工业机器人控制系统课件

博学笃行明德至善 二二二二 工业机器人检测装置工业机器人检测装置4.3工业机器人驱动装置工业机器人驱动装置4.2工业机器人控制装置工业机器人控制装置4.1 本章主要内容本章主要内容重点：重点：控制装置组成及应用控制装置组成及应用第第4章章 工业机器人控制系统工业机器人控制系统二二工业机器人检测装置4.3工业机器人驱动装置4.2工博学笃行明德至善 4.1.1 工业机器人控制装置组成和功能工业机器人控制装置组成和功能 通常情况下，工业机器人控制装置组成如图4-1所示。4.1 4.1 工业机器人控制装置工业机器人控制装置图4-1 工业机器人控制装置实物图 4.1.1工业机器人控制装置组成和功能通常情况下，工业博学笃行明德至善 1.工业机器人控制装置组成工业机器人控制装置组成工业机器人为完成相应的要求，需要相应的硬件和软件部分。4.1 4.1 工业机器人控制装置工业机器人控制装置图4-2 工业机器人控制装置硬件组成1）硬件部分）硬件部分1.工业机器人控制装置组成工业机器人为完成相应的要求，需博学笃行明德至善 工业机器人主要由以下硬件组成：4.1 4.1 工业机器人控制装置工业机器人控制装置（1 1）控制计算机）控制计算机 控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有处理器有3232位、位、6464位等，如位等，如酷睿酷睿系列系列CPUCPU以及其他类型以及其他类型CPUCPU。（2 2）示教盒）示教盒 示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的交互操作，拥有自己独立的CPUCPU以及存储单元，与主计算机之间以以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。串行通信方式实现信息交互。（3 3）操作面板）操作面板 由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。（4 4）硬盘和软盘存储存）硬盘和软盘存储存 储机器人工作程序的外围存储器。储机器人工作程序的外围存储器。（5 5）数字和模拟量输入输出）数字和模拟量输入输出 各种状态和控制命令的输入或输出。各种状态和控制命令的输入或输出。工业机器人主要由以下硬件组成：4.1工业机器人控制装置（博学笃行明德至善 4.1 4.1 工业机器人控制装置工业机器人控制装置（6 6）打印机接口）打印机接口 记录需要输出的各种信息。记录需要输出的各种信息。（7 7）传感器接口）传感器接口 用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。觉传感器。（8 8）轴控制器）轴控制器 完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。（9 9）辅助设备控制）辅助设备控制 用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。（1010）通信接口）通信接口 实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。4.1工业机器人控制装置（6）打印机接口博学笃行明德至善 4.1 4.1 工业机器人控制装置工业机器人控制装置（1111）网络接口）网络接口 1 1）EthernetEthernet接口接口 可通过以太网实现数台或单台机器人的直接可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PCPC通信，数据传输速率通信，数据传输速率高达高达10Mbit/s10Mbit/s，可直接在，可直接在PCPC上用上用windowswindows库函数进行应用程序编程之后，库函数进行应用程序编程之后，支持支持TCP/IPTCP/IP通信协议，通过通信协议，通过EthernetEthernet接口将数据及程序装入各个机器人接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。控制器中。2 2）FieldbusFieldbus接口接口 支持多种流行的现场总线规格，如支持多种流行的现场总线规格，如Device netDevice net、AB Remote I/OAB Remote I/O、Interbus-sInterbus-s、profibus-DPprofibus-DP、M-NETM-NET等。等。4.1工业机器人控制装置（11）网络接口博学笃行明德至善 4.1 4.1 工业机器人控制装置工业机器人控制装置 软件主要是指控制软件，软件主要是指控制软件，它包括运动轨迹规划算法和关它包括运动轨迹规划算法和关节伺服控制算法及相应的动作节伺服控制算法及相应的动作顺序。顺序。控制软件可以用任何语言控制软件可以用任何语言来编制，但通用来编制，但通用语言模块化编语言模块化编制形成的专用工业语言制形成的专用工业语言越来越越来越成为工业机器人控制软件的主成为工业机器人控制软件的主流。流。