第4章機器人驅(qū)動系統(tǒng)

1、第4章 機器人的驅(qū)動系統(tǒng)v4.1 機器人的驅(qū)動方式v4.2 液壓驅(qū)動系統(tǒng)v4.3 氣壓驅(qū)動系統(tǒng)v4.4 電氣驅(qū)動系統(tǒng)v4.5 新型驅(qū)動器4.1 4.1 機器人的驅(qū)動方式機器人的驅(qū)動方式4.1.1 概述優(yōu)點優(yōu)點:1）液壓容易達到較高的單位面積壓力（常用油壓為2563kg/cm2),體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩。2）液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度。3）液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制。4）液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機械效率，使用壽命長。不足之處不足之處:1）油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆

2、炸等危險。2）液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價較高。3）需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置，否則會引起故障。應(yīng)用應(yīng)用: 液壓驅(qū)動方式的輸出力和功率更大，能構(gòu)成伺服機構(gòu)，常用于大型機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動液壓驅(qū)動的特點及應(yīng)用液壓驅(qū)動的特點及應(yīng)用 優(yōu)點優(yōu)點:1）以空氣為工作介質(zhì)，不僅易于取得，而且用后可直接排入大氣，處理方便，也不污染環(huán)境。2）因空氣的粘度很小（約為油的萬分之一），在管道中流動時的能量損失很小，因而便于集中供氣和遠距離輸送，氣動動作迅速，調(diào)節(jié)方便，維護簡單，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補充等問題。3）工作環(huán)境適應(yīng)性好，無論在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射

3、、振動等惡劣環(huán)境中，還是在食品加工、輕工、紡織、印刷、精密檢測等高凈化、無污染場合，都具有良好的適應(yīng)性，且工作安全可靠，過載時能自動保護。4）氣動元件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，壽命長，易于實現(xiàn)標準化、系列化和通用化。 不足之處不足之處:1）由于空氣具有較大的可壓縮性，因而運動平穩(wěn)性較差。2）因工作壓力低（一般為0.31MPa），不易獲得較大的輸出力或力矩。3）有較大的排氣噪聲。4）由于濕空氣在一定的溫度和壓力條件下能在氣動系統(tǒng)的局部管道和氣動元件中凝結(jié)成水滴，促使氣動管道和氣動元件腐蝕和生銹，導致氣動系統(tǒng)工作失靈。 應(yīng)用應(yīng)用: 多用于開關(guān)控制和順序控制的機器人中。 氣動驅(qū)動的特點及應(yīng)用氣動驅(qū)動的特點及

4、應(yīng)用 優(yōu)點優(yōu)點: 電氣驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生力和力矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)，從而獲得機器人的位置、速度和加速度。因省去中間的能量轉(zhuǎn)換過程，因此比液壓和氣壓驅(qū)動的效率高，且具有無環(huán)境污染、易于控制、運動精度高、成本低等優(yōu)點。應(yīng)用最廣泛。 分類特點分類特點:1）普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。伺服電動機和步進電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。2）交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。功率在1KW以

5、下的機器人多采用電機驅(qū)動。 應(yīng)用應(yīng)用: 電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，電機性能也逐漸提高。所以總的看來，目前機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動逐漸為電動式所代替 。電氣驅(qū)動的特點及應(yīng)用電氣驅(qū)動的特點及應(yīng)用 液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電動驅(qū)動輸出功率很大，壓力范圍為50140N/cm2大，壓力范圍為4860N/cm2，最大可達100N/cm2較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)

6、復雜響應(yīng)速度很高較高很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小伺服電動機易于標準化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電動驅(qū)動安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易

7、漏油，對環(huán)境有污染排氣時有噪聲無在工業(yè)機器人中應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等效率與成本效率中等（0.30.6）；液壓元件成本較高效率低（0.150.2）氣源方便，結(jié)構(gòu)簡單，成本低效率較高（0.5左右）成本高維修及使用方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求方便較復雜幾種驅(qū)動方式的比較 4.1.2 驅(qū)動系統(tǒng)性能1剛度和

