第4章机器人驱动系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章 机器人的驱动系统,4.1,机器人的驱动方式,4.2,液压驱动系统,4.3,气压驱动系统,4.4,电气驱动系统,4.5,新型驱动器,4.1,机器人的驱动方式,4.1.1,概述,优点,:,1,）液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为,25,63kg/cm2),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。,3,）液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制。,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。,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。,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。,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。,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,液压驱动的特点及应用,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。,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。,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，易于实现标准化、系列化和通用化。,不足之处,:,1,）由于空气具有较大的可压缩性，因而运动平稳性较差。,2,）因工作压力低（一般为,0.3,1MPa,），不易获得较大的输出力或力矩。,3,）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。,应用,:,多用于开关控制和顺序控制的机器人中。,气动驱动的特点及应用,优点,:,电气驱动是利用各种电动机产生力和力矩，直接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。,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。,2,）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。,应用,:,电动机使用简单，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,液压驱动,气动驱动,电动驱动,输出功率,很大，压力范围为,50,140N/cm,2,大，压力范围为,48,60N/cm,2,，最大可达,100N/cm,2,较大,控制性能,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，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制,控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂,响应速度,很高,较高,很高,结构性能及体积,结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率,/,质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大,结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率,/,质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小,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装置，除,DD,电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题,液压驱动,气动驱动,电动驱动,安全性,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,防爆性能好，高于,1000kPa(10,个大气压,),时应注意设备的抗压性,设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差,对环境的影响,液压系统易漏油，对环境有污染,排气时有噪声,无,在工业机器人中应用范围,适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人,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，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具,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、速度较高的机器人，如,AC,伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等,效率与成本,效率中等（,0.3,0.6,）；液压元件成本较高,效率低（,0.15,0.2,）气源方便，结构简单，成本低,效率较高（,0.5,左右）成本高,维修及使用,方便，但油液对环境温度有一定要求,方便,较复杂,几种驱动方式的比较,4.1.2,驱动系统性能,1,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变形。,2.,重量、功率,-,重量比和工作压强,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。