2）软件部分）软件部分4.1工业机器人控制装置软件主要是指控制软件，它博学笃行明德至善 4 4普通普通普通普通36363636个自由度，复杂个自由度，复杂个自由度，复杂个自由度，复杂10101010个以上个以上个以上个以上；1 12 23 3控制与机构运动学及动力学密切相关；控制与机构运动学及动力学密切相关；控制与机构运动学及动力学密切相关；控制与机构运动学及动力学密切相关；动作通过信息库处理找出最优路径完成；动作通过信息库处理找出最优路径完成；动作通过信息库处理找出最优路径完成；动作通过信息库处理找出最优路径完成；2.工业机器人控制装置功能工业机器人控制装置功能4.14.1工业机器人控制装置工业机器人控制装置1）主要特点：）主要特点：4普通36个自由度，复杂10个以上；123控制与机构运动学博学笃行明德至善 4.14.1工业机器人控制装置工业机器人控制装置2）主要功能：）主要功能：控制装置主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等以完成特定的工作任务，主要功能如下：（1）示教在线功能）示教在线功能 指控制系统通过示教示教器器或手把手进行示教，将动作顺序动作顺序、运动速度运动速度、位位置等置等信息预先预先教给机器人，由机器人的记忆装置自动记录在存储器记录在存储器，当需要再再现现操作时，重放重放内容即可。更改内容需重新示教。4-3 示教器4.1工业机器人控制装置2）主要功能：控制装置主要任博学笃行明德至善 4.14.1工业机器人控制装置工业机器人控制装置（2）运动控制功能）运动控制功能 指工业机器人的末端操作器从一点移动到另一点的过程中，对其位置、速度和加速度的控制。（3）示教编程功能）示教编程功能 用机器人代替人进行作业时，必须预先对机器人发出指示，规定机器人进行应该完成的动作和作业的具体内容规定机器人进行应该完成的动作和作业的具体内容。这个过程就称为对机器人的示教或对机器人的编程。一般分为直接示教直接示教和离线示教离线示教，随着计算机虚拟技术的发展，还出现了虚拟示教编程系统虚拟示教编程系统。4.1工业机器人控制装置（2）运动控制功能博学笃行明德至善 4.14.1工业机器人控制装置工业机器人控制装置3.工业机器人的控制方式工业机器人的控制方式(1)点位控制方式点位控制方式-PTP(Point To Point)只控制起始点和终止点的位姿,控制时只要求快速、准确地实现各点之间的运动，而对两点之间的运动轨迹不作任何规定。(2)连续轨迹控制方式连续轨迹控制方式-CP（Continuous Path）连续地控制工业机器人末端操作器在作业空间中的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度范围内运动，而且速度可控，轨迹光滑，运动平稳，以完成作业任务。(a)点位控制；(b)连续轨迹控制4-4 点位控制与连续轨迹控制应用应用:上下料、搬运点焊、电路板上安插元件主要技术主要技术:定位精度运动所需的时间主要技术主要技术:末端操作器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性应用应用:弧焊、喷漆、去毛边检测作业机器人4.1工业机器人控制装置3.工业机器人的控制方式(1)点位控博学笃行明德至善 4.14.1工业机器人控制装置工业机器人控制装置(3)力（力矩）控制方式力（力矩）控制方式 在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要利用力（力矩）伺服方式。(4)智能控制方式智能控制方式 工业机器人的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库做出相应的决策。反馈量不是位置信号，是力（力矩）力（力矩）信号信号4-5 轴式扭矩传感器4-6 工业机器人常用相机4.1工业机器人控制装置(3)力（力矩）控制方式反馈量不是位博学笃行明德至善 4.1.2 工业机器人控制器工业机器人控制器通常情况下，工业机器人控制装置如下图组成。4.1 4.1 工业机器人控制装置工业机器人控制装置4-7工业机器人控制系统基本构成4-8 工业机器人控制器4.1.2工业机器人控制器通常情况下，工业机器人控制装置如博学笃行明德至善 工业机器人控制器特点工业机器人控制器特点：4.1 4.1 工业机器人控制装置工业机器人控制装置4-9 工业机器人控制系统基本构成1)多任务功能。2)网络功能。3)操作历史记录功能。4)海量存储。5)用户接口丰富。工业机器人控制器特点：4.1工业机器人控制装置4-9博学笃行明德至善 工业机器人控制器特点特点：4.1 4.1 工业机器人控制装置工业机器人控制装置4-10 工业机器人控制器1)多任务功能。2)网络功能。3)操作历史记录功能。4)海量存储。5)用户接口丰富。工业机器人控制器特点：4.1工业机器人控制装置4-10博学笃行明德至善 工业机器人驱动系统按动力源可分为液压驱动液压驱动、气动驱动气动驱动和电动电动驱动驱动三种基本驱动类型。液压驱动气压驱动电动驱动4.2 4.2 工业机器人驱动装置工业机器人驱动装置4.2.1 驱动装置类型和组成驱动装置类型和组成4-11 工业机器人驱动类型工业机器人驱动系统按动力源可分为液压驱动、气动博学笃行明德至善 液压、气动、电动驱动的主要特点液压、气动、电动驱动的主要特点液压、气动、电动驱动的主要特点博学笃行明德至善 u组成 气源、控制调节元件、辅助元件与装置、动力机构、制动器及限位器元件等u气动驱动结构图1）气压驱动气压驱动图4-12 气动驱动装置组成气源、控制调节元件、辅助元件与装置、动力机构、制博学笃行明德至善 气源。