8、柔性剛度和柔性 剛度是材料對抗變形的阻抗，他可以是梁在負載作用下抗彎曲的剛度，或汽缸中氣體在負載作用下抗壓縮的阻抗，甚至是瓶中的酒在木塞作用下抗壓縮的阻抗。系統(tǒng)的剛度越大，則使它變形所須的負載也越大。相反，系統(tǒng)柔性越大，則在負載作用下就越容易變形。2. 重量、功率重量、功率-重量比和工作壓強重量比和工作壓強 驅(qū)動系統(tǒng)的重量以及功率-重量比至關(guān)重要，例如電子系統(tǒng)的功率-重量比屬中等水平。在同樣功率情況下，步進機通常比伺服電機要重，因此它具有較低的功率-重量比。電機的電壓越高，功率-重量比越高。氣動功率-重量比最低，而液壓系統(tǒng)具有最高的功率-重量比。4.1.3 驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動方式1直線驅(qū)動方式直線驅(qū)

9、動方式 機器人采用的直線驅(qū)動包括直角坐標機構(gòu)的X、Y、Z向驅(qū)動，圓柱坐標結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動和垂直升降驅(qū)動，以及球坐標結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動。直線運動可以直接由氣缸或液壓缸和活塞產(chǎn)生，也可以采用齒輪齒條、絲杠、螺母等傳動方式把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。2. 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式 多數(shù)普通電機和伺服電機都能夠直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，但其輸出力矩比所需要的力矩小，轉(zhuǎn)速比所需要的轉(zhuǎn)速高。因此，需要采用各種傳動裝置把較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低的轉(zhuǎn)速，并獲得較大的力矩。有時也采用直線液壓缸或直線氣缸作為動力源，這就需要把直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。這種運動的傳遞和轉(zhuǎn)換必須高效率地完成，并且不能有損于機器人系統(tǒng)所需要的特性，特別

10、是定位精度、重復精度和可靠性。運動的傳遞和轉(zhuǎn)換可以選擇齒輪鏈傳動、同步皮帶傳動和諧波齒輪等傳動方式。4.2 4.2 液壓驅(qū)動系統(tǒng)液壓驅(qū)動系統(tǒng)4.2.1 液壓伺服系統(tǒng)的組成和特點1. 液壓伺服系統(tǒng)的組成液壓伺服系統(tǒng)的組成 液壓伺服系統(tǒng)有液壓源、驅(qū)動器、伺服閥、傳感器和控制器等組成。如圖所示。2. 液壓伺服控制系統(tǒng)的工作特點液壓伺服控制系統(tǒng)的工作特點1）在系統(tǒng)的輸出和輸入之間存在反饋連接，從而組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。2）系統(tǒng)的主反饋是負反饋。3）系統(tǒng)的輸入信號的功率很小，而系統(tǒng)的輸出功率可以達到很大。4.2.2 電液伺服系統(tǒng)1、電液伺服系統(tǒng)的組成、電液伺服系統(tǒng)的組成 電液伺服系統(tǒng)通過電氣傳動方式，將電氣

11、信號輸入系統(tǒng)來操縱有關(guān)的液壓控制元件動作，控制液壓執(zhí)行元件，使其跟隨輸入信號而動作。這類伺服系統(tǒng)中，電液兩部分都采用電液伺服閥作為轉(zhuǎn)換元件。1電放大器 2電液伺服閥 3液壓缸 4機械手手臂 5齒輪齒條機構(gòu) 6電位器 7步進電機下圖所示為機械手手臂伸縮運動的電液伺服系統(tǒng)原理圖 其具體工作過程如下： 當數(shù)控裝置發(fā)出一定數(shù)量的脈沖時，步進電機就會帶動電位器的動觸頭轉(zhuǎn)動。假設(shè)此時順時針轉(zhuǎn)過一定的角度，這是電位器輸出電壓為u，經(jīng)放大器放大后輸出電流i，使電液伺服閥產(chǎn)生一定的開口量。這時，電液伺服閥處于左位，壓力油進入液壓缸左腔，活塞桿右移，帶動機械手手臂右移，液壓缸右腔的油液經(jīng)電液伺服閥返回油箱。此時，

12、機械手手臂上的齒條帶動齒輪也順時針移動，當其轉(zhuǎn)動角度時，動觸頭回到電位器的中位，電位器輸出電壓為零，相應(yīng)放大器輸出電流為零，電液伺服閥回到中位，液壓油路被封鎖，手臂即停止運動。當數(shù)控裝置發(fā)出反向脈沖時，步進電動機逆時針方向轉(zhuǎn)動，和前面正好相反，機械手就會手臂縮回。機械手手臂伸縮運動伺服系統(tǒng)方框圖 2. 電液伺服閥的工作原理電液伺服閥的工作原理（1） 原理圖 如圖為噴嘴擋板式電液伺服閥的工作原理圖。噴嘴擋板式電液伺服由電磁和液壓兩部分組成，電磁部分是一個動鐵式力矩馬達，液壓部分為兩級。第一級是雙噴嘴擋板閥，稱前置級（先導級）；第二級是四邊滑閥，稱功率放大級（主閥）。1-永久磁鐵 2、4-導磁體

