機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)

機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.1機(jī)器人的驅(qū)動方式4.1.1概述優(yōu)點(diǎn):1）液壓容易達(dá)到較高的單位面積壓力（常用油壓為25～63kg/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(shí)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(jī)械效率，使用壽命長。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炸等危險(xiǎn)。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(yán)格的濾油裝置，否則會引起故障。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(jī)構(gòu)，常用于大型機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動液壓驅(qū)動的特點(diǎn)及應(yīng)用

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優(yōu)點(diǎn):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(yuǎn)距離輸送，氣動動作迅速，調(diào)節(jié)方便，維護(hù)簡單，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)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(qiáng)磁、輻射、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(hù)。4）氣動元件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，壽命長，易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。

不足之處:1）由于空氣具有較大的可壓縮性，因而運(yùn)動平穩(wěn)性較差。2）因工作壓力低（一般為0.3～1MPa），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(dǎo)致氣動系統(tǒng)工作失靈。

應(yīng)用:

多用于開關(guān)控制和順序控制的機(jī)器人中。氣動驅(qū)動的特點(diǎn)及應(yīng)用

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優(yōu)點(diǎn):

電氣驅(qū)動是利用各種電動機(jī)產(chǎn)生力和力矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動機(jī)器人的關(guān)節(jié)，從而獲得機(jī)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(yùn)動精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用最廣泛。

分類特點(diǎn):1）普通交、直流電動機(jī)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(jī)器人。伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)輸出力矩相對小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。2）交、直流伺服電動機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動機(jī)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以下的機(jī)器人多采用電機(jī)驅(qū)動。

應(yīng)用:

電動機(jī)使用簡單，且隨著材料性能的提高，電機(jī)性能也逐漸提高。所以總的看來，目前機(jī)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(diǎn)及應(yīng)用

第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電動驅(qū)動輸出功率

很大，壓力范圍為50～140N/cm2

大，壓力范圍為48～60N/cm2，最大可達(dá)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(shí)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(shí)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(shí)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)復(fù)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(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)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(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)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(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動機(jī)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(xiǎn)

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(xiǎn)，直流有刷電動機(jī)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)易漏油，對環(huán)境有污染

排氣時有噪聲

無在工業(yè)機(jī)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(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人

適用于中小負(fù)載驅(qū)動、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動平衡及裝配機(jī)器人氣動夾具

適用于中小負(fù)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(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等效率與成本效率中等（0.3～0.6）；液壓元件成本較高

效率低（0.15～0.2）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(fù)雜幾種驅(qū)動方式的比較第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.1.2驅(qū)動系統(tǒng)性能1．剛度和柔性剛度是材料對抗變形的阻抗，他可以是梁在負(fù)載作用下抗彎曲的剛度，或汽缸中氣體在負(fù)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(fù)載也越大。相反，系統(tǒng)柔性越大，則在負(fù)載作用下就越容易變形。2.重量、功率-重量比和工作壓強(qiáng)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(jìn)機(jī)通常比伺服電機(jī)要重，因此它具有較低的功率-重量比。電機(jī)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。第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.1.3驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動方式1．直線驅(qū)動方式機(jī)器人采用的直線驅(qū)動包括直角坐標(biāo)機(jī)構(gòu)的X、Y、Z向驅(qū)動，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動和垂直升降驅(qū)動，以及球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動。直線運(yùn)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(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動。2.旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式多數(shù)普通電機(jī)和伺服電機(jī)都能夠直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這種運(yùn)動的傳遞和轉(zhuǎn)換必須高效率地完成，并且不能有損于機(jī)器人系統(tǒng)所需要的特性，特別是定位精度、重復(fù)精度和可靠性。運(yùn)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。第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.2液壓驅(qū)動系統(tǒng)4.2.1液壓伺服系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)1.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(diǎn)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(fù)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(dá)到很大。第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.2.2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)通過電氣傳動方式，將電氣信號輸入系統(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(jī)械手手臂5－齒輪齒條機(jī)構(gòu)6－電位器7－步進(jìn)電機(jī)下圖所示為機(jī)械手手臂伸縮運(yùn)動的電液伺服系統(tǒng)原理圖第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五其具體工作過程如下：當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出一定數(shù)量的脈沖時，步進(jìn)電機(jī)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β，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(jìn)入液壓缸左腔，活塞桿右移，帶動機(jī)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，機(jī)械手手臂上的齒條帶動齒輪也順時針移動，當(dāng)其轉(zhuǎn)動角度α＝β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(yùn)動。當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出反向脈沖時，步進(jìn)電動機(jī)逆時針方向轉(zhuǎn)動，和前面正好相反，機(jī)械手就會手臂縮回。機(jī)械手手臂伸縮運(yùn)動伺服系統(tǒng)方框圖第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2.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(dá)，液壓部分為兩級。第一級是雙噴嘴擋板閥，稱前置級（先導(dǎo)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(dǎo)磁體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-線圈第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五（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(diǎn)偏轉(zhuǎn)，擋板的由力矩馬達(dá)驅(qū)動。當(dāng)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(dāng)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(fù)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，一個回油口和兩個負(fù)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(diǎn)

