类。远距离控制的阀。电液比例控制阀可以分为电液比例压力阀（如比例溢流阀、比例减压阀等）、电液比例流量阀（如比例调速阀）和电液比例方向阀（如比例换向阀）三大类。 1. 比例电磁铁比例电磁铁 比例电磁铁是一种直流电磁铁，与普通换向阀用电磁铁的不同主要在于，比例电磁铁的输出推力与输入的线圈电流基本成比例。这一

28、特性使比例电磁铁可作为液压阀中的信号比例电磁铁是一种直流电磁铁，与普通换向阀用电磁铁的不同主要在于，比例电磁铁的输出推力与输入的线圈电流基本成比例。这一特性使比例电磁铁可作为液压阀中的信号(xnho)给定元件。如图为比例电磁铁结构图给定元件。如图为比例电磁铁结构图 。1轭铁轭铁 2线圈线圈 3限位环限位环 4隔磁环隔磁环 5壳体壳体 6内盖内盖 7盖盖 8调调节螺钉节螺钉9弹簧弹簧 10衔铁衔铁 11(隔磁隔磁)支承环支承环 12导向套导向套第12页/共48页第十三页，共49页。2电液比例溢流阀电液比例溢流阀 用比例电磁铁取代用比例电磁铁取代(qdi)先导型溢流阀导阀的手调装置（调压手柄），便

29、成为先导先导型溢流阀导阀的手调装置（调压手柄），便成为先导型比例溢流阀，如图所示。型比例溢流阀，如图所示。 a）结构图）结构图 b）符号）符号(fho)1-阀座阀座 2-先导锥阀先导锥阀 3-轭铁轭铁 4-衔铁衔铁 5-弹簧弹簧 6-推杆推杆 7-线圈；线圈；8-弹簧弹簧 9-先导阀先导阀先导先导(xindo)型比例溢流阀的工作原理简图型比例溢流阀的工作原理简图 第13页/共48页第十四页，共49页。3. 比例方向节流阀比例方向节流阀 用比例电磁铁取代电磁换向阀中的普通电磁铁，便构成直动型比例方向节流阀，如用比例电磁铁取代电磁换向阀中的普通电磁铁，便构成直动型比例方向节流阀，如图图 所示。由于

30、使用了比例电磁铁，阀芯不仅可以换位，而且换位的行程可以连续地或按比所示。由于使用了比例电磁铁，阀芯不仅可以换位，而且换位的行程可以连续地或按比例地变化，因而连通油口间的通流面积也可以连续地或按比例地变化，所以比例方向节流阀例地变化，因而连通油口间的通流面积也可以连续地或按比例地变化，所以比例方向节流阀不仅能控制执行元件的运动方向，而且能控制其速度。不仅能控制执行元件的运动方向，而且能控制其速度。 部分比例电磁铁前端还附有位移传感器（或称差动变压器），这种比例电磁铁称为部分比例电磁铁前端还附有位移传感器（或称差动变压器），这种比例电磁铁称为行程控制比例电磁铁。位移传感器能准确地测定行程控制比例电

31、磁铁。位移传感器能准确地测定(cdng)电磁铁的行程，并向放大器发出电电磁铁的行程，并向放大器发出电反馈信号。电放大器将输入信号和反馈信号加以比较后，再向电磁铁发出纠正信号以补偿误反馈信号。电放大器将输入信号和反馈信号加以比较后，再向电磁铁发出纠正信号以补偿误差，因此阀芯位置的控制更加精确。差，因此阀芯位置的控制更加精确。带位移传感器的直动型比例带位移传感器的直动型比例(bl)方向节流阀方向节流阀 第14页/共48页第十五页，共49页。摆动摆动(bidng)缸缸 摆动式液压缸也称摆动马达。当它通入压力油时，它的主轴输出小于摆动式液压缸也称摆动马达。当它通入压力油时，它的主轴输出小于360的摆动

32、运动的摆动运动(yndng)。图（。图（a）所示为单叶片式摆动缸）所示为单叶片式摆动缸,它的摆动角度较大它的摆动角度较大,可达可达300，当摆动缸进出油口压力为，当摆动缸进出油口压力为P1和和P2,输入流量为输入流量为q时时,它的输出转矩它的输出转矩T和角速度和角速度为：为：（4.1）（4.2） 式中式中b叶片的宽度；叶片的宽度；R1、R2叶片底部、顶部的回转半径叶片底部、顶部的回转半径 图图4.10（b）所示为双叶片式摆动缸）所示为双叶片式摆动缸,它的摆动角度和角速度为单叶片式的一半它的摆动角度和角速度为单叶片式的一半(ybn),而输出角度是单叶片式的两倍。而输出角度是单叶片式的两倍。第15