13、3-銜鐵 5-擋板 6-噴嘴 7-固定節(jié)流孔 8-濾油器9-滑閥 10-閥體 11-反饋彈簧桿 12-彈簧管 13-線圈 （2）前置級工作原理 由雙噴嘴擋板閥構(gòu)成的前置級如圖所示，它由兩個固定節(jié)流孔、兩個噴嘴和1個擋板組成。兩個對稱配置的噴嘴共用一個擋板，擋板和噴嘴之間形成可變節(jié)流口，擋板一般由扭軸或彈簧支承，且可繞支點偏轉(zhuǎn)，擋板的由力矩馬達驅(qū)動。當擋板上沒有作用輸入信號時，擋板處于中間位置零位，與兩噴嘴之距均為x0，此時兩噴嘴控制腔的壓力P1與P2相等。當擋板轉(zhuǎn)動時，兩個控制腔的壓力一邊升高，另一邊降低，就有負載壓力PL(PL=P1-P2)輸出。雙噴嘴擋板閥有四個通道(一個供油口，一個回油口

14、和兩個負載口)，有四個節(jié)流口(兩個固定節(jié)流孔和兩個可變節(jié)流孔)，是一種全橋結(jié)構(gòu)。（3）噴嘴擋板閥特點 噴嘴擋板閥的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，運動部件慣性小，反應(yīng)快，精度和靈敏度高；缺點是無功損耗大，抗污染能力較差。噴嘴擋板閥常用作多級放大伺服控制元件中的前置級。4.2.3 電液比例控制閥 電液比例閥是一種按輸入的電氣信號連續(xù)地、按比例地對油液的壓力、流量或方向進行遠距離控制的閥。電液比例控制閥可以分為電液比例壓力閥（如比例溢流閥、比例減壓閥等）、電液比例流量閥（如比例調(diào)速閥）和電液比例方向閥（如比例換向閥）三大類。 1. 比例電磁鐵比例電磁鐵 比例電磁鐵是一種直流電磁鐵，與普通換向閥用電磁鐵的

15、不同主要在于，比例電磁鐵的輸出推力與輸入的線圈電流基本成比例。這一特性使比例電磁鐵可作為液壓閥中的信號給定元件。如圖為比例電磁鐵結(jié)構(gòu)圖 。1軛鐵 2線圈 3限位環(huán) 4隔磁環(huán) 5殼體 6內(nèi)蓋 7蓋 8調(diào)節(jié)螺釘9彈簧 10銜鐵 11(隔磁)支承環(huán) 12導向套2電液比例溢流閥電液比例溢流閥 用比例電磁鐵取代先導型溢流閥導閥的手調(diào)裝置（調(diào)壓手柄），便成為先導型比例溢流閥，如圖所示。 a）結(jié)構(gòu)圖 b）符號1-閥座 2-先導錐閥 3-軛鐵 4-銜鐵 5-彈簧 6-推桿 7-線圈；8-彈簧 9-先導閥先導型比例溢流閥的工作原理簡圖 3. 比例方向節(jié)流閥比例方向節(jié)流閥 用比例電磁鐵取代電磁換向閥中的普通電磁鐵

16、，便構(gòu)成直動型比例方向節(jié)流閥，如圖 所示。由于使用了比例電磁鐵，閥芯不僅可以換位，而且換位的行程可以連續(xù)地或按比例地變化，因而連通油口間的通流面積也可以連續(xù)地或按比例地變化，所以比例方向節(jié)流閥不僅能控制執(zhí)行元件的運動方向，而且能控制其速度。 部分比例電磁鐵前端還附有位移傳感器（或稱差動變壓器），這種比例電磁鐵稱為行程控制比例電磁鐵。位移傳感器能準確地測定電磁鐵的行程，并向放大器發(fā)出電反饋信號。電放大器將輸入信號和反饋信號加以比較后，再向電磁鐵發(fā)出糾正信號以補償誤差，因此閥芯位置的控制更加精確。帶位移傳感器的直動型比例方向節(jié)流閥 4.2.4 擺動缸 擺動式液壓缸也稱擺動馬達。當它通入壓力油時，它