气源。可直接使用压缩空气站的气源或自行设置气源，使用的气体压力约为0.5-0.7MPa，流量为200 500L/h。控制调节元件。控制调节元件。控制调节元件包括气动阀、快速排气阀、调压器、制动器、限位器等。辅助元件与装置。辅助元件与装置。包括分水滤气器、油雾器、储气罐、压力表及管路等。通常把分水滤气器、油雾器和调压器做成组装式结构，称为气动三联件。气源。可直接使用压缩空气站的气源或自行设置气源，使用的气体博学笃行明德至善 动力机构。动力机构。机器人中常用直线气缸和摆动气缸。直线气缸常用于手爪机构。摆动气缸主要用于回转关节，如腕关节。制动器。制动器。由于气缸活塞的速度较高，因此要求机器人准确定位时，需采用制动器制。制动方式有反压制动，常用的制动器有气动节流装置、液压阻尼或弹簧式阻尼机构。限位器。限位器。限位器包括接触式和非接触式限位开关、限位挡块式锁紧机构。动力机构。机器人中常用直线气缸和摆动气缸。直线气缸常用于手博学笃行明德至善 u组成油源、执行机构、控制调节装置、辅助元件u液压伺服驱动系统2）液压驱动4-13 工业机器人电液伺服驱动系统组成油源、执行机构、控制调节装置、辅助元件液压伺服驱动系统2博学笃行明德至善 油源油源。通常把由油箱、滤油器和压力表等构成的单元称为油源。通过电动机带动液压泵，把油箱中的低压油变为高压油，供给液压执行机构。机器人液压系统的油液工作压力一般为714MPa。执行机构执行机构。分为直线液压缸和回转液压缸。工业机器人运动部件的直线运动和回转运动，绝大多数都直接由直线液压缸和回转液压缸驱动产生，称为直接驱动方式；有时由于结构安排的需要，也可以用直线液压缸或同转液压缸经转换机构而产生回转或直线运动。油源。通常把由油箱、滤油器和压力表等构成的单元称为油源。通博学笃行明德至善 控制调节元件。控制调节元件。控制调节元件有控制整个液压系统压力的溢流阀，控制油液流同的电磁阀、单向阀，调节油液流量（速度）的单向节流阀、单向行程节流阀。辅助元件辅助元件。辅助元件包括蓄能器、管路、管接头等。控制调节元件。控制调节元件有控制整个液压系统压力的溢流阀，博学笃行明德至善 u组成位置比较器、速度比较器、信号和功率放大器、驱动电动机、减速器以及构成闭环伺服驱动系统不可缺少的位置和速度检测元件。u电动驱动结构图3）电动驱动图4-14 电动动力系统的动力装量组成位置比较器、速度比较器、信号和功率放大器、博学笃行明德至善 常用的驱动电动机有直流伺服电动机、步进电动机和交流伺服电动机，其优缺点如下：常用的驱动电动机有直流伺服电动机、步进电动机和交博学笃行明德至善 4.2.2 交流伺服驱动装置交流伺服驱动装置 在工业机器人驱动装置中，电动驱动装置是应用最广泛的一种驱动类型。采用交流伺服电动机作为执行元件的伺服驱动称为交流伺服驱动装置。因交流伺服电动机具备十分优良的低速性能，调速广，动态特性和效率都很高，所以已经成为伺服系统的主流之选。4-15 伺服驱动机4.2.2交流伺服驱动装置在工业机器人驱动装置博学笃行明德至善 4-16 异步电动机 异步伺服电动机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性和效率上与交流伺服电动机存在差距，只在大功率场合得到重视，多用于机床主轴转速和其他调速系统。4-16异步电动机异步伺服电动机虽然结构坚固、制博学笃行明德至善 交流大多数情况下按照系统是否闭环分类，交流伺服系统分为开环伺服系统开环伺服系统、半闭环伺服系统半闭环伺服系统和全闭环伺服系全闭环伺服系统统三种。1.交流伺服系统分类交流伺服系统分类4-17 工业机器人驱动类型1）开环伺服系统）开环伺服系统 是一种没有位置或速度反馈的控制系统，伺服机构按照指令装置发来的移动指令，驱动机械做相应的运动，系统的输出位移与输入指令脉冲个数成正比，所以在控制整个系统时，只要精确地控制输入脉冲的个数，就可以准确地控制系统的输出，但是这种系统精度比较低，运行不是很平稳。伺服机构交流大多数情况下按照系统是否闭环分类，交流伺服系统分博学笃行明德至善 4-18 工业机器人驱动类型2）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统 属于闭环系统，具有反馈环节，在原理上它具有闭环系统的一切特性和功能。它的检测元件与伺服电动机同轴相连，通过直接测出电动机轴旋转的角位移或角速度可推知执行机械的实际位移或速度，它对实际位置移动或运行速度采用的是间接测量的方法4-18工业机器人驱动类型2）半闭环伺服系统属于博学笃行明德至善 4-18 工业机器人驱动类型缺点缺点：存在测量转换误差，而且环外的节距误差和间隙误差也没有得到补偿。优点优点：在闭环中非线性因素少，容易整定，并且执行机械与电气自动控制部分相对独立，系统的通用性增强，因此这种结构是当前国内外伺服系统中最普遍采用的方案。4-18工业机器人驱动类型缺点：存在测量转换误差，而且环博学笃行明德至善 4-11 工业机器人驱动类型3）全闭环伺服系统）全闭环伺服系统 是一种真正的闭环伺服系统。全闭环伺服系统在结构上与半闭环伺服系统是一样的，只是它的检测元件直接安装在系统的最终运动部件上，系统反馈的信号是整个系统真正的最终输出。4-11工业机器人驱动类型3）全闭环伺服系统是一博学笃行明德至善 不同系统对比不博学笃行明德至善 2.