《工业机器人技术基础》课件-4.认识工业机器人动力系统

工业机器人技术基础航空工业出版社认识工业机器人动力系统项目四目录01任务一

工业机器人电机驱动系统02任务二

工业机器人液压驱动系统03任务三

工业机器人气压驱动系统动力系统的核心定位是机器人执行机构的动力源，可将电能、流体能、气压能等转换为机械能，为机械系统供能，保障机器人运行。三大主流驱动方式常用驱动方式主要包括电机驱动、液压驱动以及气压驱动三种类型，用以带动臂部精准到达指定位置。技术突破的战略意义动力系统核心技术的突破，是推动我国制造业从跟跑、并跑向领跑跨越的关键支撑。项目概述工业机器人电机驱动系统任务一任务导入任务描述电机驱动系统是目前工业机器人的主流驱动方式。小梁在本任务中将学习工业机器人电机驱动系统的相关知识，并熟悉常用的电机。任务目标1.了解工业机器人电机驱动系统及特点。2.熟悉工业机器人对驱动电机的要求。3.掌握电机的分类。4.能认识和分辨常用的电机。5.培养学生严谨细致的工作态度，为掌握关键核心技术奠定基础。（一）工业机器人电机驱动系统核心定义电机驱动是利用各类驱动电机产生的力矩和力，直接通过机械传动机构驱动执行机构，实现机器人各类运动。基本结构与原理电机由定子、转子构成，部分配电刷等配件，基于电磁定律，电流使磁场作用驱动转子旋转。应用发展趋势电机驱动无介质与复杂管路，随材料性能提升，电机性能持续优化，在工业机器人领域应用日广。任务实施一、工业机器人电机驱动系统及特点（二）工业机器人电机驱动系统的特点驱动电机需具备高功率质量比、高扭矩惯量比，拥有大启动转矩、小惯量，以及宽广且平滑的调速范围。核心性能指标要求应用于机器人手爪等末端执行器的电机，需尽可能减小体积与质量，适配精细化操作需求。末端执行器适配要求需快速响应的场景中，伺服电机必须具备高可靠性与稳定性，同时拥有较强的短时过载能力，保障运行精准度。高响应场景适配要求负载1000N以下的工业机器人多采用电伺服驱动系统，交流、直流伺服及步进电机是主流关节驱动电机类型。主流驱动类型适配1.灵敏度高、响应性好电机从接收指令到完成工作的时间越短，伺服系统灵敏度越高、快速响应性能越好，通常以机电时间常数表征该性能。核心判定指标：机电时间常数（三）工业机器人对驱动电机的要求2.启动转矩大、转动惯量小驱动负载时，工业机器人伺服电机需具备启动转矩大、转动惯量小的特性，保障负载高效启停与运转。负载驱动核心需求小转动惯量可降低电机自身惯性损耗，大启动转矩能快速克服负载阻力，二者结合提升机器人动态作业能力。性能适配逻辑3.控制特性的连续性和直线性随着控制信号变化，电机转速需连续调整，理想状态下转速与控制信号成正比或近似成正比。连续性与线性控制标准可通过电机测试系统模拟实际工况，采集转速与控制信号的对应数据，验证控制特性的连续性与线性度是否达标。性能验证与保障4.调速范围宽工业机器人电机要求能适用于1∶10000～1∶1000的调速范围。5.体积小、质量轻、轴向尺寸短在满足工业机器人工作要求的条件下，要求电机的体积小、质量轻、轴向尺寸短。6.适用工作范围广工业机器人要求电机能在苛刻的运行条件下工作，可进行十分频繁的正、反向和加、减速运动，并能在短时间内承受大过载。1.按工作电源来分类直流电机以直流电源供电运行，具备调速精准、起动转矩大的特点，结构含电刷与换向器需定期维护，适配电动车、轧钢设备等场景。交流电机以交流电源获取电能工作，结构简单、维护成本低，分单相（家用电器）和三相（工业设备），是工业领域主力电机类型。（一）电机的分类二、常用电机2.按应用领域来分类控制电机侧重输出量的精度、灵敏度、稳定性等指标，响应速度快，按控制方式分为步进电机、伺服电机、力矩电机，在自控系统中承担执行、检测等功能。动力电机输出功率较大，侧重驱动、运行及制动性能，按运动方式分为旋转电机、直线电机，主要应用于汽车、家电、小型机床等领域。1.直流电机简化结构及外部电路连接中，N和S为固定磁体（定子，可为电磁铁或永久磁铁），其间转动的铁质圆柱体为转子。转子表面固定电枢绕组，两端接相互绝缘的半圆形铜片（换向器），铜片上置固定电刷，绕组通过换向器和电刷接外电源。直流电机优点具有启动转矩大、体积小、质量轻、转矩和转速易控、效率高等优点。常见品牌有美国霍尼韦尔、德国西德宝、中国德昌、法国施耐德等。（二）各类常用电机直流电机工作原理与无刷直流电机