17、的主軸輸出小于360的擺動運動。圖（a）所示為單葉片式擺動缸,它的擺動角度較大,可達300，當擺動缸進出油口壓力為P1和P2,輸入流量為q時,它的輸出轉(zhuǎn)矩T和角速度為：（4.1）（4.2） 式中b葉片的寬度；R1、R2葉片底部、頂部的回轉(zhuǎn)半徑 圖4.10（b）所示為雙葉片式擺動缸,它的擺動角度和角速度為單葉片式的一半,而輸出角度是單葉片式的兩倍。4.3 4.3 氣壓驅(qū)動系統(tǒng)氣壓驅(qū)動系統(tǒng)4.3.1 氣壓驅(qū)動回路1氣壓驅(qū)動回路的組成氣壓驅(qū)動回路的組成 氣壓驅(qū)動回路主要由氣源裝置、執(zhí)行元件、控制元件及輔助元件四部分組成。2氣壓驅(qū)動回路工作原理氣壓驅(qū)動回路工作原理如圖為典型的氣壓驅(qū)動回路氣動剪切機系統(tǒng)

18、的工作原理圖。結(jié)構(gòu)原理圖工作原理圖4.3.2 氣源裝置 氣源裝置由兩部分組成，一是空氣壓縮機把大氣壓狀態(tài)下的空氣升壓提供給氣壓傳動系統(tǒng)，二是氣源凈化裝置將空氣壓縮機所提供的含有大量雜質(zhì)的壓縮空氣進行凈化。1. 空氣壓縮機空氣壓縮機 空氣壓縮機按其壓力大小分為低壓（0.21.0MPa）、中壓（1.010MPa）、高壓（10MPa）三類；按工作原理為容積式（通過縮小單位質(zhì)量氣體體積的方法獲得壓力）和速度式（通過提高單位質(zhì)量氣體的速度并使動能轉(zhuǎn)化為壓力能來獲得壓力）。 常見容積式空氣壓縮機按其結(jié)構(gòu)分為：活塞式、葉片式和螺桿式，其中最常用的是活塞式。常見的速度式空氣壓縮機按結(jié)構(gòu)分為：離心式、軸流式和混

19、流式等。所謂容積式是周期第改變氣體容積的方法，即通過縮小氣體的體積，使單位體積內(nèi)的氣體分子的密度增加，形成壓縮空氣。而速度式則是先讓氣體分子得到一個很高的速度，然后又讓它停滯下來，將動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，是其他的壓力提高。1-排氣閥 2-汽缸 3-活塞 4-活塞桿 5、6-十字頭與滑道 7-連桿 8-曲柄 9-吸氣閥 10-彈簧 下圖為往復活塞式空氣壓縮機工作原理圖，其工作過程如下： 當活塞3向右運動時，左腔壓力低于大氣壓力，吸氣閥9被打開，空氣在大氣壓力作用下進入氣缸2內(nèi)，這個過程稱為“吸氣過程”。 當活塞向左移動時，吸氣閥9在缸內(nèi)壓縮氣體的作用下關(guān)閉，缸內(nèi)氣體被壓縮，這個過程稱為“壓縮過程”。

20、 當氣缸內(nèi)空氣壓力增高到略高于輸氣管內(nèi)壓力后，排氣閥1被打開，壓縮空氣進入輸氣管道，這個過程稱為“排氣過程”。 2. 氣源凈化裝置氣源凈化裝置氣源凈化裝置包括后冷卻器、油水分離器、儲氣罐、干燥器、過濾器等。（1）后冷卻器 后冷卻器安裝在空氣壓縮機出口處的管道上，它對150左右的壓縮空氣降溫降到4050 ，并使混入壓縮空氣的水汽和油氣凝聚成水滴和油滴。 后冷卻器按結(jié)構(gòu)形式分有蛇管式、列管式、散熱片式和管套式；按冷卻方式分有風冷式和水冷式。列管式冷卻器套管式冷卻器（2）油水分離器 油水分離器主要是用來壓縮空氣中凝聚的水分、油分和灰塵等雜質(zhì)，是壓縮空氣得到初步凈化。其按結(jié)構(gòu)形式分有環(huán)形回轉(zhuǎn)式、撞擊折