交流伺服驱动装置组成交流伺服驱动装置组成4-18 异步交流伺服电动机原理图1）交流伺服电动机）交流伺服电动机（1）感应异步交流伺服电动机）感应异步交流伺服电动机 结构分为定子部分和转子部分。在定子铁心中安放着空间成90的两相定子绕组，其中一相为励磁绕组，始终通以交流电压；另一相为控制绕组，输入同频率的控制电压，改变控制电压的幅值或相位可实现调速。转子的结构通常为笼型。2.交流伺服驱动装置组成4-18异步交流伺服电动机原理博学笃行明德至善 主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。转子上有特殊形状高性能永磁体，产生恒定磁场。在电机的非负载端安装速度传感器和位置传感器，检测电机实际运行速度，或者进行位置控制（2）永磁同步交流伺服电动机）永磁同步交流伺服电动机4-19 同步交流伺服电动机原理图4-20 永磁同步电动机结构主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。（2）永磁同步交博学笃行明德至善 4-21 异步交流伺服电动机原理图 交流永磁同步伺服驱动器主要由伺服控制单元、功率驱动单元、伺服电动机、相应反馈检测器件及通信接口单元组成，如图4-21所示。伺服控制单元伺服控制单元反馈检测器件反馈检测器件伺服电动机伺服电动机功率驱动单元功率驱动单元通信接口单元通信接口单元2）永磁同步交流伺服驱动器）永磁同步交流伺服驱动器4-21异步交流伺服电动机原理图交流永博学笃行明德至善 功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。整流后的直流电再通过三相正弦PWM电压型逆变器逆变为所需频率的交流电来驱动三相永磁式同步交流伺服电动机。伺服电动机。（1）功率驱动单元）功率驱动单元4-22 三相桥式电路原理图 简言之，功率驱动单元的整个过程就是AC-DC-AC的过程。整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥整流电路。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相博学笃行明德至善（2）控制单元）控制单元 控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制。位置控制分为模拟式位置控制模拟式位置控制和数字式位置控制数字式位置控制。其根本任务就是使执行机构对位置指令进行精确跟踪。被控量一般是负载的空间位移，当给定量随机变化时，系统能使被控量无误地跟踪并复现给定量，给定量可能是角位移或直线位移。位置控制必然是一个反馈控制系统，组成位置控制回路，即位置环。（2）控制单元控制单元是整个交流伺服系统的博学笃行明德至善 a.模拟式位置控制模拟式位置控制4-23 模拟式位置控制系统原理检测元件：一般为旋转变压器或光电编码器输入量：模拟量特点：控制精度不高 a.模拟式位置控制4-23模拟式位置控制系统原理检测元博学笃行明德至善 b.数字式位置控制数字式位置控制4-24 数字式位置控制系统原理工作原理：检测元件的反馈信号输入电路，经转换电路得到二进制数字信号，与给定的二进制数字信号同时送入计算机或可逆计数器进行比较并确定出误差，按一定控制规律运算后（通常为比例放大），构成数字形式的校正信号，再经数/模转换器变成电压信号，作为速度控制器的给定信号。b.数字式位置控制4-24数字式位置控制系统原理工博学笃行明德至善 4-24 数字式位置控制系统原理检测元件：一般为光电编码器或其他数字反馈发生器输入量：数字量特点：系统控制规律通过软件改变，具有很高的灵活 性 4-24数字式位置控制系统原理检测元件：一般为光电编码博学笃行明德至善 液压传动是以液体作为工作介质来进行工作的，一个完整的液压传动系统由以下几部分组成：（l l）动力元件（5 5）工作介质（4 4）辅助元件（3 3）控制元件（2 2）执行元件 将原动机的机械能转化成液压能的装置。如：液压泵 将将压力能转换为机械能的装置。机械能的装置。如：缸、马达如：缸、马达 控制工作介质的流动方向、压力和流量，以保证执行元件和工作机构按要求工作。在液压系统中传递运动和动力能量的液体，即液压油。其它装置，如：控制阀、油箱、管道等。4.2.3 液压气动装置的主要设备液压气动装置的主要设备1.液压系统的主要设备液压系统的主要设备液压传动是以液体作为工作介质来进行工作的，一个完博学笃行明德至善 4-25 直线液压缸 液压缸是液体压力能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。1）液压缸）液压缸 用电磁阀控制的直线液压缸是最简单和最便宜的开环液压驱动装置。在直线液压缸的操作中，通过受控节流口调节流量，可以在到达运动终点时实现减速，使停止过程得到控制。工作原理：基于高压油对活塞或叶片的作用4-25直线液压缸液压缸是液体压力能博学笃行明德至善 又称旋转液压马达，是液压系统的旋转式执行元件。壳体由铝合金制成，转子是钢制的。密封圈和防尘圈分别用来防止油的外泄和保护轴承。