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1、1 1 1 1 第七章第七章 机器人驱动技术机器人驱动技术Driving Technology of Industrial Robot 2 2 2 2驱动方式驱动方式: 电力驱动、电力驱动、 液压驱动液压驱动 、气压驱动、气压驱动、 新型驱动等。新型驱动等。 电力驱动比例越来越大电力驱动比例越来越大 大力量、防爆、精度不高场合大力量、防爆、精度不高场合液压及气动液压及气动3 3 3 371 液压驱动液压驱动应用：简易经济型、重型机器人。应用：简易经济型、重型机器人。一、液压系统一、液压系统优点：技术成熟，动力强，快速响应，直接驱动，优点：技术成熟，动力强，快速响应，直接驱动，防爆，压力高。力量
2、大，上百公斤防爆，压力高。力量大，上百公斤 7MPa。缺点：易漏油，油品清洁度要求。缺点：易漏油，油品清洁度要求。4 4 4 45 5 5 56 6 6 67 7 7 78 8 8 8 节流阀节流阀控制流量，控制速度控制流量，控制速度 换向阀换向阀二位二通，二位四通，三位四通二位二通，二位四通，三位四通 溢流阀溢流阀控制压力、多余液流溢出。控制压力、多余液流溢出。 蓄能器蓄能器稳定压力。稳定压力。 油泵油泵油马达：可反向互换作用。常用柱塞油马达：可反向互换作用。常用柱塞泵、齿轮泵、叶片泵。泵、齿轮泵、叶片泵。 泵泵液体。离心泵、往复泵液体。离心泵、往复泵常用于非油常用于非油液体液体 压缩机压缩
3、机气体。气体。 工作原理工作原理液压泵由电动机带动，从油箱中液压泵由电动机带动，从油箱中吸油，然后将具有压力能的油液输送到管路，吸油，然后将具有压力能的油液输送到管路，油液通过节流阀和管路流油液通过节流阀和管路流 至换向阀，换向阀的至换向阀，换向阀的阀芯有不同的工作位置。阀芯有不同的工作位置。9 9 9 9101010101111111112121212二、伺服控制液压系统（二、伺服控制液压系统（servo controlled）伺服控制伺服控制随动控制（反馈控制），闭环控制随动控制（反馈控制），闭环控制系统系统传感器在线检测，准确控制连续轨迹、速度。传感器在线检测，准确控制连续轨迹、速度。结
4、构复杂，成本高，精度高。结构复杂，成本高，精度高。机器人常用闭环控制系统。机器人常用闭环控制系统。 13131313核心：电液伺服阀。核心：电液伺服阀。工作原理：工作原理：通过电通过电液转换元件对液动机进行方向、位置、液转换元件对液动机进行方向、位置、速度控制。速度控制。 产生与电流成比例关系的液流流量。产生与电流成比例关系的液流流量。该液流驱动油缸或油马达运动。该液流驱动油缸或油马达运动。141414141515151572 气压驱动气压驱动工作原理：与液压驱动相似。工作原理：与液压驱动相似。用途：主要用于继电接触器或可编程控制器用途：主要用于继电接触器或可编程控制器PLC控制的开环控制系统
5、。控制的开环控制系统。16161616 优点：介质为空气，易获易排，无污染，空气优点：介质为空气，易获易排，无污染，空气粘度小，压力损失小，可远距离输送，集中供粘度小，压力损失小，可远距离输送，集中供气，比液压响应更快，动作迅速，可适合恶劣气，比液压响应更快，动作迅速，可适合恶劣环境工作。空气压缩性可过载保护。环境工作。空气压缩性可过载保护。 缺点：阻尼性差、驱动功率小，空气压缩性使缺点：阻尼性差、驱动功率小，空气压缩性使得精确定位困难，难于进行伺服控制。得精确定位困难，难于进行伺服控制。 主要用于开环控制。主要用于开环控制。 设备：气缸、气马达设备：气缸、气马达1717171773 电力驱动
6、电力驱动一、普通交流及直流电动机一、普通交流及直流电动机特点：输出力及力矩大，控制性能差，惯性大，特点：输出力及力矩大，控制性能差，惯性大，不易准确定位，需减速传动，成本低，维不易准确定位，需减速传动，成本低，维护使用方便，用于速度低、抓重大的专用护使用方便，用于速度低、抓重大的专用机器人。机器人。181818181、三相交流电机、三相交流电机（1）交流发电机）交流发电机电刷电刷19191919（2）三相交流异步电动机）三相交流异步电动机20202020交流电机性能（与直流电机相比）交流电机性能（与直流电机相比）同功率下，体积小、重量轻，价格低同功率下，体积小、重量轻，价格低启动转矩小启动转矩
7、小调速性调速性A) 调频。改变频率调频。改变频率 n=60f（1s)/pB) 改变定子磁极对数。改变定子磁极对数。 C) 改变转子电路电阻。改变转子电路电阻。21212121（3） 三相交流同步电动机三相交流同步电动机恒定转速要求恒定转速要求情况下情况下222222222、直流电机（电动机可与发电机互换）、直流电机（电动机可与发电机互换）直流发电机直流发电机整流子整流子23232323直流电机性能（与交流电机相比）直流电机性能（与交流电机相比） 同功率下，体积大、重量大，价格高同功率下，体积大、重量大，价格高启动转矩大启动转矩大调速性调速性A) 改变磁通改变磁通 B) 改变外电压改变外电压 U