33、页/共48页第十六页，共49页。4.3 4.3 气压气压(qy)(qy)驱动系统驱动系统气压驱动气压驱动(q dn)回路回路1气压驱动回路的组成气压驱动回路的组成 气压驱动回路主要由气源装置气压驱动回路主要由气源装置(zhungzh)、执行元件、控制元件及辅助、执行元件、控制元件及辅助元件四部分组成。元件四部分组成。2气压驱动回路工作原理气压驱动回路工作原理如图为典型的气压驱动回路如图为典型的气压驱动回路气动剪切机系统的工作原理图。气动剪切机系统的工作原理图。结构原理图结构原理图工作原理图工作原理图第16页/共48页第十七页，共49页。气源装置气源装置(zhungzh) 气源装置由两部分组成，

34、一是空气压缩机把大气压状态下的空气升压提供给气压传动系统，二是气源净化装置将空气压缩机所提供的含有大量杂质的压缩空气气源装置由两部分组成，一是空气压缩机把大气压状态下的空气升压提供给气压传动系统，二是气源净化装置将空气压缩机所提供的含有大量杂质的压缩空气(ysu kngq)进行净化。进行净化。1. 空气压缩机空气压缩机 空气压缩机按其压力大小分为低压（空气压缩机按其压力大小分为低压（0.21.0MPa）、中压（）、中压（1.010MPa）、高压（）、高压（10MPa）三类；按工作原理为容积式（通过缩小单位质量气体体积的方法获得压力）和速度式（通过提高单位质量气体的速度并使动能转化为压力能来获得

35、压力）。）三类；按工作原理为容积式（通过缩小单位质量气体体积的方法获得压力）和速度式（通过提高单位质量气体的速度并使动能转化为压力能来获得压力）。 常见容积式空气压缩机按其结构分为：活塞式、叶片式和螺杆式，其中最常用的是活塞式。常见的速度式空气压缩机按结构分为：离心式、轴流式和混流式等。所谓容积式是周期第改变气体容积的方法，即通过缩小气体的体积，使单位体积内的气体分子的密度常见容积式空气压缩机按其结构分为：活塞式、叶片式和螺杆式，其中最常用的是活塞式。常见的速度式空气压缩机按结构分为：离心式、轴流式和混流式等。所谓容积式是周期第改变气体容积的方法，即通过缩小气体的体积，使单位体积内的气体分子的

36、密度(md)增加，形成压缩空气。而速度式则是先让气体分子得到一个很高的速度，然后又让它停滞下来，将动能转化为静压能，是其他的压力提高。增加，形成压缩空气。而速度式则是先让气体分子得到一个很高的速度，然后又让它停滞下来，将动能转化为静压能，是其他的压力提高。第17页/共48页第十八页，共49页。1-排气阀排气阀 2-汽缸汽缸 3-活塞活塞(husi) 4-活塞活塞(husi)杆杆 5、6-十字头与滑道十字头与滑道 7-连杆连杆 8-曲柄曲柄 9-吸气阀吸气阀 10-弹簧弹簧 下图为往复活塞式空气压缩机工作原理图，其工作过程如下：下图为往复活塞式空气压缩机工作原理图，其工作过程如下： 当活塞当活塞

37、3向右运动时，左腔压力低于大气压力，吸气阀向右运动时，左腔压力低于大气压力，吸气阀9被打开，空气在大气压力作用被打开，空气在大气压力作用(zuyng)下进入气缸下进入气缸2内，这个过程称为内，这个过程称为“吸气过程吸气过程”。 当活塞向左移动时，吸气阀当活塞向左移动时，吸气阀9在缸内压缩气体的作用在缸内压缩气体的作用(zuyng)下关闭，缸内气体被压缩，这个过程称为下关闭，缸内气体被压缩，这个过程称为“压缩过程压缩过程”。 当气缸内空气压力增高到略高于输气管内压力后，排气阀当气缸内空气压力增高到略高于输气管内压力后，排气阀1被打开，压缩空气进入输气管道，这个过程称为被打开，压缩空气进入输气管道

