機(jī)器人電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和力,直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
對工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī),要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別是像機(jī)器人末端執(zhí)行器(手爪)應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動(dòng)機(jī),尤其是要求快速響應(yīng)時(shí),伺服電動(dòng)機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性,并且具有較大的短時(shí)過載能力。這是伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。
機(jī)器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要要求規(guī)納如下:
1)快速性。電動(dòng)機(jī)從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)短。響應(yīng)指令信號的時(shí)間愈短,電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高,快速響應(yīng)性能愈好,一般是以伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)的大小來說明伺服電動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)的性能。
2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大。在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下,要求機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。
3)控制特性的連續(xù)性和直線性,隨著控制信號的變化,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化,有時(shí)還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比。
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(shí)間內(nèi)承受過載。
目前,由于高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用,一般負(fù)載1000N(相當(dāng)100kgf)以下的工業(yè)機(jī)器人大多采用電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要是AC伺服電動(dòng)機(jī),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和DC伺服電動(dòng)機(jī)。其中,交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(DD)均采用位置閉環(huán)控制,一般應(yīng)用于高精度、高速度的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多適用于對精度、速度要求不高的小型簡易機(jī)器人開環(huán)系統(tǒng)中。交流伺服電動(dòng)機(jī)由于采用電子換向,無換向火花,在易燃易爆環(huán)境中得到了廣泛的使用。機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率范圍一般為0.1~10kW。工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所采用的電動(dòng)機(jī),大致可細(xì)分為以下幾種:
1)交流伺服電動(dòng)機(jī)包括同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)及反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。
2)直流伺服電動(dòng)機(jī)包括小慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)、大慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。
3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 包括永磁感應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
速度傳感器多采用測速發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器;位置傳感器多用光電碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器。近年來,國外機(jī)器人制造廠家已經(jīng)在使用一種集光電碼盤及旋轉(zhuǎn)變壓器功能為一體的混合式光電位置傳感器,伺服電動(dòng)機(jī)可與位置及速度檢測器、制動(dòng)器、減速機(jī)構(gòu)組成伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。
機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求傳動(dòng)系統(tǒng)間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大,常用的減速機(jī)構(gòu)有:
1)RV減速機(jī)構(gòu);
2)諧波減速機(jī)械;
3)擺線針輪減速機(jī)構(gòu);
4)行星齒輪減速機(jī)械;
5)無側(cè)隙減速機(jī)構(gòu);
6)蝸輪減速機(jī)構(gòu);
7)滾珠絲杠機(jī)構(gòu);
8)金屬帶/齒形減速機(jī)構(gòu);
9)球減速機(jī)構(gòu)。
工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理如圖1所示。
工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個(gè)閉環(huán)控制,即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。
目前國外許多電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家均開發(fā)出與交流伺服電動(dòng)機(jī)相適配的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品,用戶根據(jù)自己所需功能側(cè)重不同而選擇不同的伺服控制方式,一般情況下,交流伺服驅(qū)動(dòng)器,可通過對其內(nèi)部功能參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)定而實(shí)現(xiàn)以下功能:
1)位置控制方式;
2)速度控制方式;
3)轉(zhuǎn)矩控制方式;
4)位置、速度混合方式;
5)位置、轉(zhuǎn)矩混合方式;
6)速度、轉(zhuǎn)矩混合方式;
7)轉(zhuǎn)矩限制;
8)位置偏差過大報(bào)警;
9)速度PID參數(shù)設(shè)置;
10)速度及加速度前饋參數(shù)設(shè)置;
11)零漂補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置;
12)加減速時(shí)間設(shè)置等。
1.直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器
直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器多采用脈寬調(diào)制(PWM)伺服驅(qū)動(dòng)器,通過改變脈沖寬度來改變加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓,從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
PWM伺服驅(qū)動(dòng)器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好、響應(yīng)快、效率高、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn),在工業(yè)機(jī)器人中常作為直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
2.同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器
同直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比,同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高、無電刷及換向火花等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。
同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常采用電流型脈寬調(diào)制(PWM)相逆變器和具有電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多閉環(huán)控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)對三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的電流控制。根據(jù)其工作原理、驅(qū)動(dòng)電流波形和控制方式的不同,它又可分為兩種伺服系統(tǒng):
1)矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。
2)正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。
采用矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為無刷直流伺服電動(dòng)機(jī),采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)。
3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器
步進(jìn)電動(dòng)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。轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比。在負(fù)載能力的范圍內(nèi),這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化,誤差不長期積累,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在較寬的范圍內(nèi),通過改變脈沖頻率來調(diào)速,實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)制動(dòng)。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(dòng)有脈動(dòng)、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(dòng)機(jī)所用的驅(qū)動(dòng)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2所示。
4.直接驅(qū)動(dòng)
所謂直接驅(qū)動(dòng)(DD)系統(tǒng),就是電動(dòng)機(jī)與其所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載直接耦合在一起,中間不存在任何減速機(jī)構(gòu)。
同傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)相比, DD驅(qū)動(dòng)減少了減速機(jī)構(gòu),從而減少了系統(tǒng)傳動(dòng)過程中減速機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的間隙和松動(dòng),極大地提高了機(jī)器人的精度,同時(shí)也減少了由于減速機(jī)構(gòu)的摩擦及傳送轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)所造成的機(jī)器人控制精度降低。而DD驅(qū)動(dòng)由于具有上述優(yōu)點(diǎn),所以機(jī)械剛性好,可以高速高精度動(dòng)作,且具有部件少、結(jié)構(gòu)簡單、容易維修、可靠性高等特點(diǎn),在高精度、高速工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中越來越引起人們的重視。
作為DD驅(qū)動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是DD電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。它應(yīng)具有以下特性:
1)輸出轉(zhuǎn)矩大:為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式中伺服電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的50~100倍。
2)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 DD電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可抑制在輸出轉(zhuǎn)矩的5%~10%以內(nèi)。
3)效率:與采用合理阻抗匹配的電動(dòng)機(jī)(傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式下)相比, DD電動(dòng)機(jī)是在功率轉(zhuǎn)換較差的使用條件下工作的。因此,負(fù)載越大,越傾向于選用較大的電動(dòng)機(jī)。
目前,DD電動(dòng)機(jī)主要分為變磁阻型和變磁阻混合型,有以下兩種結(jié)構(gòu)型式:
1)雙定子結(jié)構(gòu)變磁阻型DD電動(dòng)機(jī);
2)中央定子型結(jié)構(gòu)的變磁阻混合型DD電動(dòng)機(jī)。
5.特種驅(qū)動(dòng)器
1)壓電驅(qū)動(dòng)器。眾所周知,利用壓電元件的電或電致伸縮現(xiàn)象已制造出應(yīng)變式加速度傳感器和超聲波傳感器,壓電驅(qū)動(dòng)器利用電場能把幾微米到幾百微米的位移控制在高于微米級大的力,所以壓電驅(qū)動(dòng)器一般用于特殊用途的微型機(jī)器人系統(tǒng)中。
2)超聲波電動(dòng)機(jī)。
3)真空電動(dòng)機(jī),用于超潔凈環(huán)境下工作的真空機(jī)器人,例如用于搬運(yùn)半導(dǎo)體硅片的超真空機(jī)器人等。
核心關(guān)注:拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用,蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想,集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念,功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理,全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域,是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉(zhuǎn)載請注明出處:拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.ezxoed.cn/
本文標(biāo)題:工業(yè)機(jī)器人中五大電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
本文網(wǎng)址:http://www.ezxoed.cn/html/solutions/14019315779.html