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机械手驱动系统的设计?

发表时间:2015-12-26
机械手驱动系统的设计?
机器人各类驱动系统的特点 
工业机器人的驱动系统,按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。 (1) 液压驱动系统 由于液压技术是一种比较成熟的技术,它具有动力大、力(或力矩)与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大,惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是,液压系统需要进行能量转换(电能转换成液压能),速度控制多数情况下采用节流调速,效率比电动驱动系统低,液压系统的液体泄露会对环境产生污染,工作噪音也较高。 (2) 气动驱动系统 具有速度快,系统结构简单,维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制,多用于程序控制的机器人中,如在上、下料和冲压机器人中应用较多。 (3) 电动驱动系统 由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器(交流变频器、直流脉冲宽度调制器)的广泛采用,这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换,使用方便,噪声较低,控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中,成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出,因此在机器人中被广泛的使用。
 
2.7.2  工业机器人驱动系统的选择原则设计机器人时,驱动系统的选择,要根据机器人的用途、作业要求、机器人的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上,综合上述各因素,充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下: (1) 物料搬运(包括上下料)使用的有限点位控制的程序控制机器人,重负荷的选择液压驱动系统,中等负荷的可选电机驱动系统,轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机器人多采用气动驱动系统。 (2) 用于点焊和弧焊及喷涂作业的机器人,要求具有点位和轨迹控制功能,需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压驱动系统。 
 
2.7.3  机器人液压驱动系统
液压系统自1962年在世界上第一台机器人中应用到现在,已在工业机器人中获得了广泛的应用。目前,虽然在中等负荷以下的工业机器人中大量采用电机驱动系统,但是在简易经济型、重型的工业机器人和喷涂机器人中采用液压系统的还仍然占有很大的比例。 液压系统在机器人中所起的作用是通过电-液转换元件把控制信号进行功率放大,对液压动力机构进行方向、位置、和速度的控制,进而控制机器人手臂按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动马达,连续回转的液压马达用得很少。在工业机器人中,中、小功率的液压驱动系统用节流调速的为多,大功率的用容积调速系统。节流调速系统,动态特性好,但是效率低。容积调速系统,动态特性不如前者,但效率高。机器人液压驱动系统包括程序控制和伺服控制两类。 (1) 程序控制机器人的液压系统 这类机器人属非伺服控制的机器人,在只有简单搬运作业功能的机器人中,常常采用简易的逻辑控制装置或可编程控制器对机器人实现有限点位的控制。这类机器人的液压系统设计要重视以下方面: (a) 液压缸设计:在确保密封性的前提下,尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件,以减小摩擦阻力,提高液压缸的寿命。 (b) 定位点的缓冲与制动:因为机器人手臂的运动惯量比较大,在定位点前要加缓冲与制动机构或锁定装置。 (c) 对惯量比较大的运动轴的液压缸两侧最好加设安全保护回路,防止因碰撞过载而损坏机械结构。 (d) 液压源应该加蓄能器,以利于多运动轴同时动作或加速运动提供瞬时能量储备。 (2) 伺服控制机器人的液压系统 具有点位控制和连续轨迹控制功能的工业机器人,需要采用电-液伺服驱动系统。其电-液转换和功率放大元件有电-液伺服阀,电-液比例阀,电-液脉冲阀等。由以上各类阀件与液压动力机构可组成电-液伺服马达,电-液伺服液压缸,电-液步进马达,电-液步进液压缸,液压回转伺服执行器(RSA-Rotary Serve Actuator)等各种电-液伺服动力机构。根据结构设计的需要,电-液伺服马达和电-液伺服液压缸可以是分离式,也可以是组合成为一体。如果是分离式的连接方式,要尽量缩短连接管路,这样可以减少伺服阀到液压机构间的管道容积,以增大液压固有频率。 在机器人的驱动系统中,常用的电-液伺服动力机构是电-液伺服液压缸和电-液伺服摆动马达,也可以用电-液步进马达。液压回转执行器是一种由伺服电机,步进电机或比例电磁铁带动的一个安放在摆动马达或连续回转马达转子内的一个回转滑阀,通过机械反馈,驱动转子运动的一种电-液伺服机构。它可安装在机器人手臂和手腕的关节上,实现直接驱动。它既是关节机构,又是动力元件。
 
