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工业机器人应用技术模块四电子课件工业机器人应用技术模块四机器人的驱动系统机器人驱动系统概述1机器人驱动系统比较2机器人液压驱动系统3机器人气压驱动系统4机器人电气驱动系统4 本模块主要介绍机器人的驱动系统，内容包括机器人的直接驱动方式与间接驱动方式，液压、气压、电动驱动的元件与特点，液压驱动系统的组成与工作原理，液压驱动系统的主要设备；气压驱动系统的组成与工作原理，气压驱动系统的主要设备；直流电动机与直流伺服电动机的结构原理与参数，步进电动机的结构原理。单元提要 学习完本模块的内容后，学生应能够了解机器人的驱动方式，掌握不同类型机器人驱动元件的性能与特点，能够熟练地分析机器人的驱动机构和驱动方式；掌握机器人的液压驱动系统的组成，熟悉液压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析液压驱动系统的流程，能够找出液压驱动系统的故障环节。掌握机器人的气压驱动系统的组成，熟悉气压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析气压驱动系统的流程，能够找出气压驱动系统的故障环节。了解伺服系统与伺服电动机的要点，掌握直流电动机与直流伺服电动机的结构原理，掌握步进电动机的结构原理。学习要求学习单元一机器人的驱动系统机器人的驱动系统 机器人中连接运动部分的机构称为关节。关节有转动型和移动型，分别称为转动关节和移动关节。（1)转动关节。转动关节就是在机器人中简称为关节，是机器人的连接部分，它既连接各机构，又传递各机构间的回转运动（摆动），用于基座与臂部、臂部与臂部、臂部与手部等连接部位。关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。1.关节与轴承关节与轴承1 1）关节）关节 一、驱动方式图图4-1 4-1 转动关节的形式转动关节的形式 一、驱动方式 驱动机构与回转轴同轴式。驱动机构与回转轴同轴式的驱动机构直接驱动回转轴，有较高的定位精度。但是，为减轻重量，要选择小型减速器并增加臂部的刚性。它适用于水平多关节型机器人。驱动机构与回转轴正交式。重量大的减速机构安放在基座上，通过臂部的齿轮、链条传递运动。这种形式适用于要求臂部结构紧凑的场合。一、驱动方式 外部驱动机构驱动臂部的形式。外部驱动机构驱动臂部的形式适合于传递大转矩的回转运动，采用的传动机构有滚珠丝杠、液压缸和气缸。驱动电动机安装在关节内部的形式。驱动电动机安装在关节内部的形式称为直接驱动形式。一、驱动方式 一、驱动方式 滚动导轨按滚动体分为球、圆柱滚子和滚针。滚动导轨按轨道分为圆轴式、平面式和滚道式。滚动导轨按滚动体是否循环分为循环式和非循环式。这些滚动导轨各有特点，装有滚珠的滚动导轨适用于中小载荷和小摩擦的场合，装有滚柱的滚动导轨适用于重载和高刚性的场合。受轻载滚柱的特性接近于线性弹簧，呈硬弹簧特性；滚珠的特性接近于非线性弹簧，刚性要求高时应施加一定的预紧力。一、驱动方式2 2）轴承）轴承 机器人中轴承起着相当重要的作用，用于转动关节的轴承有多种形式，球轴承是机器人结构中最常用的轴承。球轴承能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。图4-2（a）所示为普通向心球轴承，图4-2（b）所示为向心推力球轴承。这两种轴承的每个球和滚道之间只有两点接触（一点与内滚道，另一点与外滚道）。为实现预载，此种轴承必须成对使用。图4-2（c）所示为四点接触球轴承。该轴承的滚道是尖拱式半圆，球与每个滚道两点接触，该轴承通过两内滚道之间适当的过盈量实现预紧。因此，四点接触球轴承的优点是无间隙，能承受双向轴向载荷，尺寸小，承载能力和刚度比同样大小的一般球轴承高1.5倍；缺点是价格较高。一、驱动方式图图4-2 4-2 基本耐磨球轴承基本耐磨球轴承 一、驱动方式 直接驱动方式是指驱动器的输出轴和机器人手臂的关节轴直接相连的方式。直接驱动方式的驱动器和关节之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦等非线性因素的影响，控制性能比较好。然而，为了直接驱动手臂的关节，驱动器的输出转矩必须很大。此外，由于不能忽略动力学对手臂运动的影响，控制系统还必须考虑到手臂的动力学问题。一、驱动方式 高输出转矩的驱动器有油缸式液压装置和力矩电动机等，其中液压装置在结构和摩擦等方面的非线性因素很强，所以很难体现出直接驱动的优点。因此，在20世纪80年代所开发的力矩电动机采用了非线性的轴承机械系统，得到了优良的逆向驱动能力（以关节一侧带动驱动器的输出轴）。图图4-3 4-3 使用力矩电动机的直使用力矩电动机的直接驱动方式的关节机构实例接驱动方式的关节机构实例 一、驱动方式 使用这样的直接驱动方式的机器人通常称为DD机器人(direct drive robot，DDR)。DD机器人驱动电动机通过机械接口直接与关节连接，驱动电动机和关节之间没有速度和转矩的转换。日本、美国等工业发达国家已经开发出性能优异的DD机器人。美国Adept公司研制出带有视觉功能的四自由度平面关节型DD机器人。日本大日机工公司研制成功了五自由度关节型DD600V机器人，其性能指标为：最大工作范围为1.2 m，可搬重量为5 kg，最大运动速度为8.2 m/s，重复定位精度为0.05 mm。一、驱动方式 一、驱动方式 3.间接驱动方式间接驱动方式 间接驱动方式是把驱动器的动力经过减速器、钢丝绳、传送带或平行连杆等装置后传递给关节。间接驱动方式包含带减速器的电动机驱动和远距离驱动两种。目前大部分机器人的关节是间接驱动。一、驱动方式 中小型机器人一般采用普通的直流伺服电动机、交流伺服电动机或步进电动机作为机器人的执行电动机，由于电动机速度较高，输出转矩又大于驱动关节所需要的转矩，所以必须使用带减速器的电动机驱动。但是，间接驱动带来了机械传动中不可避免的误差，引起冲击振动，影响机器人系统的可靠性，并增加关节重量和尺寸。由于手臂通常采用悬臂梁结构，因而多自由度机器人关节上安装减速器会使手臂根部关节驱动器的负载增大。1)1)带减速器的电动机驱动带减速器的电动机驱动 一、驱动方式2)2)远距离驱动方式远距离驱动方式 一、驱动方式 驱动元件是执行装置，就是按照信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置。