噴嘴擋板閥的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，運(yùn)動部件慣性小，反應(yīng)快，精度和靈敏度高；缺點(diǎn)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。第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.2.3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(jìn)行遠(yuǎn)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

比例電磁鐵是一種直流電磁鐵，與普通換向閥用電磁鐵的不同主要在于，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—?dú)んw6—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(dǎo)向套第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2．電液比例溢流閥用比例電磁鐵取代先導(dǎo)型溢流閥導(dǎo)閥的手調(diào)裝置（調(diào)壓手柄），便成為先導(dǎo)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(dǎo)錐閥3-軛鐵4-銜鐵5-彈簧6-推桿7-線圈；8-彈簧9-先導(dǎo)閥先導(dǎo)型比例溢流閥的工作原理簡圖

第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3.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，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(yùn)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(zhǔn)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(bǔ)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

第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.2.4擺動缸

擺動式液壓缸也稱擺動馬達(dá)。當(dāng)它通入壓力油時，它的主軸輸出小于360°的擺動運(yùn)動。圖（a）所示為單葉片式擺動缸,它的擺動角度較大,可達(dá)300°，當(dāng)擺動缸進(jìn)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ω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。第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.3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)動回路工作原理如圖為典型的氣壓驅(qū)動回路—?dú)鈩蛹羟袡C(jī)系統(tǒng)的工作原理圖。結(jié)構(gòu)原理圖工作原理圖第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.3.2氣源裝置

氣源裝置由兩部分組成，一是空氣壓縮機(jī)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(jī)所提供的含有大量雜質(zhì)的壓縮空氣進(jìn)行凈化。1.空氣壓縮機(jī)空氣壓縮機(jī)按其壓力大小分為低壓（0.2～1.0MPa）、中壓（1.0～10MPa）、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(jī)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(jī)按結(jié)構(gòu)分為：離心式、軸流式和混流式等。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。第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五1-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(fù)活塞式空氣壓縮機(jī)工作原理圖，其工作過程如下：當(dāng)活塞3向右運(yùn)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(jìn)入氣缸2內(nèi)，這個過程稱為“吸氣過程”。當(dāng)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”。當(dāng)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(jìn)入輸氣管道，這個過程稱為“排氣過程”。第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2.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(jī)出口處的管道上，它對150℃左右的壓縮空氣降溫降到40~50℃，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(fēng)冷式和水冷式。列管式冷卻器套管式冷卻器第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五（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、撞擊折回式、離心旋轉(zhuǎn)式、水浴式及以上形式的組合等。當(dāng)壓縮空氣由入口進(jìn)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