21、回式、離心旋轉(zhuǎn)式、水浴式及以上形式的組合等。 當壓縮空氣由入口進入分離器殼體后，氣流先受到隔板阻擋而被撞擊折回向下（見圖中箭頭所示流向）；之后又上升產(chǎn)生環(huán)形回轉(zhuǎn)。這樣凝聚在壓縮空氣中的油滴、水滴等雜質(zhì)受慣性力作用而分離析出，沉降于殼體底部，由放水閥定期排出。撞擊折回式油水分離器 （3）儲氣罐儲氣罐的主要作用是：1）儲存一定數(shù)量的壓縮空氣，以備發(fā)生故障或臨時需要應(yīng)急使用。2）消除由于空氣壓縮機斷續(xù)排氣而對系統(tǒng)引起的壓力脈動，保證輸出氣流的連續(xù)性和平穩(wěn)性。3）進一步分離壓縮空氣中的油、水等雜質(zhì)。 立式儲氣罐結(jié)構(gòu)圖 貯氣罐一般采用圓筒狀焊接結(jié)構(gòu)，有立式和臥式兩種，以立式居多。高度為其直徑的23倍，同

22、時應(yīng)使進氣管在下，出氣管在上，并盡可能加大兩管之間的距離，以利于進一步分離空氣中的油水。 在選擇儲氣罐的容積V時，一般都是以空氣壓縮機每分鐘的排氣量Q為依據(jù)選擇的。即:當Q6.0m3/min時，取V=0.2Q( m3)當Q=6.030 m3/min時，取V=0.15Q( m3)當Q30 m3/min時，取V=0.1Q( m3)（4）干燥器 經(jīng)過后冷卻器、油水分離器和貯氣罐后得到初步凈化的壓縮空氣，已滿足一般氣壓傳動的需要。但壓縮空氣中仍含一定量的油、水以及少量的粉塵。如果用于精密的氣動裝置、氣動儀表等，上述壓縮空氣還必須進行干燥處理。壓縮空氣干燥方法主要采用吸附法和冷卻法。如圖為吸附式干燥器結(jié)

23、構(gòu)圖，其外殼呈筒形，其中分層設(shè)置柵板、吸附劑、濾網(wǎng)等。濕空氣從管1進入干燥器，通過吸附劑21、過濾網(wǎng)20、上柵板19和下部吸附層16后，因其中的水分被吸附劑吸收而變得很干燥。然后，再經(jīng)過銅絲網(wǎng)15，下柵板14和過濾網(wǎng)12，干燥、潔凈的壓縮空氣便從輸出管8排出。1濕空氣進氣管 2頂蓋 3、5、10法蘭 4、6再生空氣排氣管 7再生空氣進氣管 8干燥空氣輸出管 9排水管 11、22密封座 12、15、20鋼絲過慮網(wǎng) 13毛氈 14下柵板 16、21吸附劑層 17支撐板 18筒體 19上柵板5）過濾器 過濾器的作用是進一步濾除壓縮空氣中的雜質(zhì)。常用的過濾器有一次性過濾器（也稱簡易過濾器，濾灰效率為5

24、070%）；二次過濾器（濾灰效率為7099%）。在要求高的特殊場合，還可使用高效率的過濾器。 如圖所示為一種一次性過濾器，氣流由切線方向進入筒內(nèi)，在離心力的作用下分離出液滴，然后氣體由下而上通過多片鋼板、毛、氈、硅膠、焦炭、濾網(wǎng)等過濾吸附材料，干燥清潔的空氣從筒頂輸出。110蜜孔網(wǎng) 2280目細銅絲網(wǎng) 3焦碳 4硅膠等4.3.3 氣動驅(qū)動器1. 1. 氣缸氣缸氣缸是氣動系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一。2. 2. 氣動馬達氣動馬達氣動馬達也是氣動執(zhí)行元件的一種。它的作用相當于電動機或液壓馬達。即輸出力矩，拖動機構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運動。（1）氣動馬達的分類氣馬達按結(jié)構(gòu)形式可分為：葉片式氣馬達、活塞式氣馬達和齒輪式氣馬達

25、等。 （2）氣動馬達工作原理 如圖為葉片式氣動馬達。與液壓葉片馬達相似，主要包括一個徑向裝有310個葉片的轉(zhuǎn)子，偏心安裝在定子內(nèi)，轉(zhuǎn)子兩側(cè)有前后蓋板，葉片在轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)可徑向滑動，葉片底部通有壓縮空氣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動是靠離心力和葉片底部氣壓將葉片緊壓在定子內(nèi)表面上。定子內(nèi)有半圓形的切溝，提供壓縮空氣及排出廢氣 。4.4 4.4 電氣驅(qū)動系統(tǒng)電氣驅(qū)動系統(tǒng) 機器人電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電動機產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執(zhí)行機構(gòu)。機器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的要求如下機器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的要求如下：1）快速性 2）起動轉(zhuǎn)矩慣量比大 3）控制特性的連續(xù)性和直線性 4）調(diào)速范圍