外部直流电源接入电刷A（正极）和B（负极）时，导体ab电流由a指向b，导体cd电流由c指向d，在磁场中受电磁力形成逆时针电磁转矩推动电枢旋转；电枢旋转180°后，导体位置互换，电流方向改变，电磁转矩方向仍为逆时针。直流电机工作原理

直流电机有电刷和换向器寿命短、噪声大问题，无刷直流电机应运而生。它是交直流混合体，需转速传感器闭环控制，用类交流开关直流波形，转子多三相，由控制电路控制，不能直连直流电源。

无刷直流电机特点2.步进电机是将电脉冲激励信号转换为对应角位移或线位移的离散值控制电机，每接收一个电脉冲就动一步，又称脉冲电机。核心定义涵盖日本东方马达、中国鸣志、瑞士ABB、中国汇川、日本三菱等国内外知名厂商。主流品牌每转一周步数固定，转速与输入脉冲频率严格对应，不受电压、负载影响，适配数字控制，无电刷换向器寿命长。关键特性步进电机结构解析与控制逻辑定子带10个小齿状磁极，转子由转子1、转子2、永久磁钢构成，转子1与转子2小齿错开1/2螺距。定子-转子双核心结构01定子对角位置磁极构成一相，共A至E5个相位，通电后对角磁极被磁化为同一极性。5相绕组设计逻辑02输入脉冲序列对应输出增量位移，组成步进驱动系统，多用于对位置精度要求相对较低的开环控制场景。脉冲驱动控制逻辑033.伺服电机

基本定义伺服电机是基于反馈信号实现精确闭环控制的电机，通过信号对比产生误差信号，经驱动器控制运行，具备响应快、精度高、速度高的特点，需配套伺服驱动器构成闭环控制系统，多用于闭环控制场景。

核心特征闭环控制系统含反馈装置，用于反馈电机位置。闭环控制系统中的电机，无论类型，均可称为伺服电机。常见品牌有日本安川、中国汇川、德国西门子、中国台达、法国施耐德等。伺服电机分类直流伺服电机由定子、转子和电刷等组成，定子缠绕励磁绕组和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电，转子与定子磁场正交产生转矩。永磁直流伺服电机定子为永久磁铁，转子尾部装有测速发电机和旋转变压器或光电编码器，具有更强过载能力、更大转矩转动惯量比和调速范围，曾广泛应用于数控机床进给伺服系统。交流伺服电机主要有感应异步交流伺服电机和永磁同步伺服电机。永磁同步伺服电机由定子、转子及位置传感器构成，定子采用三相对称绕组（轴线空间相差120°），转子贴有两对以上磁极，位置传感器（光电编码器或旋转变压器）用于实现电枢电流正交控制。工程师手记伺服电动机与步进电动机的选用一般来讲，伺服电动机广泛应用于数控机械、工业机器人、自动化生产线、电梯、起重机械、机床等领域，尤其适用于转速要求高、响应速度快的场合。步进电动机广泛应用于普通机床、简易机器人、纺织机械、印刷机械、医疗设备等领域，尤其适用于转速要求不高、负载较大的场合。在实际应用中，针对伺服电动机和步进电动机如何选择的问题，可从以下几方面考虑。应用场景：根据实际应用场景分析电动机的工作环境、转速、负载等要求，选择适合的电动机类型。精度要求：对于定位精度要求较高的低速轻载场合，优先选择步进电动机；对于动态精度要求较高的场合，优先选择伺服电动机。响应速度：对于频繁起停、快速反转等高速动态工况，优先选择伺服电动机；对于转速要求不高的场合，可选择步进电动机。工业机器人液压驱动系统任务二任务导入任务描述小梁曾了解到美国波士顿动力研发的人形液压版机器人（Atlas），它不仅能像人一样行走，而且还具备奔跑、跳舞、搬运货物、后空翻等能力。虽然，在2024年4月Atlas正式退役，取而代之的是电动Atlas，但小梁还是对液压驱动系统非常感兴趣。本任务他将学习液压驱动系统的相关知识。任务目标1.了解工业机器人液压驱动系统及特点。2.熟悉液压驱动系统的组成。3.了解液压伺服系统的工作原理和工作特点。4.能区分液压驱动系统的各组成元件。5.培养学生客观严谨的科学态度，立足专业深耕细研，树立助力国产技术进步的意识。（一）工业机器人液压驱动系统工业机器人液压驱动系统以液压油传动，经液压泵、阀、缸传递力与运动：泵输油，阀控流向压力，缸将油压转机械能驱动部件。