2）液压马达）液压马达1、20-齿轮 2-防尘罩 3、30-电位器 4-防尘器 5、11-密封圈 6、10-端盖 7、13-输出轴 8、25-壳体 9、22-钢盘 12-防尘圈 14、17-滚针轴承 15、19-泄油孔 16、18-O型密封圈 21、29-解算器 23、26-转子 24-转动叶片 27-固定叶片 28-进出油孔4-26 液压马达又称旋转液压马达，是液压系统的旋转式执行元件博学笃行明德至善 工作原理：在电液阀的控制下，液压油经进油口进入，并作用于同定在转子的叶片上，使转子转动。4-26 液压马达 隔板用来防止液压油短路。通过一对由消隙齿轮带动的电位器和一个解算器给出转子的位置信息。电位器给出粗略值，而精确位置由解算器测定。整体的精度不会超过驱动电位器和解算器的齿轮系精度。1、20-齿轮 2-防尘罩 3、30-电位器 4-防尘器 5、11-密封圈 6、10-端盖 7、13-输出轴 8、25-壳体 9、22-钢盘 12-防尘圈 14、17-滚针轴承 15、19-泄油孔 16、18-O型密封圈 21、29-解算器 23、26-转子 24-转动叶片 27-固定叶片 28-进出油孔工作原理：在电液阀的控制下，液压油经进油口进入，并作用于同定博学笃行明德至善 4-27 单向阀（1）单向阀）单向阀主要性能要求：油液通过时压力损失要小，反向截止时密封性要好。工作原理：工作原理：液压油从P1进入，克服弹簧力推动阀芯，使油路接通，液压油从P2流出。当液压油从反向进入时，油液压力和弹簧力将阀芯压紧在阀座上，油液不能通过。单向阀只允许油液向某一方向流动，而反向截止。这种阀也称为止回阀，如图4-27所示。3）液压阀）液压阀4-27单向阀（1）单向阀主要性能要求：油液通过时压博学笃行明德至善 滑阀式换向阀是靠阀芯在阀体内做轴向运动，而使相应的油路接通或断开的换向阀。其换向原理如图4-16所示。图4-28 换向阀换向原理（2）换向阀）换向阀 当阀芯处于图4-28a所示位置时，P与B连通，A与T连通，活塞向左运动；当阀芯向有移动处于图4-28b所示位置时，P与A连通，B与T连通，活塞向右运动。a）b）滑阀式换向阀是靠阀芯在阀体内做轴向运动，而使相应的油路接通博学笃行明德至善 机动换向阀用于机械运动中，作为限位装置限位换向，如图4-29所示。4-29 机动换向阀1-弹簧 2-阀芯 3-阀体 4-滚轮 5-行程挡块机动换向阀用于机械运动中，作为限位装置限位换向，如图4-2博学笃行明德至善 电磁换向阀用于在电气装置或控制装置发出换向命令时改变流体方向，从而改变机械运动状态，如图4-30所示。4-30 三位四通电磁换向阀1-阀体 2-阀芯 3-定位器 4-弹簧 5-挡块 6-推杆 7-隔磁环8-线圈 9-衔铁 10导套 11-插头 电磁换向阀用于在电气装置或控制装置发出换向命令时改变流体方博学笃行明德至善 气动装置是以压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递和信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。气压装置是由四部分组成的，它们是：2.气动装置的主要设备气动装置的主要设备气源装置气源装置分水滤气器压力控制阀油雾器方向控制阀消声器流量控制阀汽汽 缸缸气动装置是以压缩机为动力源，以压缩空气为工作介博学笃行明德至善(1)(1)气源装置气源装置 是获得压缩空气的装置。其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能；(2)(2)执行元件执行元件 是将气体的压力能转换成机械能的一种能量转换装置，它包括实现直线往复运动的气缸和实现连续回转运动或摆动的气马达或摆动马达等;气源装置气源装置分水滤气器压力控制阀油雾器方向控制阀消声器流量控制阀汽汽 缸缸4-31 气动装置图(1)气源装置是获得压缩空气的装置。其主体部分是空气压缩博学笃行明德至善(3)(3)控制元件控制元件 是用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向的，以便使执行机构完成预定的工作循环。它包括各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等；(4)(4)辅助元件辅助元件 是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的，它包括过滤器、油雾气、管接头及消声器等。气源装置气源装置分水滤气器压力控制阀油雾器方向控制阀消声器流量控制阀汽汽 缸缸(3)控制元件是用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向的博学笃行明德至善(2)(2)执行元件执行元件 1 1）气缸。）气缸。在气缸运动的两个方向上，根据受气压控制的方向个数的不同，可分为单作用气缸和双作用气缸。单作用气缸 根据复位弹簧位置将作用气缸分为预缩型气缸和预伸型气缸。a）预缩型气缸 b）预伸型气缸图4-32 单作用气缸 当弹簧装在有杆腔内时，由于弹簧的作用力而使气缸活塞杆初始位置处于缩回位置，这种气缸称为预缩型单作用气缸；当弹簧装在无杆腔内时，气缸活塞杆初始位置为伸出位置，称为预伸型气缸。(2)执行元件1）气缸。在气缸运动的两个方向上，根据博学笃行明德至善 双作用气缸动作原理动作原理：从无杆腔端的气口输入压缩空气时，若气压作用在活塞左端面上的力克服了运动摩擦力、负载等各种反作用力，则当活塞前进时，有杆腔内的空气经该端气口排出，使活塞杆伸出。