8、- 需连续可调直流电源，需连续可调直流电源，C) 改变电枢电阻改变电枢电阻R24242424二、控制电机二、控制电机1、步进电机、步进电机原理：原理：电脉冲信号电脉冲信号步进电机步进电机角位移或线位移。角位移或线位移。组成：定子、转子。组成：定子、转子。都由硅钢片等导磁材料都由硅钢片等导磁材料组成。组成。25252525某相通电，产生磁场，转子总是试图转到磁阻最某相通电，产生磁场，转子总是试图转到磁阻最小处。图小处。图8-15每步转每步转30。 26262626如果如果A 相先通电，然后相先通电，然后A、B 再同时通电，电流再同时通电，电流相等则转相等则转15。 27272727步进微步。如果
9、每次两相通电，电流不相等时，步进微步。如果每次两相通电，电流不相等时，每步可转角度与两相电流比例有关，准确控制每步可转角度与两相电流比例有关，准确控制两相电流，就可以实现步进电机微步距。例如两相电流，就可以实现步进电机微步距。例如每转可超过每转可超过4000步。步。28282828位移控制：输出位移与输入脉冲数成正比。位移控制：输出位移与输入脉冲数成正比。转速控制：脉冲频率决定输出转速。转速控制：脉冲频率决定输出转速。步进电机应用：在负载能力范围内，输出位移及步进电机应用：在负载能力范围内，输出位移及速度不受电压、负载、温度、压力等参数影响。速度不受电压、负载、温度、压力等参数影响。能够正转、
10、反转、速停、无级调速。高精度设能够正转、反转、速停、无级调速。高精度设备。备。本质上是一种低速电机，一旦到达指定位置后就本质上是一种低速电机，一旦到达指定位置后就能保持在那里。最佳工作转速能保持在那里。最佳工作转速50100r/min。低速转动时振动和噪声大，同样功率输出尺寸大低速转动时振动和噪声大，同样功率输出尺寸大于直流电机。输出转矩小。于直流电机。输出转矩小。292929292、伺服电机、伺服电机特点：特点：（1）转矩转速大小及方向受控制绕组上信号电）转矩转速大小及方向受控制绕组上信号电压控制。压控制。（2）快速启动与停止（细长，惯性小）。）快速启动与停止（细长，惯性小）。（3）无自转，
11、信号为零，立刻停转。）无自转，信号为零，立刻停转。30303030（1）直流伺服电机（应用减少）直流伺服电机（应用减少）电刷电刷原理：与直流电机相同。原理：与直流电机相同。31313131输入电流（或电压）连续可变。输入电流（或电压）连续可变。激磁回路激磁回路32323232转矩及转速受输入电流（电压）信号控制。转矩及转速受输入电流（电压）信号控制。特点：成本低，机器人初期大量采用。电刷易产特点：成本低，机器人初期大量采用。电刷易产生火花，并对无线电设备干扰。正被交流伺服生火花，并对无线电设备干扰。正被交流伺服（无刷）电机取代。（无刷）电机取代。 33333333（2）交流伺服电机）交流伺服电
12、机（逐步取代直流伺服电机）（逐步取代直流伺服电机）无刷。无刷。90年代起，异军突起。年代起，异军突起。直流电机致命弱点直流电机致命弱点整流子。整流子。成本低廉机器人采用直流伺服电机。成本低廉机器人采用直流伺服电机。34343434（3）舵机）舵机最简单的舵机最简单的舵机直流电机直流电机180:1减速器。减速器。转动范围一般特定为转动范围一般特定为60，脉冲比例调制，脉冲比例调制（PPM）。）。35353535 使用电机一定要研究电机的机械特性和调节特使用电机一定要研究电机的机械特性和调节特性！性！直流电机转矩、转速和功率间的关系363636363737373738383838393939394
13、04040403、直接驱动伺服系统、直接驱动伺服系统DD电机电机直接驱动电机：电动机与负载直接直接驱动电机：电动机与负载直接耦合。无传动装置。耦合。无传动装置。传统电机问题：传统电机问题：转速高、转矩低。因此需减速装置进行降速增转速高、转矩低。因此需减速装置进行降速增矩。而低转速电机磁极对数多，体积大，重量矩。而低转速电机磁极对数多，体积大，重量大，减速器是恒功率减速。大，减速器是恒功率减速。41414141 交流电机变频调速或直流电机可控硅调速，交流电机变频调速或直流电机可控硅调速，通常是恒转矩调速，亦即转速下降后，转矩恒通常是恒转矩调速，亦即转速下降后，转矩恒定，不是恒功率。定，不是恒功率
14、。 绝大多数机器是要求低转速、大转矩。因此绝大多数机器是要求低转速、大转矩。因此交流电机变频调速或直流电机可控硅调速时，交流电机变频调速或直流电机可控硅调速时，当转速很低时，工作状况很差。当转速很低时，工作状况很差。42424242 DD电机的研制关键是实现电机低速高转矩化。电机的研制关键是实现电机低速高转矩化。直接驱动优势与缺点：直接驱动优势与缺点：省略减速传动系统，机械效率提高，刚度增大，省略减速传动系统，机械效率提高，刚度增大，间隙消除，惯性减小。间隙消除，惯性减小。电机直接安装在各关节处，增大了关节重量。电机直接安装在各关节处，增大了关节重量。43434343新型驱动：新型驱动：静电驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动器、人静电驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动器、人工肌肉、光驱动等。工肌肉、光驱动等。SMA微小型机器人4444本章结束！本章结束！