38、，这个过程称为“排气过程排气过程”。 第18页/共48页第十九页，共49页。2. 气源净化装置气源净化装置气源净化装置包括后冷却器、油水气源净化装置包括后冷却器、油水(yu shui)分离器、储气罐、干燥器、过滤器等。分离器、储气罐、干燥器、过滤器等。（1）后冷却器）后冷却器 后冷却器安装在空气压缩机出口处的管道上，它对后冷却器安装在空气压缩机出口处的管道上，它对150左右的压缩空气降温降到左右的压缩空气降温降到4050 ，并使混入压缩空气的水汽和油气凝聚成水滴和油滴。，并使混入压缩空气的水汽和油气凝聚成水滴和油滴。 后冷却器按结构形式分有蛇管式、列管式、散热片式和管套式；按冷却方式分有风冷式

39、和水冷式。后冷却器按结构形式分有蛇管式、列管式、散热片式和管套式；按冷却方式分有风冷式和水冷式。列管式冷却器列管式冷却器套管套管(to un)式冷却器式冷却器第19页/共48页第二十页，共49页。（2）油水分离器）油水分离器 油水分离器主要是用来压缩空气中凝聚油水分离器主要是用来压缩空气中凝聚(nngj)的水分、油分和灰尘等杂质，是压缩空气得到初步净化。其按结构形式分有环形回转式、撞击折回式、离心旋转式、水浴式及以上形式的组合等。的水分、油分和灰尘等杂质，是压缩空气得到初步净化。其按结构形式分有环形回转式、撞击折回式、离心旋转式、水浴式及以上形式的组合等。 当压缩空气由入口进入分离器壳体后，气

40、流先受到隔板阻挡而被撞击折回向下（见图中箭头所示流向）；之后又上升产生环形回转。这样凝聚当压缩空气由入口进入分离器壳体后，气流先受到隔板阻挡而被撞击折回向下（见图中箭头所示流向）；之后又上升产生环形回转。这样凝聚(nngj)在压缩空气中的油滴、水滴等杂质受惯性力作用而分离析出，沉降于壳体底部，由放水阀定期排出。在压缩空气中的油滴、水滴等杂质受惯性力作用而分离析出，沉降于壳体底部，由放水阀定期排出。撞击折回撞击折回(zhhu)式油水分离器式油水分离器 第20页/共48页第二十一页，共49页。（3）储气罐）储气罐储气罐的主要作用是：储气罐的主要作用是： 1）储存一定数量的压缩空气，以备发生故障或临

41、时需要应急使用。）储存一定数量的压缩空气，以备发生故障或临时需要应急使用。 2）消除由于）消除由于(yuy)空气压缩机断续排气而对系统引起的压力脉动，保证输出气流的连续性和平稳性。空气压缩机断续排气而对系统引起的压力脉动，保证输出气流的连续性和平稳性。3）进一步分离压缩空气中的油、水等杂质。）进一步分离压缩空气中的油、水等杂质。 立式立式(l sh)储气罐结构图储气罐结构图 贮气罐一般采用圆筒状焊接贮气罐一般采用圆筒状焊接(hnji)结构，有立式和卧式两种，以立式居多。高度为其直径的结构，有立式和卧式两种，以立式居多。高度为其直径的23倍，同时应使进气管在下，出气管在上，并尽可能加大两管之间的

42、距离，以利于进一步分离空气中的油水。倍，同时应使进气管在下，出气管在上，并尽可能加大两管之间的距离，以利于进一步分离空气中的油水。 在选择储气罐的容积在选择储气罐的容积V时，一般都是以空气压缩机每分钟的排气量时，一般都是以空气压缩机每分钟的排气量Q为依据选择的。即为依据选择的。即:当当Q6.0m3/min时，取时，取V=0.2Q( m3)当当Q=6.030 m3/min时，取时，取V=0.15Q( m3)当当Q30 m3/min时，取时，取V=0.1Q( m3)第21页/共48页第二十二页，共49页。（4）干燥器）干燥器 经过后冷却器、油水经过后冷却器、油水(yu shui)分离器和贮气罐后得