同样，当有杆腔端气口输人压缩空气时，活塞杆缩回至初始位置。通过无杆腔和有杆腔交替进气和排气，活塞杆伸出和缩回，气缸实现往复直线运动。图4-33 双作用气缸双作用气缸图4-33双作用气缸博学笃行明德至善 2 2）气动马达。）气动马达。气动马达是一种做连续旋转运动的气动执行元件，是以压缩空气为工作介质的原动机，它是利用压缩气体的膨胀作用，把压力能转换为机械能的动力装置。a）结构 b）符号图4-34双向旋转叶片式气动马达原理图1-叶片 2-转子 3-定子工作原理：工作原理：压缩空气由A孔输入，小部分经定子两端的密封盖的槽进入叶片底部，将叶片推出，使叶片贴紧在定子内壁上，大部分压缩空气进入相应的密封空间而作用在两个叶片上。由于两叶片伸出长度不等，因此产生了转矩差，使叶片与转子按逆时针方向旋转，做功后的气体由定子上的B孔排出。若改变压缩空气的输入方向，则可改变转子的转向。2）气动马达。气动马达是一种做连续旋转运动的气动执行元件，是博学笃行明德至善(3)(3)控制元件控制元件1）压力控制阀。压力控制阀。压力控制阀分为减压阀、顺序阀、安全阀等。减压阀是气动系统中的压力调节元件。一般情况下，需采用减压阀来得到压力较低并且稳定的供气。图 4-35 直动式减压阀结构图1-手柄 2、3-调压弹簧 4-溢流口 5-膜片 6-阀杆 7-阻尼管 8-阀芯 9-阀座 10-复位弹簧 11-排气孔 当阀处于工作状态时，调节手柄l、调压弹簧2、3及膜片5，通过阀杆6使阀芯8下移，进气阀口被打开，有压气流从左端输入，经阀口节流减压后从右端输出。输出气流的一部分由阻尼管7进入膜片气室，在膜片5的下方产生一个向上的推力，这个推力总是企图把阀口开度关小，(3)控制元件1）压力控制阀。压力控制阀分为减压阀、顺序阀博学笃行明德至善 使其输出压力下降。当作用于膜片上的推力与弹簧力相平衡后，减压阀的输出压力便保持一定。图 4-35 直动式减压阀结构图1-手柄 2、3-调压弹簧 4-溢流口 5-膜片 6-阀杆 7-阻尼管 8-阀芯 9-阀座 10-复位弹簧 11-排气孔 当输入压力发生波动时，如输入压力瞬时升高，输出压力也随之升高，作用于膜片5上的气体推力也随之增大，破坏了原来力的平衡，使膜片5向上移动，有少量气体经溢流口4、排气孔11排出。在膜片上移的同时，因复位弹簧10的作用使输出压力下降，直到新的平衡为止。重新平衡后的输出压力又基本上恢复至原值。反之，输出压力瞬时下降，膜片下移，进气口开度增大，节流作用减小，输出压力又基本上回升至原值。使其输出压力下降。当作用于膜片上的推力与弹簧力相平衡后，减压博学笃行明德至善 2）流量控制阀流量控制阀。流量控制阀是通过改变阀的通流面积来实现流量控制的元件。流量控制阀包括节流阀、单向节流阀、排气节流阀等。图 4-36 节流阀的工作原理工作原理工作原理:压缩空气由P口进入，经过节流后，由A口流出。旋转阀芯螺杆，就可以改变节流口的开度，进而调节压缩空气的流量。2）流量控制阀。图4-36节流阀的工作原理工博学笃行明德至善 3）方向控制阀）方向控制阀。方向控制阀（简称换向阀）通过改变气流通道而使气体流动方向发生变化，从而达到改变气动执行元件运动方向的目的。工业机器人中常用电磁控制换向阀。图 4-37 单电控电磁换向阀的工作原理a）直动式b）先导式 由一个电磁铁的衔铁推动换向阀芯移位的阀称为单电控换向阀。单电控换向阀有直动式和先导式两种。3）方向控制阀。图4-37单电控电磁换向阀的工作博学笃行明德至善 工作原理：工作原理：靠电磁铁和弹簧的相互作用使阀芯换位，实现换向。图示为电磁铁断电状态，由于弹簧的作用导通A、T口通道，封闭P口通道；电磁铁通电时，压缩弹簧导通P、A口通道，封闭T口通道。图 4-37 单电控电磁换向阀的工作原理a）直动式工作原理：图4-37单电控电磁换向阀的工作原理a博学笃行明德至善 工作原理：工作原理：用单电控直动换向阀作为气控主换向阀的先导阀来工作的。图示为断电状态，气控主换向阀在弹簧力的作用下，封闭P口，导通A、T口通道；当先导阀带电时，电磁力推动先导阀芯下移，控制压力P，推动主阀芯右移，导通P、A口通道，封闭T口通道。图 4-37 单电控电磁换向阀的工作原理b）先导式适用于较大通径的场合工作原理：图4-37单电控电磁换向阀的工作原理b博学笃行明德至善 工业机器人工作的稳定性和可靠性依赖于机器人对工作环境的检测，因此需要高性能传感器及各传感器之间的协调工作。4.3 4.3 工业机器人检测装置工业机器人检测装置4.3.1 工业机器人传感器概述工业机器人传感器概述4-38 机器人传感器分布图 传感器将机器人各种内部状态信息和环境信息从信号转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据、信息甚至知识，它与机器人控制系统和决策系统组成机器人的核心。工业机器人工作的稳定性和可靠性依赖于机器人对工作环境博学笃行明德至善 控制器控制器内部传感内部传感外部传感外部传感机器人位置传感器位置传感器速度传感器速度传感器加速度传感器加速度传感器力和压力传感器力和压力传感器微动开关微动开关红外传感器红外传感器接触和视觉传感器接触和视觉传感器接近觉传感器接近觉传感器超声波传感器超声波传感器视觉传感器视觉传感器语音合成器语音合成器内传感器用于测量机器人自身状态测量与机器人作业有关的外部环境常用传感器分类如下：常用传感器分类如下：控制器内部传感外部传感机器人位置传感器速度传感器加速度传感器博学笃行明德至善 机器人内部传感器包括位置和位移传感器、速度传感器等。