26、寬，能使用于1：100010000的調(diào)速范圍。5）體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。6）能經(jīng)受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內(nèi)承受過載。工業(yè)機器人電動機驅(qū)動原理圖 如圖 所示，為工業(yè)機器人電動機驅(qū)動原理圖，工業(yè)機器人電動伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán) 伺服電機伺服電機是指帶有反饋的直流電機、交流電機、無刷電機、或者步進電機，它們通過控制以期望的轉(zhuǎn)速（和相應(yīng)地期望轉(zhuǎn)矩）運動到達期望轉(zhuǎn)角。為此，反饋裝置向伺服電機控制器電路發(fā)送信號，提供電機的角度和速度。如果負荷增大，則轉(zhuǎn)速就會比期望轉(zhuǎn)速低，電流就會增加直到轉(zhuǎn)速和期望值相等。如果信號顯示數(shù)

27、度比期望值高，電流就會相應(yīng)的減小。如果還使用了位置反饋，那么位置信號用于在轉(zhuǎn)子到達期望的角位置時關(guān)掉電機。如圖所示為伺服電機驅(qū)動原理框圖。4.4.1 步進電機驅(qū)動 步進電動機是將電脈沖信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移的元件，它的角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。作為一種開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機器人中得到較廣泛的應(yīng)用。但由于其存在過載能力差、調(diào)速范圍相對較小、低速運動有脈動、不平衡等缺點，一般只應(yīng)用于小型或簡易型機器人中。 步進電動機驅(qū)動器，主要包括脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器和功率放大等幾大部分，其原理框圖如圖所示。1. 1. 步進電機工作原理步進電機工作原理如圖所示為步進電機工作的基本原理 步進電

28、機的定子上有兩組線圈和一對永久磁鐵作為轉(zhuǎn)子，當給定子線圈加電時永磁轉(zhuǎn)子（或磁阻式步進電機中的軟鐵心轉(zhuǎn)子）將旋轉(zhuǎn)到與定子磁場一致的方向，如圖圖a所示。除非磁場旋轉(zhuǎn)，否則轉(zhuǎn)子就停留在該位置。 切斷當前線圈中的電流，對下一組線圈通電，轉(zhuǎn)子將再次轉(zhuǎn)至和新磁場方向一致的方向，如圖圖b所示。當切斷第二組線圈時，第一組線圈在一次接通，但是極性相反，這將使轉(zhuǎn)子沿同樣的方向又轉(zhuǎn)了一步。這個過程在關(guān)斷一組線圈并接通另一組線圈時保持繼續(xù)，經(jīng)過四步就使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)回到原來的初始位置 。 在第一部結(jié)束時，不是切斷第一組線圈并接通第二組線圈，而是接通兩組線圈的電源。此時，轉(zhuǎn)子將僅旋轉(zhuǎn)45度，和最小磁阻方向一致，如圖圖c所示。

29、按照力矩產(chǎn)生原理分類 激磁式激磁式 反應(yīng)式反應(yīng)式 混合式混合式 按照定子數(shù)目分類 單定子單定子 雙定子雙定子 多定子多定子 按照定子勵磁相數(shù)分類 三相三相 四相四相 五相五相 六相六相 按照各相繞組的分布規(guī)律分類 徑向分相徑向分相 (垂軸式垂軸式) 軸向分相軸向分相 (順軸式順軸式)2步進電機常用類型步進電機常用類型 三相反應(yīng)式步進電動機單三拍方式工作原理圖 4.4.2 直流伺服電動機驅(qū)動 機器人對直流伺服電機的基本要求機器人對直流伺服電機的基本要求：寬廣的調(diào)速范圍機械特性和調(diào)速特性均為線性無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象（控制電壓降到零時，伺服電動機能立即自行停轉(zhuǎn)）快速響應(yīng)好1. 直流伺服電機的特點直流伺服電機的