43、到初步净化的压缩空气，已满足一般气压传动的需要。但压缩空气中仍含一定量的油、水以及少量的粉尘。如果用于精密的气动装置、气动仪表等，上述压缩空气还必须进行干燥处理。压缩空气干燥方法主要采用吸附法和冷却法。分离器和贮气罐后得到初步净化的压缩空气，已满足一般气压传动的需要。但压缩空气中仍含一定量的油、水以及少量的粉尘。如果用于精密的气动装置、气动仪表等，上述压缩空气还必须进行干燥处理。压缩空气干燥方法主要采用吸附法和冷却法。如图为吸附式干燥器结构图，其外壳呈筒形，其中分层设置栅板、吸附剂、滤网等。湿空气从管如图为吸附式干燥器结构图，其外壳呈筒形，其中分层设置栅板、吸附剂、滤网等。湿空气从管1进入干燥

44、器，通过吸附剂进入干燥器，通过吸附剂21、过滤网、过滤网20、上栅板、上栅板19和下部吸附层和下部吸附层16后，因其中的水分被吸附剂吸收而变得很干燥。然后，再经过铜丝网后，因其中的水分被吸附剂吸收而变得很干燥。然后，再经过铜丝网15，下栅板，下栅板14和过滤网和过滤网12，干燥、洁净，干燥、洁净(jijng)的压缩空气便从输出管的压缩空气便从输出管8排出。排出。1湿空气进气管湿空气进气管 2顶盖顶盖 3、5、10法兰法兰 4、6再生空再生空气排气管气排气管 7再生空气进气管再生空气进气管 8干燥空气输出管干燥空气输出管 9排水排水管管 11、22密封座密封座 12、15、20钢丝过虑网钢丝过虑

45、网 13毛毡毛毡(mo zhn) 14下栅板下栅板 16、21吸附剂层吸附剂层 17支撑板支撑板 18筒体筒体 19上栅板上栅板第22页/共48页第二十三页，共49页。5）过滤器）过滤器 过滤器的作用是进一步滤除压缩空气中的杂质。常用的过滤器有一次性过滤器（也称简易过滤器，滤灰效率为过滤器的作用是进一步滤除压缩空气中的杂质。常用的过滤器有一次性过滤器（也称简易过滤器，滤灰效率为5070%）；二次过滤器（滤灰效率为）；二次过滤器（滤灰效率为7099%）。在要求高的特殊场合，还可使用高效率的过滤器。）。在要求高的特殊场合，还可使用高效率的过滤器。 如图所示为一种一次性过滤器，气流由切线方向进入筒内

46、，在离心力的作用下分离如图所示为一种一次性过滤器，气流由切线方向进入筒内，在离心力的作用下分离(fnl)出液滴，然后气体由下而上通过多片钢板、毛、毡、硅胶、焦炭、滤网等过滤吸附材料，干燥清洁的空气从筒顶输出。出液滴，然后气体由下而上通过多片钢板、毛、毡、硅胶、焦炭、滤网等过滤吸附材料，干燥清洁的空气从筒顶输出。110蜜孔网蜜孔网 2280目细铜丝目细铜丝(tn s)网网 3焦碳焦碳 4硅胶等硅胶等第23页/共48页第二十四页，共49页。气动气动(q dn)驱动器驱动器1. 1. 气缸气缸气缸是气动系统的执行元件之一。气缸是气动系统的执行元件之一。2. 2. 气动马达气动马达气动马达也是气动执行

47、元件的一种。它的作用气动马达也是气动执行元件的一种。它的作用(zuyng)(zuyng)相当于电动机或液压马达。即输出力矩，拖动机构作旋转运动。相当于电动机或液压马达。即输出力矩，拖动机构作旋转运动。（1 1）气动马达的分类）气动马达的分类气马达按结构形式可分为：叶片式气马达、活塞式气马达和齿轮式气马达等。气马达按结构形式可分为：叶片式气马达、活塞式气马达和齿轮式气马达等。 （2）气动马达工作原理）气动马达工作原理 如图为叶片式气动马达。与液压叶片马达相似，主要包括一个径向装有如图为叶片式气动马达。与液压叶片马达相似，主要包括一个径向装有310个叶片的转子，偏心安装在定子内，转子两侧个叶片的转