2.7.4  机器人气动驱动系统 
气动机器人采用压缩空气为动力源,一般从工厂的压缩空气站引到机器人作业位置,也可以单独建立小型气源系统。由于气动机器人具有气源使用方便、不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适宜在恶劣环境下工作等特点,因此它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业,机床上、下料,仪表及轻工行业中、小型零件的输送和自动装配等作业,食品包装及运输,电子产品输送、自动插接,弹药生产自动化等方面获得大量应用。 气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小机器人中的。这类机器人多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构;3-5个自由度;负荷在200N以下;速度300-1000mm/s;重复定位精度为+/-0.1-0。5mm。控制装置目前多数选用可编程控制器(PLC)。在易燃、易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统大体由以下几部分组成。 (1) 气源  由总压缩空气站提供。气源部分包括空气压缩机,储气罐,气水分离器,调压器,过滤器等。如果没有压缩空气站的条件,可以按机器人及配套的其他气动设备需要配置相应供气量的气源设备。 (2) 气动三联件  由分水滤气器,调压器,油雾器三大件组成,可以是分离式,也可以是三联组装式的,多数情况下用三联组装式结构。不论是由压缩空气站供气还是用单独的气源,气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器,但是一般情况下,建议也在气路上装上油雾器,以减少气缸摩擦力,增加使用寿命。 (3) 气动阀  气动阀的种类很多,在工业机器人的气动驱动系统中,常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。 (4) 气动执行机构  多数情况下使用气缸(直线气缸或摆动气缸)。直线气缸分单动式和双动式两类。除个别用单动式气缸外(如手爪机构上用的),多数采用双动气缸。为实现端部缓冲,要选用双向端点位置缓冲的气缸。气缸的结构形式以及与机器人机构的连接方式(如法兰连接,尾部铰接,前端或中间铰接,气缸杆的螺纹连接或铰接等)由设计机器人时根据结构要求而定。气缸的内径,行程大小可根据对机器人的运动分析和动力分析进行计算。 为了确保气缸的密封要求,同时又要尽量降低摩擦力,密封材料要选用橡胶和氟化塑料组合的密封环。无接触感应式气缸目前在气动系统中已获得广泛的应用,这种气缸在活塞上装有永久磁铁的磁环,通过磁感应,使在气缸外面安装的非接触磁性接近开关动作发讯,进行位置检测。除了直线气缸外,机器人中用得比较多还有有限角摆动气缸,这种摆动缸多用于手腕机构上。 (5) 制动器  气动机器人的定位问题很大程度上是如何实现停点的制动。气缸活塞的运动速度容许达1.5m/s,如果气缸以1m/s的速度计算,电磁气阀以较大关闭时间70ms计,那么气缸活塞两个停点的距离约为70mm,两个停点的步长应大于这个数值。对于小流量的电磁气阀,吸合关闭时间较小,停点的步长也要相应缩短。因此对机器人一个单自由度而言,停点数目最多6-9个。为增加定位点数,除采用多位置气缸外可采用制动的方法还有:反压制动,制动装置制动。 (6) 限位器  气动机器人各运动轴的制动和定位点到位发讯,可由编程器发指令,或由限位开关发讯。根据要求和条件,如果选用无接触感应式气缸,其限位开关是无接触接近开关,这种开关的反映时间小于20ms,在机器人中应用比较理想。当气缸活塞运动到定位点时,为保证定位精度,需要将运动轴锁紧。常用的限位机构是由电磁阀控制的气缸带动锁紧机构(插锁,滑块等)将机器人运动机构锁定。再启动时,事先打开锁紧机构。 
2.7.5  机器人电动驱动系统 这些年来,针对机器人,数控机床等自动机械而开发的各种类型的伺服电动机及伺服驱动器的大量出现,为机器人驱动系统的更新创造了条件。由于高起动力矩、大转矩低惯量的交、直流电机在机器人中的应用,因此一般情况下,负重在100kg以下的工业机器人大多数采用电动驱动系统。其驱动原理方块图如下所示: 在机器人驱动系统中应用的电动机大致可分为如下类型:小惯量永磁直流伺服电动机,有刷绕组永磁直流伺服电动机,大惯量永磁直流伺服电动机(力矩电机),反应式步进电机,同步式交流伺服电动机,异步式交流伺服电动机。 速度传感器多数用的是测速发电机,位置传感器多数用光电编码器。伺服电动机可与测速发电机、光电编码器、制动器、减速器相结合,实现部分组合、由几种组合或全部组合,形成伺服电动机驱动单元。为了提高机器人的传动精度,国外近几年开发了直接驱动电动机,并将多级旋转变压器组合在一起,这种旋转变压器每转可达40-60万个脉冲,这种直接驱动的电机(DD驱动电机)在快速高精度定位的装配机器人中已经得到应用。 (1) 机器人驱动系统电机的选择 机器人的驱动系统电机的选择要根据机器人的用途、功能、结构特点,结合各类电机自身的特点、性能、结构特点以及性能价格比等综合考虑进行。根据机器人各运动轴所计算的、要求电机的转速、负载额定力矩、加减速特性、额定功率、加速功率等参数选择电机型号。有关各类驱动电动机主要特点及性能、结构特点、用途及使用范围、适用的驱动器见表2-1: 


(a) 直流电机伺服驱动器 直流伺服电机驱动器目前多采用脉冲宽度调制(PWM)伺服驱动器。其电源电压为固定不变值,由大功率三极管作为开关元件,以固定的开关频率动作,但其脉冲宽度可以随电路控制而改变,改变了脉冲宽度也就可以改变加在电机电枢两端的平均电压,从而改变了电机的转速。这种伺服驱动器一般由电流内环和速度外环组成。末级采用大功率三极管构成桥式开关电路。 PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好,响应快、效率高、过载能力强等特点。目前已广泛应用于各类数控机床、工业机器人及其它机电一体化产品中用做直流伺服电机的驱动。 (b) 步进电机驱动器 步进电机的控制装置主要包括脉冲发生器,环行分配器和功率放大器等几部分组成。 脉冲发生器可以按照起、制动及调速要求改变频率、以控制步进电机。环行分配器是控制步进电机各绕组按一定的次序通过的环节。它的作用是把脉冲发生器送来的一系列脉冲信号按照一定的循环规律依次分配给各绕组,以使步进电机按着一定的规律运动。 功率放大器的作用是将环行分配器输出的毫安级电流放大成安培级电流以驱动步进电机。目前功率放大器多采用高低压驱动电路。这种电路有高、低压二组电源。当绕组刚通电瞬间让绕组接通高电压,从而使各相电流迅速建立。而当达到步进电机额定电流时仅以低电压给各相绕组供电。高电压加入的时间长短由控制电路来实现。 
2.7.6  设计具体采用方案 
具体到本设计,在分析了具体工作要求后,综合考虑各个因素。机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度,故采用步进电机驱动来实现;因为采用液压执行缸来做水平手臂和垂直手臂,故大小臂均采用液压驱动;同时考虑随着机床加工的工件的不同,水平手臂伸出长度是不同的。因此,要求水平手臂具有伺服定位能力,故采用电液伺服液压缸进行驱动。 而手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现,即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。

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