30、特點（1）穩(wěn)定性（2）可控性好（3）響應(yīng)迅速（4）控制功率低，損耗?。?）轉(zhuǎn)矩大2. 直流伺服電機的分類及結(jié)構(gòu)直流伺服電機的分類及結(jié)構(gòu)（1）分類 按勵磁方式，直流伺服電動機分為電磁式直流伺服電動機（簡稱直流伺服電動機）和永磁式直流伺服電動機。電磁式直流伺服電動機如同普通直流電動機 ，分為串礪式、并勵式和他勵式。 直流伺服電動機按其電樞結(jié)構(gòu)形式不同，分為普通電樞型、印制繞組盤式電樞型、線繞盤式電樞型、空心杯繞組電樞型和無槽電樞型（無換向器和電刷）。 1）印制繞組直流伺服電機（盤形轉(zhuǎn)子、盤形定子軸向粘接柱狀磁鋼，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，無齒槽效應(yīng)，無飽和效應(yīng)，輸出轉(zhuǎn)矩大）。 2）線繞盤式直流伺服電機（盤形

31、轉(zhuǎn)子、定子軸向粘接柱狀磁鋼，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，控制性能優(yōu)于其他直流伺服電機，效率高，輸出轉(zhuǎn)矩大）。 3）杯型電樞永磁直流電機（空心杯轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，適用于增量運動伺服系統(tǒng)）。 4）無刷直流伺服電機（定子為多相繞組，轉(zhuǎn)子為永磁式，可帶轉(zhuǎn)子位置傳感器，無火花干擾，壽命長，噪聲低）。（2）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) 如圖為電磁式直流伺服電動機結(jié)構(gòu)，其中包括三個主要部分。1）定子：定子磁極磁場由定子的磁極產(chǎn)生。根據(jù)產(chǎn)生磁場的方式，直流伺服電機可分為永磁式和他激式。永磁式磁極由永磁材料制成，他激式磁極由沖壓硅鋼片疊壓而成，外繞線圈通以直流電流便產(chǎn)生恒定磁場。 2）轉(zhuǎn)子：又稱為電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通

32、以直流電時，在定子磁場作用下產(chǎn)生帶動負載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。 3）電刷和換向片：為使所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，轉(zhuǎn)子能沿固定方向均勻的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導體相接。 3. 3. 直流伺服電動機調(diào)試的方法直流伺服電動機調(diào)試的方法在電樞控制方式下，直流伺服電機的主要靜態(tài)特性是機械特性和調(diào)節(jié)特性。（1）機械特性直流伺服電機的機械特性公式如下：TCCRnCCRCUnTeTeTa202 n0電機的理想空載轉(zhuǎn)速；R電樞電阻；Ce直流電機電動勢結(jié)構(gòu)常數(shù)磁通；T轉(zhuǎn)矩；CT轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)常數(shù)直流電機機械特性 直流電機調(diào)節(jié)特性 4.4.3 交流伺服電動機驅(qū)動直流伺服電動的缺點直流伺服電動的缺點

33、1) 接觸式換向器不但結(jié)構(gòu)復雜、制造費時、價格昂貴，而且運行中容易產(chǎn)生火花，以及換向器的機械強度不高，電刷易于磨損等，需要經(jīng)常維護檢修 2) 對環(huán)境的要求比較高，不適用于化工、礦山等周圍環(huán)境中有粉塵、腐蝕性氣體和易爆易燃氣體的場合。交流伺服電動的優(yōu)點交流伺服電動的優(yōu)點 結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉。堅固耐用、慣量小、運行可靠、很少需要維護、可用于惡劣環(huán)境等。 交流伺服電機的分類交流伺服電機的分類交流伺服電機分為兩種：同步型和感應(yīng)型。（1）異步型交流電機 異步型交流伺服電動機指的是交流感應(yīng)電動機。它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應(yīng)電動機。（2）同步型交流電機 同步型交

34、流伺服電動機雖較感應(yīng)電動機復雜，但比直流電動機簡單。它的定子與感應(yīng)電動機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。 2. 異步交流伺服電機的基本原理異步交流伺服電機的基本原理1）轉(zhuǎn)子導條切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電勢，使轉(zhuǎn)子導條有電流流過。2）有電流流過的導條在磁場中受到的電磁力對轉(zhuǎn)軸形成電磁力矩，使轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動。3）轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向與磁鐵的轉(zhuǎn)動方向相同，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁鐵的轉(zhuǎn)速成正比。4）由于轉(zhuǎn)子自身阻轉(zhuǎn)矩以及負載阻轉(zhuǎn)矩的影響，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速要小于磁鐵轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)速，故稱異步電動機。異步交流電機工作原理圖