,4.1.3,驱动系统驱动方式,1,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,X,、,Y,、,Z,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、螺母等传动方式把旋转运动转换成直线运动。,2.,旋转驱动方式,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旋转运动。这种运动的传递和转换必须高效率地完成，并且不能有损于机器人系统所需要的特性，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、同步皮带传动和谐波齿轮等传动方式。,4.2,液压驱动系统,4.2.1,液压伺服系统的组成和特点,1.,液压伺服系统的组成,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。如图所示。,2.,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，从而组成闭环控制系统。,2,）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。,4.2.2,电液伺服系统,1,、电液伺服系统的组成,电液伺服系统通过电气传动方式，将电气信号输入系统来操纵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。,1,电放大器,2,电液伺服阀,3,液压缸,4,机械手手臂,5,齿轮齿条机构,6,电位器,7,步进电机,下图所示为机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图,其具体工作过程如下,：,当数控装置发出一定数量的脉冲时，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的角度,，这是电位器输出电压为,u,，经放大器放大后输出电流,i,，使电液伺服阀产生一定的开口量。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,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。,机械手手臂伸缩运动伺服系统方框图,2.,电液伺服阀的工作原理,（,1,） 原理图 如图为喷嘴挡板式电液伺服阀的工作原理图。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-,永久磁铁,2,、,4-,导磁体,3-,衔铁,5-,挡板,6-,喷嘴,7-,固定节流孔,8-,滤油器,9-,滑阀,10-,阀体,11-,反馈弹簧杆,12-,弹簧管,13-,线圈,（,2,）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,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时，挡板处于中间位置,零位，与两喷嘴之距均为,x0,，此时两喷嘴控制腔的压力,P1,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,PL(PL=P1-P2),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,),，有四个节流口,(,两个固定节流孔和两个可变节流孔,),，是一种全桥结构。,（,3,）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。喷嘴挡板阀常用作多级放大伺服控制元件中的前置级。,4.2.3,电液比例控制阀,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给定元件。如图为比例电磁铁结构图 。,1,轭铁,2,线圈,3,限位环,4,隔磁环,5,壳体,6,内盖,7,盖,8,调节螺钉,9,弹簧,10,衔铁,11(,隔磁,),支承环,12,导向套,2,电液比例溢流阀,用比例电磁铁取代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。,a,）结构图,b,）符号,1-,阀座,2-,先导锥阀,3-,轭铁,4-,衔铁,5-,弹簧,6-,推杆,7-,线圈；,8-,弹簧,9-,先导阀,先导型比例溢流阀的工作原理简图,3.,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，如图 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行程控制比例电磁铁。位移传感器能准确地测定电磁铁的行程，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方向节流阀,4.2.4,摆动缸,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,360,的摆动运动。图（,a,）所示为单叶片式摆动缸,它的摆动角度较大,可达,300,，当摆动缸进出油口压力为,P1,和,P2,输入流量为,q,时,它的输出转矩,T,和角速度,为：,（,4.1,）,（,4.2,）,式中,b,叶片的宽度；,R1,、,R2,叶片底部、顶部的回转半径,图,4.10,（,b,）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,而输出角度是单叶片式的两倍。,4.3,气压驱动系统,4.3.1,气压驱动回路,1,气压驱动回路的组成,气压驱动回路主要由,气源装置、执行元件、控制元件,及,辅助元件,四部分组成。,2,气压驱动回路工作原理,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。