4.3.2 内部传感器内部传感器4-39 位移传感器的分类 1.1.位置和位移传感器位置和位移传感器 工业机器人关节的位置控制是机器人最基本的控制要求，而对位置和位移的检测也是机器人最基本的感觉要求。位置和位移传感器根据其工作原理和组成的不同有多种形式。机器人内部传感器包括位置和位移传感器、速度传感器等。博学笃行明德至善 电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。1）电位器式位移传感器按照传感器的结构不同，电位器式位移传感器可分为两大类:直线型电位器式位移传感器;旋转型电位器式位移传感器。图4-40 直线型和旋转型电位器式位移传感器电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位博学笃行明德至善 旋转型电位器式位移传感器直线型电位器式位移传感器旋转型电位器式位移传感器直线型电位器式位移传感器博学笃行明德至善 工作台与传感器的沿动触点相连，当工作台左、右移动时，滑动触点也随之左、右移动，从而改变与电阻接触的位置，通过检测输出电压的变化量，确定以电阻中心为基准位置的移动距离。UCC：输入电压 L：触头最大移动距离 x：向左端移动的距离 UOUT:电阻右侧的输出电压 直线型电位器式位移传感器直线型电位器式位移传感器电位器式位移传感器位移和电压关系：图4-41 直线型电位器式位移传感器工作原理工作台与传感器的沿动触点相连，当工作台左、右移动时，博学笃行明德至善 传感器的电阻元件呈圆弧状，滑动触点在电阻元件上做圆周运动。可动触点的另一端固定在圆的中心，并像时针那样回转时，由于电阻值随着回转角的变化而改变，因此可构成角度传感器。旋转型电位器式位移传感器旋转型电位器式位移传感器电位器式位移传感器位移和电压关系：图4-42 直线型电位器式位移传感器工作原理 当输入电压Ucc加在传感器的两个输入端时，传感器的输出电压UOUT，与滑动触点的位置成比例。在应用时，机器人的关节轴与传感器的旋转轴相连，根据测量的输出电压UOUT的数值，即可计算出关节对应的旋转角度。传感器的电阻元件呈圆弧状，滑动触点在电阻元件上做圆博学笃行明德至善 根据测出的信号不同，编码器可分为绝对式和增量式两种。2）光电编码器 利用光电转换原理将旋转信息转换为电信息，并以数字代码输出，可以高精度地测量转角或直线位移。一般装在机器人各关节的转轴上，用来测量各关节转轴转过的角度。图4-43 编码器及内部结构图根据测出的信号不同，编码器可分为绝对式和增量式两种。博学笃行明德至善 是一种直接编码式的测量元件，它可以直接把被测转角或位移转化成相应的代码，指示的是绝对位置而无绝对误差，在电源切断时不会失去位置信息。但其结构复杂、价格昂贵，且不易做到高精度和高分辨率。绝对式光电编码器绝对式光电编码器 绝对式光电编码器主要由多路光源、光敏元件和编码盘组成。编码盘处在光源与光敏元件之间，其轴与电动机轴相连，随电动机的旋转而旋转。图 4-32 4位绝对式光电编码器简图1-编码器 2-轴 3-光敏元件 4-光遮断器 5-光源是一种直接编码式的测量元件，它可以直接把被测转角或位博学笃行明德至善 编码盘上有4个同心圆环码道，整个圆盘又以一定的编码形式（如二进制编码等）分为16等份的扇形区段，如图所示。光电编码器利用光电原理把代表被测位置的各等份上的数码转换成电脉冲信号输出，以用于检测。图 4-33 4位绝对式光电编码器简图 编码盘每转一周产生0000-1111共16个二进制数，对应于转轴的每一个位置均有唯一的二进制编码，因此可用于确定旋转轴的绝对位置。编码盘上有4个同心圆环码道，整个圆盘又以一定的编码形博学笃行明德至善 绝对位置的分辨率（分辨角）a 取决于二进制编码的位数，即码道的个数n。分辨率a的计算公式为图 4-33 4位绝对式光电编码器简图绝对位置的分辨率（分辨角）a取决于二进制编码的位数，博学笃行明德至善 增量式光电编码器能够以数字形式测量出转轴相对于某一基准位置的瞬间角位置，此外还能测出转轴的转速和转向。增量式光电编码器增量式光电编码器图4-34 增量式光电编码器简图1-编码盘2-C 光敏元件 3-AB 光敏元件 4-光遮断器 5-光源 增量式光电编码器主要由光源、编码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成增量式光电编码器能够以数字形式测量出转轴相对于某一基博学笃行明德至善 当编码盘逆时针方向旋转时，A相光栅先于B相光栅透光导通，A相和B相光电元件接受时断时续的光；当顺时针方向旋转时，则相反。图 4-35 增量式光电编码器编码盘 根据A、B相任何一光栅输出脉冲数的多少就可以确定编码盘的相对转角；根据输出脉冲的频率可以确定编码盘的转速；采用适当的逻辑电路，根据A、B相输出脉冲的相序就可以确定编码盘的旋转方向。当编码盘逆时针方向旋转时，A相光栅先于B相光栅透光导博学笃行明德至善 光电编码器的分辨率（分辨角）仅是以编码器轴转动一周所产生的输出信号的基本周期数来表示的，即脉冲数每转(PPR)。图 4-35 增量式光电编码器编码盘 编码盘旋转一周输出的脉冲信号数目取决于透光缝隙数目的多少。