一、工业机器人液压驱动系统及特点任务实施1.液压驱动系统的优点使用0.5～14MPa压力液压油，驱动力或驱动力矩大，功率质量比（比功率）高高功率密度动力输出可将工作液压缸直接作为关节部分，结构简单紧凑、刚度好；液体不可压缩，定位精度高于气压驱动，可实现任意位置停止紧凑结构与高精度定位调速方式简单，能在大范围内实现无级调速；运行平稳、固有效率高，可实现频繁且平稳的变速与换向灵活调速与平稳运行配备安全阀，可简单有效防止过载；液压油具备良好润滑性能，大幅延长元件使用寿命安全防护与长效寿命（二）液压驱动系统的特点2.液压驱动系统的缺点油液泄漏隐患油液容易泄漏，会影响稳定性与定位精度，易造成环境污染。温度适配局限油液黏度随温变影响性能，高低温难应用，有时需油温管理。介质杂质干扰油液混入气泡、水分等，会降低系统刚度，导致速度响应及定位不稳定。配套成本偏高需要配备压力源及复杂管路系统，因而成本较高。二、液压驱动系统的组成控制元件各类液压阀可控制调节液压系统中液体的压力、流量和方向，确保执行元件按预期工作。辅助元件如油箱、滤油器、蓄能器、管道和压力表动力元件液压泵将原动机机械能转换为液体压力动能，为液压系统提供压力油，是系统动力源。执行元件液压缸、液压马达将液压能转换为机械能做功，分别实现往复直线（或摆动）、回转运动。三、液压伺服系统系统构成与能源供应液压泵作为系统能源，以恒定压力向系统供油，供油压力由溢流阀调定。理如图4-2-1所示。执行与反馈机制液压缸输入压力油流量输出运动速度带负载，四通滑阀与液压缸构成反馈连接。