,结构原理图,工作原理图,4.3.2,气源装置,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进行净化。,1.,空气压缩机,空气压缩机按其压力大小分为低压（,0.2,1.0MPa,）、中压（,1.0,10MPa,）、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。,1-,排气阀,2-,汽缸,3-,活塞,4-,活塞杆,5,、,6-,十字头与滑道,7-,连杆,8-,曲柄,9-,吸气阀,10-,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：,当活塞,3,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下进入气缸,2,内，这个过程称为“吸气过程”。,当活塞向左移动时，吸气阀,9,在缸内压缩气体的作用下关闭，缸内气体被压缩，这个过程称为“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,1,被打开，压缩空气进入输气管道，这个过程称为“排气过程”。,2.,气源净化装置,气源净化装置包括后冷却器、油水分离器、储气罐、干燥器、过滤器等。,（,1,）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,150,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。,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,套管式冷却器,（,2,）油水分离器,油水分离器主要是用来压缩空气中凝聚的水分、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。,撞击折回式油水分离器,（,3,）储气罐,储气罐的主要作用是：,1,）储存一定数量的压缩空气，以备发生故障或临时需要应急使用。,2,）消除由于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。,立式储气罐结构图,贮气罐一般采用圆筒状焊接结构，有立式和卧式两种，以立式居多。高度为其直径的,2,3,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,V,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,:,当,Q,6.0m3/min,时，取,V=0.2Q( m3),当,Q=6.0,30 m3/min,时，取,V=0.15Q( m3),当,Q,30 m3/min,时，取,V=0.1Q( m3),（,4,）干燥器,经过后冷却器、油水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,1,进入干燥器，通过吸附剂,21,、过滤网,20,、上栅板,19,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,15,，下栅板,14,和过滤网,12,，干燥、洁净的压缩空气便从输出管,8,排出。,1,湿空气进气管,2,顶盖,3,、,5,、,10,法兰,4,、,6,再生空气排气管,7,再生空气进气管,8,干燥空气输出管,9,排水管,11,、,22,密封座,12,、,15,、,20,钢丝过虑网,13,毛毡,14,下栅板,16,、,21,吸附剂层,17,支撑板,18,筒体,19,上栅板,5,）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,5070%,）；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。,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。,1,10,蜜孔网,2280,目细铜丝网,3,焦碳,4,硅胶等,4.3.3,气动驱动器,1.,气缸,气缸是气动系统的执行元件之一。,2.,气动马达,气动马达也是气动执行元件的一种。它的作用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,）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。,（,2,）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,310,个叶片的转子，偏心安装在定子内，转子两侧有前后盖板，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 。,4.4,电气驱动系统,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。,机器人对关节驱动电机的要求如下,：,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，能使用于,1,：,1000,10000,的调速范围。,5,）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。,工业机器人电动机驱动原理图,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,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应用，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。,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，无换向火花，故在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。