35、異步交流電機結(jié)構(gòu)圖 3. 交流伺服電機的調(diào)速方法交流伺服電機的調(diào)速方法異步交流電機轉(zhuǎn)速的基本公式：其中：n電動機轉(zhuǎn)速，單位r/min；f電源電壓頻率，單位：Hz；p電動機磁極對數(shù)；s轉(zhuǎn)差率，S=n0-n/n0n0電動機定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速），單位：r/min；由上式可見，改變異步電動機轉(zhuǎn)速的方法有三種：1）改變極對數(shù)P, 但一般交流電動機磁極對數(shù)不能改變，磁極對數(shù)可變的電動機稱為多速電動機。因為磁極對數(shù)只能成對出現(xiàn)，所以轉(zhuǎn)速只能成倍改變，因此只能實現(xiàn)有級變速，速度不能平滑調(diào)節(jié)。2）改變轉(zhuǎn)差率S,適合于繞線式異步電動機。在轉(zhuǎn)子繞組回路中串入電阻使電動機機械特性變軟，轉(zhuǎn)差率增大。串入的電阻越

36、大，轉(zhuǎn)速越低，但調(diào)速范圍窄，不易控制。3）改變交流頻率f,目前高性能的調(diào)試系統(tǒng)大多采用變頻調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍的無級調(diào)速，且轉(zhuǎn)速與頻率成正比。4變頻調(diào)速變頻調(diào)速（1）原理及構(gòu)成 主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。（2）優(yōu)點1）電機運行平穩(wěn)。采用變頻調(diào)速，可使電機的工作磁場接近

37、圓形旋轉(zhuǎn)磁場。2）較高的效率和功率因數(shù)。采用變頻調(diào)速可使電機的轉(zhuǎn)差率很小，損耗小、效率較高3）調(diào)速范圍寬：頻率可以在低于和高于電源頻率的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。4）開環(huán)精度較高：采用數(shù)字控制時，變頻調(diào)速能夠得到較高的開環(huán)控制精度。（3）分類）分類1）按變換的環(huán)節(jié)分類 交-直-交變頻器 ； 交-交變頻器 2）按直流電源性質(zhì)分類 電壓型變頻器 ； 電流型變頻器3）按主電路工作方法可分為電壓型變頻器、電流型變頻器。 4）按照工作原理分類可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等。5）按照變頻調(diào)壓方法可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器。 6）按照用途分類 可以分

38、為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。此外，變頻器還可以按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類，按控制方式分類，按主開關(guān)元器件分類，按輸入電壓高低等方式分類。 4.5 4.5 新型驅(qū)動器新型驅(qū)動器4.5.1 壓電驅(qū)動器 壓電效應(yīng)的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。 壓電驅(qū)動器是利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能或機械運動，實現(xiàn)微量位移的執(zhí)行裝置。壓電材料具有很多優(yōu)點：易于微型化、控制方便、低壓驅(qū)動、對環(huán)境影響小以及無電磁干擾等。 如圖是一種典型的應(yīng)用于微型管道機器人的足式壓電微執(zhí)行器足式壓電微執(zhí)

39、行器，有一個壓電雙晶薄片及其上兩側(cè)分別貼置的兩片類鰭型彈性體足構(gòu)成。壓電雙晶片在電壓信號作用下產(chǎn)生周期性的定向彎曲，將使彈性體與管道兩側(cè)接觸處的動態(tài)摩擦力不同，從而推動執(zhí)行器向前運動。4.5.2 形狀記憶合金驅(qū)動器1. 形狀記憶合金的定義及特點形狀記憶合金的定義及特點 定義： 狀記憶合金是一種特殊的合金，一旦使它記憶了任何形狀，即使產(chǎn)生變形，但當加熱到某一適當溫度時，它就能恢復到變形前的形狀。利用這種驅(qū)動器的技術(shù)即為形狀記憶合金驅(qū)動技術(shù)。 特點： 1）變形量大。 2）變位方向自由度大。 3）變位可急劇發(fā)生。 應(yīng)用： 它具有位移較大、功率重量比高、變位迅速、方向自由的特點。特別適用于小負載高速度、高精度的機器人裝配作業(yè)、顯微鏡內(nèi)樣品移動裝置、反應(yīng)堆驅(qū)動裝置、醫(yī)用內(nèi)窺鏡、人工心臟、探測器、保護器等產(chǎn)品上。2形狀記憶合金驅(qū)動器的特點形狀記憶合金驅(qū)動器的特點 優(yōu)點：優(yōu)點： 形狀記憶合金微驅(qū)動器除具有高的功率/重量比這一特點外，它還具有結(jié)構(gòu)簡單、無污染、無噪聲、具有傳感功能，便于控制等特點 缺點