第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五（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(jī)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(jìn)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2～3倍，同時應(yīng)使進(jìn)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(jìn)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(jī)每分鐘的排氣量Q為依據(jù)選擇的。即:當(dāng)Q＜6.0m3/min時，取V=0.2Q(m3)當(dāng)Q=6.0～30m3/min時，取V=0.15Q(m3)當(dāng)Q＞30m3/min時，取V=0.1Q(m3)第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五（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(jìn)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)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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—上柵板第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五5）過濾器過濾器的作用是進(jìn)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50~70%）；二次過濾器（濾灰效率為70~99%）。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(jìn)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。1—10蜜孔網(wǎng)2—280目細(xì)銅絲網(wǎng)3—焦碳4—硅膠等第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.3.3氣動驅(qū)動器1.氣缸氣缸是氣動系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一。2.氣動馬達(dá)氣動馬達(dá)也是氣動執(zhí)行元件的一種。它的作用相當(dāng)于電動機(jī)或液壓馬達(dá)。即輸出力矩，拖動機(jī)構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。（1）氣動馬達(dá)的分類氣馬達(dá)按結(jié)構(gòu)形式可分為：葉片式氣馬達(dá)、活塞式氣馬達(dá)和齒輪式氣馬達(dá)等。

（2）氣動馬達(dá)工作原理如圖為葉片式氣動馬達(dá)。與液壓葉片馬達(dá)相似，主要包括一個徑向裝有3~10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。第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.4電氣驅(qū)動系統(tǒng)

機(jī)器人電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電動機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)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)速范圍寬，能使用于1：1000～10000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(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時間內(nèi)承受過載。工業(yè)機(jī)器人電動機(jī)驅(qū)動原理圖

如圖所示，為工業(yè)機(jī)器人電動機(jī)驅(qū)動原理圖，工業(yè)機(jī)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)第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

伺服電機(jī)是指帶有反饋的直流電機(jī)、交流電機(jī)、無刷電機(jī)、或者步進(jìn)電機(jī)，它們通過控制以期望的轉(zhuǎn)速（和相應(yīng)地期望轉(zhuǎn)矩）運(yùn)動到達(dá)期望轉(zhuǎn)角。為此，反饋裝置向伺服電機(jī)控制器電路發(fā)送信號，提供電機(jī)的角度和速度。如果負(fù)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)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(dá)期望的角位置時關(guān)掉電機(jī)。如圖所示為伺服電機(jī)驅(qū)動原理框圖。第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.4.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動

步進(jìn)電動機(jī)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(jī)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(yùn)動有脈動、不平衡等缺點(diǎn)，一般只應(yīng)用于小型或簡易型機(jī)器人中。步進(jìn)電動機(jī)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。第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五1.步進(jìn)電機(jī)工作原理如圖所示為步進(jìn)電機(jī)工作的基本原理

步進(jìn)電機(jī)的定子上有兩組線圈和一對永久磁鐵作為轉(zhuǎn)子，當(dāng)給定子線圈加電時永磁轉(zhuǎn)子（或磁阻式步進(jìn)電機(jī)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(dāng)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b所示。當(dāng)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c所示。第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

按照力矩產(chǎn)生原理分類——激磁式反應(yīng)式混合式

按照定子數(shù)目分類——單定子雙定子多定子

按照定子勵磁相數(shù)分類——三相四相五相六相

按照各相繞組的分布規(guī)律分類——徑向分相(垂軸式)

軸向分相(順軸式)2．步進(jìn)電機(jī)常用類型

三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)單三拍方式工作原理圖

第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.4.2直流伺服電動機(jī)驅(qū)動

機(jī)器人對直流伺服電機(jī)的基本要求：寬廣的調(diào)速范圍機(jī)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(jī)能立即自行停轉(zhuǎn)）快速響應(yīng)好1.直流伺服電機(jī)的特點(diǎn)（1）穩(wěn)定性（2）可控性好（3）響應(yīng)迅速（4）控制功率低，損耗小（5）轉(zhuǎn)矩大第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2.直流伺服電機(jī)的分類及結(jié)構(gòu)（1）分類按勵磁方式，直流伺服電動機(jī)分為電磁式直流伺服電動機(jī)（簡稱直流伺服電動機(jī)）和永磁式直流伺服電動機(jī)。電磁式直流伺服電動機(jī)如同普通直流電動機(jī)，分為串礪式、并勵式和他勵式。直流伺服電動機(jī)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(jī)（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(jī)（盤形轉(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(jī)，效率高，輸出轉(zhuǎn)矩大）。