信号转换与放大四通滑阀（伺服阀）作转换放大元件，将输入机械信号转为液压信号，放大后输至液压缸。

（一）液压伺服系统的工作原理工作过程滑阀中位时，阀口关闭、无流量，液压缸静止。滑阀右移Xi，阀口开口量Xv=Xi，液压油进右腔，左腔油排出，缸体右移Xp，阀体同步右移使开口量减小，直至Xp=Xi、Xv=0，缸体停移。滑阀反向运动，液压缸反向跟随。精确复现原因输出位移Xp能精确复现输入位移Xi，因缸体和阀体构成闭环控制系统：液压缸输出位移回输阀体，与滑阀输入位移得出位置偏差（滑阀开口量），液压油驱动液压缸运动减小偏差，直至输出与输入位移一致。液压伺服系统工作原理如图4-2-2所示。（二）液压伺服系统的工作特点闭环驱动工作逻辑液压泵供油至伺服阀，指令反馈差值放大后控伺服阀，驱液压缸带载荷；反馈匹配指令即停，伺服阀是电液能量控制核心。随动与功率放大特性缸体动作精准复现滑阀输入，执行元件输出力或功率可达输入的数百至数千倍，能量由液压油供给。负反馈与误差驱动机制系统依赖负反馈实现跟随运动，工作过程始终存在输入输出误差，误差消除则系统停止运作。智造视窗液压机械臂的应用特点液压机械臂是一种适用多场景、高效率、高负载、高精度的工业自动化设备，被广泛应用于各种特种作业领域。液压机械臂的优势主要体现在以下几方面。（1）高负载能力。液压机械臂的液压缸双向压力均可调节，且机械臂负载大小灵活可控，能够适应不同复杂环境下的作业任务需求，如海底作业等。（2）节能高效。液压机械臂通过连杆传动原理，可实现无级调速，动力传递效率高。（3）精度高。液压机械臂通过优化设计，可实现对点位、姿态的精确定位，且可迅速地响应外部环境变化，具有较高的精度和灵敏度。当然，液压驱动在具备上述优势的同时，也存在一些不足之处，如因其工作介质为液压油，故不适合在高温或低温下工作，且对密封性要求较高，维护难度较大。工业机器人气压驱动系统任务三任务导入任务描述气压驱动的原理与液压驱动相似，不同的是气压驱动以压缩空气作为工作介质推动气缸动作，进而带动执行机构动作，将空气的压力能转换为机械能。本任务小梁将学习工业机器人气压驱动系统的相关知识。任务目标1.了解工业机器人气压驱动系统及特点。2.熟悉气压驱动系统的组成。3.能区分气压驱动系统的各组成元件。4.锤炼专业技能，树立终身学习意识，涵养立足岗位助力技术改进的初心。一、工业机器人气压驱动系统及特点以0.4～0.8MPa压缩空气为介质，经气源系统、净化辅助设备、气动执行机构与控制元件协同运作，将压力能转化为机械能，保障机器人稳定高效作业，兼具成本低、响应快优势。（一）工业机器人气压驱动系统任务实施（二）气压驱动系统的特点气源便捷且清洁环保工厂多由压缩空气站统一供应气源，获取方便；废气可直接排入大气，无环境污染调速灵活适配多样工况调节气量可无级变速，满足不同作业调速需求响应快速且自带缓冲压缩空气黏度小，动作响应速度快；空气具备可压缩性，系统自带缓冲作用成本低廉且维护简便系统结构简单，易于保养维护，整体投入及运维成本较低1.气压驱动系统的优点2.气压驱动系统的缺点由于工作压力较低，因此功率质量比小，装置体积相对较大。功率密度偏低，装置体积偏大基于空气的可压缩性，气压驱动很难保障较高的定位精度。定位精度难以保障使用后的压缩空气向大气排放时，会产生噪声。排气易产生噪声污染压缩空气含冷凝水，易锈蚀系统，低温结冰或致启动困难易锈蚀且低温启动受限（一）气源装置核心功能与主体定位气压驱动系统的气源装置主体为空气压缩机，负责提供符合要求的压缩空气。压缩机产出的压缩空气需经降温、净化、减压、稳压等处理后，才能供给控制和执行元件。冷却器冷却压缩空气使水分凝结；油水分离器分离水滴、油滴、杂质；储气罐存气、稳压并除部分油水分；干燥器进一步除油水分，产出干燥空气。二、气压驱动系统的组成（二）控制元件气动控制元件含压力、流量、方向控制阀：压力控制阀控调气压，流量控制阀控调气流量，方向控制阀控变气流方向。1.压力控制阀气压驱动系统中，储气罐空气压力常高于设备需求且波动大，压力控制阀（减压阀）可将压力减至装置所需值并稳定该压力。作用与功能阀工作时，调压手柄等使进气阀门打开，气体左进右出；部分气体入膜片气室，平衡后输出压力稳定。工作状态与压力调节过程输入压力瞬时升高时，膜片上移排气，输出压力下降后恢复原值；输出压力瞬时下降时，膜片下移，进气阀口开度增大，输出压力回升至原值。输入压力波动时的稳定机制2.流量控制阀流量控制阀通过改变通流面积调控流量，含节流阀、单向节流阀等，单向节流阀常用作气缸调速的速度控制阀。核心定义与类型节流阀压缩空气由P口进入，经节流后从A口流出，旋转阀芯螺杆可改变节流口开度，实现压缩空气流量调节。节流阀结构与调节原理0102控制气缸速度、换向阀切换时间，气动调速难，极低速或负载变化大时效果有限，建议气液联动。应用场景与调速局限033.方向控制阀断电时弹簧导通A、T口，封闭P口；通电时电磁力压缩弹簧，导通P、A口，封闭T口，靠电磁铁与弹簧换向。直动式原理单电控直动式换向阀作先导阀，断电封P通A、T，通电通P、A封T，适用于大通径场合。先导式原理单电控换向阀分为单电控直动式和单电控先导式两种，是气压驱动系统中常用的电磁控制换向阀。类型划分01、02、03、双电控换向阀解析类型划分分为双电控直动式换向阀和双电控先导式换向阀两种。核心特性具备记忆功能，断电时阀芯保持当前位置；两个电磁铁严禁同时通电。工作状态直动式左侧通电时阀芯右移；先导式左侧先导阀通电时主阀换向，原理类同单电控先导阀。1.气缸

在缸盖一端气口输入压缩空气，推动活塞杆伸出或缩回，另一端借弹簧力、自重等外力复位。仅单方向输气，可省一半压缩空气，用于夹紧、退料等环节。按复位弹簧位置分为预缩型、预伸型：弹簧在有杆腔，活塞杆初始缩回为预缩型；弹簧在无杆腔，活塞杆初始伸出为预伸型。单作用气缸

这是应用较广的气缸之一。向无杆腔气口输气，活塞前进、活塞杆伸出，有杆腔排气；向有杆腔