,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。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。,4.4.1,步进电机驱动,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。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。,1.,步进电机工作原理,如图所示为步进电机工作的基本原理,步进电机的定子上有两组线圈和一对永久磁铁作为转子，当给定子线圈加电时永磁转子（或磁阻式步进电机中的软铁心转子）将旋转到与定子磁场一致的方向，如,图,a,所示。除非磁场旋转，否则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，转子将再次转至和新磁场方向一致的方向，如,图,b,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，经过四步就使转子转回到原来的初始位置 。,在第一部结束时，不是切断第一组线圈并接通第二组线圈，而是接通两组线圈的电源。此时，转子将仅旋转,45,度，和最小磁阻方向一致，如,图,c,所示。,按照力矩产生原理分类,激磁式 反应式 混合式,按照定子数目分类,单定子 双定子 多定子,按照定子励磁相数分类,三相 四相 五相 六相,按照各相绕组的分布规律分类,径向分相,(,垂轴式,),轴向分相,(,顺轴式,),2,步进电机常用类型,三相反应式步进电动机单三拍方式工作原理图,4.4.2,直流伺服电动机驱动,机器人对直流伺服电机的基本要求,：,宽广的调速范围,机械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）,快速响应好,1.,直流伺服电机的特点,（,1,）稳定性（,2,）可控性好（,3,）响应迅速,（,4,）控制功率低，损耗小（,5,）转矩大,2.,直流伺服电机的分类及结构,（,1,）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 ，分为串砺式、并励式和他励式。,直流伺服电动机按其电枢结构形式不同，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）。,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，控制性能优于其他直流伺服电机，效率高，输出转矩大）。,3,）杯型电枢永磁直流电机（空心杯转子，转子转动惯量小，适用于增量运动伺服系统）。,4,）无刷直流伺服电机（定子为多相绕组，转子为永磁式，可带转子位置传感器，无火花干扰，寿命长，噪声低）。,（,2,）结构,如图为电磁式直流伺服电动机结构，其中包括三个主要部分。,1,）定子：定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电机可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电流便产生恒定磁场。,2,）转子：又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。,3,）电刷和换向片：为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。,3.,直流伺服电动机调试的方法,在电枢控制方式下，直流伺服电机的主要静态特性是机械特性和调节特性。,（,1,）机械特性,直流伺服电机的机械特性公式如下：,n,0,电机的理想空载转速；,R,电枢电阻；,C,e,直流电机电动势结构常数,磁通；,T,转矩；,C,T,转矩结构常数,直流电机机械特性,直流电机调节特性,4.4.3,交流伺服电动机驱动,直流伺服电动的缺点,1),接触式换向器不但结构复杂、制造费时、价格昂贵，而且运行中容易产生火花，以及换向器的机械强度不高，电刷易于磨损等，需要经常维护检修,2),对环境的要求比较高，不适用于化工、矿山等周围环境中有粉尘、腐蚀性气体和易爆易燃气体的场合。,交流伺服电动的优点,结构简单、制造方便、价格低廉。坚固耐用、惯量小、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等。,交流伺服电机的分类,交流伺服电机分为两种：同步型和感应型。,（,1,）异步型交流电机,异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。,（,2,）同步型交流电机,同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。,2.,异步交流伺服电机的基本原理,1,）转子导条切割旋转磁场磁力线，产生感应电势，使转子导条有电流流过。,2,）有电流流过的导条在磁场中受到的电磁力对转轴形成电磁力矩，使转子跟着旋转磁场转动。,3,）转子的转动方向与磁铁的转动方向相同，转子转速与磁铁的转速成正比。,4,）由于转子自身阻转矩以及负载阻转矩的影响，转子的转速要小于磁铁转动转速，故称异步电动机。,异步交流电机工作原理图,异步交流电机结构图,3.,交流伺服电机的调速方法,异步交流电机转速的基本公式：,其中：,n,电动机转速，单位,r/min,；,f,电源电压频率，单位：,Hz,；,p,电动机磁极对数；,s,转差率，,S=n,0,-n/n,0,n,0,电动机定子旋转磁场转速（同步转速），单位：,r/min,；,由上式可见，改变异步电动机转速的方法有三种：,1,）改变极对数,P,但一般交流电动机磁极对数不能改变，磁极对数可变的电动机称为多速电动机。因为磁极对数只能成对出现，所以转速只能成倍改变，因此只能实现有级变速，速度不能平滑调节。,2,）改变转差率,S,适合于绕线式异步电动机。在转子绕组回路中串入电阻使电动机机械特性变软，转差率增大。串入的电阻越大，转速越低，但调速范围窄，不易控制。