3）杯型電樞永磁直流電機(jī)（空心杯轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，適用于增量運(yùn)動伺服系統(tǒng)）。

4）無刷直流伺服電機(jī)（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）。第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五（2）結(jié)構(gòu)如圖為電磁式直流伺服電動機(jī)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(jī)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，通以直流電時，在定子磁場作用下產(chǎn)生帶動負(fù)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(dǎo)體相接。第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3.直流伺服電動機(jī)調(diào)試的方法在電樞控制方式下，直流伺服電機(jī)的主要靜態(tài)特性是機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。（1）機(jī)械特性直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性公式如下：

n0—電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速；R——電樞電阻；Ce—直流電機(jī)電動勢結(jié)構(gòu)常數(shù)φ—磁通；T—轉(zhuǎn)矩；CT—轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)常數(shù)直流電機(jī)機(jī)械特性

直流電機(jī)調(diào)節(jié)特性

第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.4.3交流伺服電動機(jī)驅(qū)動直流伺服電動的缺點(diǎn)

1)接觸式換向器不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造費(fèi)時、價格昂貴，而且運(yùn)行中容易產(chǎn)生火花，以及換向器的機(jī)械強(qiáng)度不高，電刷易于磨損等，需要經(jīng)常維護(hù)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?xì)怏w的場合。交流伺服電動的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉。堅(jiān)固耐用、慣量小、運(yùn)行可靠、很少需要維護(hù)、可用于惡劣環(huán)境等。第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五交流伺服電機(jī)的分類交流伺服電機(jī)分為兩種：同步型和感應(yīng)型。（1）異步型交流電機(jī)異步型交流伺服電動機(jī)指的是交流感應(yīng)電動機(jī)。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(jī)。（2）同步型交流電機(jī)同步型交流伺服電動機(jī)雖較感應(yīng)電動機(jī)復(fù)雜，但比直流電動機(jī)簡單。它的定子與感應(yīng)電動機(jī)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。第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2.異步交流伺服電機(jī)的基本原理1）轉(zhuǎn)子導(dǎo)條切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電勢，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條有電流流過。2）有電流流過的導(dǎo)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(fù)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(jī)。異步交流電機(jī)工作原理圖

異步交流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法異步交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的基本公式：

其中：n—電動機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min；f—電源電壓頻率，單位：Hz；p—電動機(jī)磁極對數(shù)；s—轉(zhuǎn)差率，S=n0-n/n0n0—電動機(jī)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(jī)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(jī)磁極對數(shù)不能改變，磁極對數(shù)可變的電動機(jī)稱為多速電動機(jī)。因?yàn)榇艠O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(shí)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(jī)。在轉(zhuǎn)子繞組回路中串入電阻使電動機(jī)機(jī)械特性變軟，轉(zhuǎn)差率增大。串入的電阻越大，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。第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4．變頻調(diào)速（1）原理及構(gòu)成

主電路是給異步電動機(jī)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(diǎn)1）電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。采用變頻調(diào)速，可使電機(jī)的工作磁場接近圓形旋轉(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(jī)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。第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五（3）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。第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.5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(jī)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(jī)械能或機(jī)械運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)微量位移的執(zhí)行裝置。壓電材料具有很多優(yōu)點(diǎn)：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(jī)器人的足式壓電微執(zhí)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(yùn)動。第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.5.2形狀記憶合金驅(qū)動器1.形狀記憶合金的定義及特點(diǎn)

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(dāng)加熱到某一適當(dāng)溫度時，它就能恢復(fù)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(diǎn)：

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(diǎn)。特別適用于小負(fù)載高速度、高精度的機(jī)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(hù)器等產(chǎn)品上。第42頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2．形狀記憶合金驅(qū)動器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)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(diǎn)

缺點(diǎn)：形狀記憶合金微驅(qū)動器在使用中主要存在兩個問題，即效率較低、疲勞壽命較短。

右圖為具有相當(dāng)于肩、肘、臂、腕、指5個自由度的微型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示