48、子，偏心安装在定子内，转子两侧(lin c)有前后盖板，叶片在转子的槽内可径向滑动，叶片底部通有压缩空气，转子转动是靠离心力和叶片底部气压将叶片紧压在定子内表面上。定子内有半圆形的切沟，提供压缩空气及排出废气有前后盖板，叶片在转子的槽内可径向滑动，叶片底部通有压缩空气，转子转动是靠离心力和叶片底部气压将叶片紧压在定子内表面上。定子内有半圆形的切沟，提供压缩空气及排出废气 。第24页/共48页第二十五页，共49页。4.4 4.4 电气驱动电气驱动(q dn)(q dn)系统系统 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。机器

49、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。机器人对关节驱动电机的要求机器人对关节驱动电机的要求(yoqi)如下：如下：1）快速性）快速性 2）起动转矩惯量比大）起动转矩惯量比大 3）控制特性的连续性和直线性）控制特性的连续性和直线性 4）调速范围宽，能使用于）调速范围宽，能使用于1：100010000的调速范围。的调速范围。5）体积小、质量小、轴向尺寸短。）体积小、质量小、轴向尺寸短。6）能经受得起苛刻的运行条件，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。）能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加

50、减速运行，并能在短时间内承受过载。工业工业(gngy)机器人电动机驱动原理图机器人电动机驱动原理图 如图如图 所示，为工业机器人电动机驱动原理图，工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环所示，为工业机器人电动机驱动原理图，工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环 第25页/共48页第二十六页，共49页。 目前，由于高启动转矩、大转矩、低惯量的交、目前，由于高启动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛(gungfn)应用，一般负载应用，一般负载1000N以下的工业机器人大多

51、采用电以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。伺服驱动系统。 所采用的关节电动机主要是交流伺服电动机、所采用的关节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。步进电动机和直流伺服电动机。 其中，交、直流伺服电动机、直接驱动电动机其中，交、直流伺服电动机、直接驱动电动机均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。机器人驱动系统中。 步进电动机驱动系统多适用于对精度、速度要步进电动机驱动系统多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。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电子换向，无换向火

52、交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，故在易燃易爆环境中得到了广泛花，故在易燃易爆环境中得到了广泛(gungfn)的的使用。使用。第26页/共48页第二十七页，共49页。 伺服电机是指带有反馈的直流电机、交流电机、无刷电机、或者步进电机，它们通过控制以期望的转速（和相应地期望转矩）运动到达期望转角。为此，反馈装置向伺服电机控制器电路发送信号，提供电机的角度和速度伺服电机是指带有反馈的直流电机、交流电机、无刷电机、或者步进电机，它们通过控制以期望的转速（和相应地期望转矩）运动到达期望转角。为此，反馈装置向伺服电机控制器电路发送信号，提供电机的角度和速度(sd)(sd)。如果负荷增大，则转速

53、就会比期望转速低，电流就会增加直到转速和期望值相等。如果信号显示数度比期望值高，电流就会相应的减小。如果还使用了位置反馈，那么位置信号用于在转子到达期望的角位置时关掉电机。如图所示为伺服电机驱动原理框图。如果负荷增大，则转速就会比期望转速低，电流就会增加直到转速和期望值相等。如果信号显示数度比期望值高，电流就会相应的减小。如果还使用了位置反馈，那么位置信号用于在转子到达期望的角位置时关掉电机。如图所示为伺服电机驱动原理框图。第27页/共48页第二十八页，共49页。步进电机步进电机(dinj)驱动驱动 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

54、。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。但由于其存在过载能力差、调速范围相对较小、低速运动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。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。但由于其存在过载能力差、调速范围相对较小、低速运动(yndng)(yndng)有脉动、不平衡等缺点，一般只应用于小型或简易型机器人中。有脉动、不平衡等缺点，一般只应用于小型或简易型机器人中。 步进电动机驱动器，主要包括脉冲发生器、环形分配器和功率放大等几大部分，其原理框图如图所示。步进电动机驱动器，主要包括脉冲发生器、环形分配器和功率

55、放大等几大部分，其原理框图如图所示。第28页/共48页第二十九页，共49页。1. 1. 步进电机步进电机(dinj)(dinj)工作原理工作原理如图所示为步进电机如图所示为步进电机(dinj)工作的基本原理工作的基本原理 步进电机的定子上有两组线步进电机的定子上有两组线圈和一对永久磁铁圈和一对永久磁铁(yn ji c ti)作为转子，当给定子线圈加作为转子，当给定子线圈加电时永磁转子（或磁阻式步进电时永磁转子（或磁阻式步进电机中的软铁心转子）将旋转电机中的软铁心转子）将旋转到与定子磁场一致的方向，如到与定子磁场一致的方向，如图图a所示。除非磁场旋转，否则所示。除非磁场旋转，否则转子就停留在该位