,3,）改变交流频率,f,目前高性能的调试系统大多采用变频调试，能够实现宽范围的无级调速，且转速与频率成正比。,4,变频调速,（,1,）原理及构成,主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。,（,2,）优点,1,）电机运行平稳。采用变频调速，可使电机的工作磁场接近圆形旋转磁场。,2,）较高的效率和功率因数。采用变频调速可使电机的转差率很小，损耗小、效率较高,3,）调速范围宽：频率可以在低于和高于电源频率的范围内调节。,4,）开环精度较高：采用数字控制时，变频调速能够得到较高的开环控制精度。,（,3,）分类,1,）按变换的环节分类,交,-,直,-,交变频器 ； 交,-,交变频器,2,）按直流电源性质分类,电压型变频器 ； 电流型变频器,3,）按主电路工作方法可分为电压型变频器、电流型变频器。,4,）按照工作原理分类可以分为,V/f,控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等。,5,）按照变频调压方法可以分为,PAM,控制变频器、,PWM,控制变频器和高载频,PWM,控制变频器。,6,）按照用途分类,可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低等方式分类。,4.5,新型驱动器,4.5.1,压电驱动器,压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。,压电驱动器是利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，实现微量位移的执行装置。压电材料具有很多优点：易于微型化、控制方便、低压驱动、对环境影响小以及无电磁干扰等。,如图是一种典型的应用于微型管道机器人的,足式压电微执行器,，有一个压电双晶薄片及其上两侧分别贴置的两片类鳍型弹性体足构成。压电双晶片在电压信号作用下产生周期性的定向弯曲，将使弹性体与管道两侧接触处的动态摩擦力不同，从而推动执行器向前运动。,4.5.2,形状记忆合金驱动器,1.,形状记忆合金的定义及特点,定义：,状记忆合金是一种特殊的合金，一旦使它记忆了任何形状，即使产生变形，但当加热到某一适当温度时，它就能恢复到变形前的形状。利用这种驱动器的技术即为形状记忆合金驱动技术。,特点：,1,）变形量大。,2,）变位方向自由度大。,3,）变位可急剧发生。,应用：,它具有位移较大、功率重量比高、变位迅速、方向自由的特点。特别适用于小负载高速度、高精度的机器人装配作业、显微镜内样品移动装置、反应堆驱动装置、医用内窥镜、人工心脏、探测器、保护器等产品上。,2,形状记忆合金驱动器的特点,优点：,形状记忆合金微驱动器除具有高的功率,/,重量比这一特点外，它还具有结构简单、无污染、无噪声、具有传感功能，便于控制等特点,缺点,：,形状记忆合金微驱动器在使用中主要存在两个问题，即效率较低、疲劳寿命较短。,右图为具有相当于肩、肘、臂、腕、指,5,个自由度的微型机器人的结构示意图。手指和手腕靠,SMA,（,NiTi,合金）线圈的伸缩、肘和肩靠直线状,SMA,丝的伸缩分别，实现开闭和屈伸动作。每个元件由微型计算机控制，通过由脉冲宽度控制的电流调节位置和动作速度。由于,SMA,丝很细（,0.2mm,）因而动作很快。,4.5.3,磁致伸缩驱动器,1,超磁致伸缩材料,2,预压弹簧,3,输出杆,4,压盖,5,激励线圈,6,铜管,某些磁性体的外部一旦加上磁场则磁性体的外形尺寸会发生变化，利用这种现象制作的驱动器称为磁致伸缩驱动器。,1972,年，,clark,等首先发现,laves,相稀土,-,铁化合物,RFe2(R,代表稀土元素,Tb,Dy,Ho,Er,Sm,及,Tm,等,),的磁致伸缩在室温下是,Fe,Ni,等传统磁致伸缩材料的,100,倍，这种材料称为超磁致伸缩材料。从那是起，对磁致伸缩效应的研究才再次引起了学术界和工业界的注意。超磁致伸缩材料的伸缩效应变大，机电耦合的系数高，响应速度快，输出力大等特点，因此，它的出现为新型驱动器的研制与开发又提供了一种行之有效的方法，并引起了国际上的极大关注。如图 为超磁致伸缩驱动器结构简图。,4.5.4,超声波电动机,1.,超声波电机的定义和特点,超声波电机,(Ultrasonic Motor,，简称为,USM),，是,20,世纪,80,年代中期发展起来的一种全新概念的新型驱动装置，它利用压电材料的逆压电效应，将电能转换为弹性体的超声振动，并将摩擦传动转换成运动体的回转或直线运动。,与传统电磁式电机相比，超声波电机具有以下特点：,1,）转矩,/,质量比大，结构简单、紧凑；,2,）低速大转矩，无需齿轮减速机构，可实现直接驱动；,3,）动作响应快,(,毫秒级,),，控制性能好；,4,）断电自锁；,5,）不产生磁场，也不受外界磁场干扰；,6,）运行噪声小；,7,）摩擦损耗大，效率低，只有,10%40%,；,8,）输出功率小，目前实际应用的只有,10W,左右；,9,）寿命短，只有,10005000h,，不适合连续工作。,2.,超声波电机的分类,1,）按自身形状和结构可分为：圆盘或环形，棒状或杆状及平板型。,2,）按功能分可分为：旋转型，直线移动性和球型。,3,）按按动作方式分为：行波型和驻波型。,环形行波型,USM,的定子和转子,环形,USM,装配图,超声波电机驱动电路框图,4.5.5,人工肌肉驱动器,随着机器人技术的发展，驱动器从传统的电机,-,减速器的机械运动方式，发展为骨架,-,腱,-,肌肉的生物运动方式。为了使机器人手臂能完成比较柔顺的作业任务，实现骨骼,-,肌肉的部分功能而研制的驱动装置称为人工肌肉驱动器。,现在已经研制出了多种不同类型的人工肌肉，例如利用机械化学物质的高分子凝胶、形状记忆合金（,SMA,）制作的人工肌肉。应用的最多的还是气动人工肌肉（,Pneumatic Muscle Actuators,）。,如图所示为英国,Shadow,公司的,Mckibben,型气动人工肌肉安装位置示意图。其传动方式采用人工腱传动。所有手指由柔索驱动，而人工肌肉则固定于前臂上，柔索穿过手掌与人工肌肉相连。驱动手腕动作的人工肌肉固定于大臂上。,