假设编码盘的透光缝隙数目为n，则分辨率a的计算公式为光电编码器的分辨率（分辨角）仅是以编码器轴转动一周博学笃行明德至善 2.2.速度传感器速度传感器 速度传感器：测量机器人关节速度。-角速度传感器 角速度传感器：测速发电机、增量光电编码器。图 4-36 直流测速发电机的结构原理1-永久磁铁；2-转子线圈；3-电刷；4-整流子1）测速发电机）测速发电机 把机械转速变换成电压信号，输出电压与输入的转速成正比。U:测速发电机的输出电压(V)；n:为测速发电机的转速；K:为比例系数;2.速度传感器图4-36直流测速发电机的结构原理1博学笃行明德至善 2）增量式光电编码器）增量式光电编码器 增量式光电编码器既可以用来作为位置传感器测量关节相对位置，又可作为速度传感器测量关节速度。(1)模拟方式 在这种方式下，必须采用频率-电压(f/U)变换器，把编码器测得的脉冲频率转换成与速度成正比的模拟电压。(2)数字方式 数字方式测速是指基于数学公式，利用计算机软件计算出速度。若单位时间t内编码器转过的角度，则编码器在该时间段内的平均速度为2）增量式光电编码器增量式光电编码器既可以用来作为位博学笃行明德至善 3）力觉传感器）力觉传感器 力觉传感器是指工业机器人的指、肢和关节等运动中所受力或力矩的感知。目前使用最广泛的是电阻应变片式六维力和力矩传感器，它能同时获取三维空间的三维力和力矩信息，广泛应用于力/位置控制、轴孔配合、轮廓跟踪及双机器人协调等机器人控制领域。图4-37 六维力矩传感器3）力觉传感器力觉传感器是指工业机器人的指、肢和关节等博学笃行明德至善 工业机器人如果感知周围环境，就需要外部传感器，能使具有自校正能力和反映适应环境变化的能力。4.3.3 外部传感器外部传感器 1.1.触觉传感器触觉传感器 触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的关键技术之一。分类：分类：（1）接触觉传感器（2）力-力矩觉传感器（3）压觉传感器（4）滑觉传感器判断机器人（主要指四肢）是否接触到外界物体或测量被接触物体特征工业机器人如果感知周围环境，就需要外部传感器，能使具博学笃行明德至善 2.2.应力传感器应力传感器 应力应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力矩或压力等的作用下发生相应的应变或位移，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量即受力的大小。图4-38 各种电子秤2.应力传感器输出的电量大小反映被测量即受力的大小。图4-博学笃行明德至善 3.3.接近度传感器接近度传感器 接近度传感器是检测物体接近程度的传感器。图4-40 霍耳式传感器霍耳式：它由霍耳元件或磁敏二极管、晶体管构成（见半导体磁敏元件）。当磁敏元件进入磁场时就产生霍耳电动势，从而能检测出引起磁场变化的物体的接近。电涡流式：它由线圈、激励电路和测量电路组成（见电涡流式传感器）。它的线圈受激励而产生交变磁场，当金属物体接近时就会由于电涡流效应而输出电信号。图4-39 电涡流式传感器3.接近度传感器图4-40霍耳式传感器霍耳式：它由霍博学笃行明德至善 接近度传感器应用实例：接近度传感器应用实例：图4-41 接近传感器的应用接近度传感器应用实例：图4-41接近传感器的应用博学笃行明德至善 4.4.视觉传感器视觉传感器 机器视觉系统是一种非接触式的光学传感系统，同时集成软硬件，综合现代计算机、光学、电子技术，能够自动地从所采集到的图像中获取信息或者产生控制动作。图4-42 机器视觉系统4.视觉传感器图4-42机器视觉系统博学笃行明德至善 优点：优点：图4-40机器视觉系统应用（1）可靠性高）可靠性高 非接触测量不仅满足狭小空间装配过程的检测，同时提高了系统安全性。（2）精度高）精度高 可提高测量精度，人工目测受测量人员主观意识的影响，而机器视觉这种精确的测量仪器排除这种干扰，提高了测量结果的准确性。（3）灵活性）灵活性 视觉系统能够进行各种测量。当使用环境变化以后，只需软件做相应变化或者升级以适应新的需求即可。（4）自适应性）自适应性 机器视觉可以不断获取多次运动后的图像信息，反馈给运动控制器，直至最终结果准确，实现自适应闭环控制。优点：图4-40机器视觉系统应用（1）可靠性高非接触测博学笃行明德至善 5.5.其他外部传感器其他外部传感器图4-43 滑觉传感器图4-41 声音传感器图4-42 温度传感器1.1.声觉传感器：声觉传感器：主要用于感受和解释在气体（非接触式感受）、液体或固体（接触式感受）中的声波。2.2.温度传感器：温度传感器：主要用于机器人自主运行时、人不在场时、需要知道温度信号时，对当前环境或物体温度的检测。3.3.温度传感器：温度传感器：滑觉传感器主要检测物体的滑动。当机器人抓住特性未知的物体时，必须确定最适合的握力值。5.其他外部传感器图4-43滑觉传感器图4-41博学笃行明德至善 本章小结 工业机器人控制装置主要硬件和软件两部分组成，其控制系统具有示教再现功能、运动控制功能、示教编程功能。工业机器人驱动装置分为液压驱动装置、气动驱动装置和电动驱动装置三大类，分别介绍不同装置采用的主要设备，以及阐述工业机器人检测装置的内部传感器和外部传感器。本章主要针对工业机器人的控制系统，主要介绍工业机器人的控制装置、驱动装置及检测装置三部分内容。本章小结工业机器人控制装置主要硬件和软件两部