56、置。转子就停留在该位置。 切断当前线圈中的电流，对下一组线圈通电，切断当前线圈中的电流，对下一组线圈通电，转子将再次转至和新磁场方向一致的方向，如转子将再次转至和新磁场方向一致的方向，如图图b所示。当切断第二组线圈时，第一组线圈在所示。当切断第二组线圈时，第一组线圈在一次接通，但是极性相反，这将使转子沿同一次接通，但是极性相反，这将使转子沿同样的方向又转了一步。这个过程在关断一组样的方向又转了一步。这个过程在关断一组线圈并接通另一组线圈时保持继续，经过四线圈并接通另一组线圈时保持继续，经过四步就使转子转回到原来的初始位置步就使转子转回到原来的初始位置 。 在第一部结束时，不是在第一部结束时，不

57、是切断第一组线圈并接通第切断第一组线圈并接通第二组线圈，而是接通两组二组线圈，而是接通两组线圈的电源。此时，转子线圈的电源。此时，转子将仅旋转将仅旋转45度，和最小磁阻度，和最小磁阻方向一致，如方向一致，如图图c所示。所示。 第29页/共48页第三十页，共49页。 按照力矩产生原理分类按照力矩产生原理分类 激磁式激磁式 反应式反应式 混合式混合式 按照定子数目分类按照定子数目分类 单定子单定子 双定子双定子 多定子多定子 按照定子励磁按照定子励磁(l c)相数分类相数分类 三相三相 四相四相 五相五相 六相六相 按照各相绕组的分布规律分类按照各相绕组的分布规律分类 径向分相径向分相 (垂轴式垂

58、轴式) 轴向分相轴向分相 (顺轴式顺轴式)2步进电机步进电机(dinj)常用类型常用类型 三相反应式步进电动机单三拍方式三相反应式步进电动机单三拍方式(fngsh)工作原理图工作原理图 第30页/共48页第三十一页，共49页。直流伺服电动机驱动直流伺服电动机驱动(q dn) 机器人对直流伺服电机的基本要求：机器人对直流伺服电机的基本要求：宽广的调速范围宽广的调速范围机械机械(jxi)特性和调速特性均为线性特性和调速特性均为线性无自转现象（控制电压降到零时，伺服电动机能立即自行停转）无自转现象（控制电压降到零时，伺服电动机能立即自行停转）快速响应好快速响应好1. 直流伺服电机的特点直流伺服电机的

59、特点（1）稳定性（）稳定性（2）可控性好（）可控性好（3）响应迅速）响应迅速（4）控制）控制(kngzh)功率低，损耗小（功率低，损耗小（5）转矩大）转矩大第31页/共48页第三十二页，共49页。2. 直流伺服电机的分类及结构直流伺服电机的分类及结构（1）分类）分类 按励磁方式，直流伺服电动机分为电磁式直流伺服电动机（简称直流伺服电动机）和永磁式直流伺服电动机。电磁式直流伺服电动机如同普通直流电动机按励磁方式，直流伺服电动机分为电磁式直流伺服电动机（简称直流伺服电动机）和永磁式直流伺服电动机。电磁式直流伺服电动机如同普通直流电动机 ，分为串砺式、并励式和他励式。，分为串砺式、并励式和他励式。

60、直流伺服电动机按其电枢结构形式不同直流伺服电动机按其电枢结构形式不同(b tn)，分为普通电枢型、印制绕组盘式电枢型、线绕盘式电枢型、空心杯绕组电枢型和无槽电枢型（无换向器和电刷）。，分为普通电枢型、印制绕组盘式电枢型、线绕盘式电枢型、空心杯绕组电枢型和无槽电枢型（无换向器和电刷）。 1）印制绕组直流伺服电机（盘形转子、盘形定子轴向粘接柱状磁钢，转子转动惯量小，无齿槽效应，无饱和效应，输出转矩大）。）印制绕组直流伺服电机（盘形转子、盘形定子轴向粘接柱状磁钢，转子转动惯量小，无齿槽效应，无饱和效应，输出转矩大）。 2）线绕盘式直流伺服电机（盘形转子、定子轴向粘接柱状磁钢，转子转动惯量小，控制性能