按照利用的能源来分，驱动元件主要分为电动执行装置、液压执行装置和气压执行装置。因此，机器人关节的驱动元件有液压驱动元件、气压驱动元件和电动机驱动元件。二、驱动元件 液压驱动的输出力和功率很大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。美国Unimation公司生产的Unimate型机器人采用了直线液压缸作为驱动元件。Versatran机器人也使用直线液压缸作为圆柱坐标式机器人的垂直驱动元件和径向驱动元件。1.液压驱动元件液压驱动元件 二、驱动元件 (1)液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为2563 kg/cm2），体积较小。(2)可以获得较大的推力或转矩；功率/重量比大，可以减小执行装置的体积。(3)介质可压缩性小，刚度高，工作平稳、可靠，能够实现高速、高精度的位置控制。(4)在液压传动中，通过流量控制可以实现无级变速，比较容易实现自动控制。(5)液压系统采用油液作为介质，具有防锈和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。1)1)机器人采用液压驱动元件的优点机器人采用液压驱动元件的优点 二、驱动元件 (1)油液的黏度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起油液燃烧、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。(4)必须对油的污染进行控制，稳定性较差。(5)液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大，造价较高。2)2)机器人采用液压驱动元件的缺点机器人采用液压驱动元件的缺点 二、驱动元件 2.气压驱动元件气压驱动元件1)采用气压驱动元件的优点13压缩空气黏度小，容易达到高速(1 m/s)。利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备。空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业。气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。二、驱动元件2)采用气压驱动元件的缺点13压缩空气常用压力为0.40.6 MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大。空气压缩性大，工作稳定性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难。压缩空气的除水问题处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。排气还会造成噪声污染。二、驱动元件 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，一般用于对速度和位置精度要求不高的场合。电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动逐渐为电动机驱动所代替。二、驱动元件 3.电机驱动元件电机驱动元件 电动机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出转矩大，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转矩相对较小，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。二、驱动元件 4.各种驱动元件的特点各种驱动元件的特点 二、驱动元件 二、驱动元件 机器人采用的直线驱动包括直角坐标结构的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与活塞产生，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。三、驱动机构 1.直线驱动机构直线驱动机构 2.旋转驱动机构旋转驱动机构 多数普通电动机和伺服电动机都能够直接产生旋转运动，但其输出转矩比所需要的转矩小，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，以获得较大的转矩。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。由于旋转驱动具有旋转轴强度高、摩擦小、可靠性好等优点，因此在结构设计中较多采用。三、驱动机构 3.行走机构的驱动行走机构的驱动 在行走机构关节中，完全采用旋转驱动实现关节伸缩时，旋转运动虽然也能转化得到直线运动，但在高速运动时，关节伸缩的加速度不能忽视，它可能产生振动。为了提高着地点选择的灵活性，还必须增加直线驱动系统。因此，许多情况采用直线驱动更为合适。直线气缸仍是目前所有驱动装置中最廉价的动力源，凡能够使用直线气缸的地方，还是应该选用它。有些要求精度高的地方也要选用直线驱动。三、驱动机构学习单元二机器人驱动系统的比较机器人驱动系统的比较 学习单元三 机器人液压驱动系统学习单元三机器人液压驱动系统机器人液压驱动系统 1.液压伺服系统的组成液压伺服系统的组成 一、液压伺服系统的组成及工作特点图图4-4 4-4 液压伺服系统的组成液压伺服系统的组成 液压泵将压力油供到伺服阀，给定位置指令值与位置传感器的实测值之差经过放大器放大后送到伺服阀。当信号输入伺服阀时，压力油被供到驱动器并驱动载荷。当反馈信号与输入指令值相同时，驱动器便停止工作。伺服阀在液压伺服系统中是不可缺少的一部分，它利用电信号实现液压系统的能量控制。在响应快、载荷大的伺服系统中往往采用液压驱动器，原因在于液压驱动器的输出功率与重量之比最大。一、液压伺服系统的组成及工作特点 (1)在液压伺服系统的输入和输出之间存在反馈连接，从而组成了闭环控制系统。反馈介质可以是机械的、电气的、气动的、液压的或它们的组合形式。(2)系统的主反馈是负反馈，即反馈信号与输入信号相反，用二者比较得到的偏差信号来控制液压源，控制输入液压元件的流量，使其向减小偏差的方向移动，即以偏差来减小偏差。(3)系统输入信号的功率很小，但系统的输出功率却可以很大，因此它是一个功率放大装置，功率放大所需的能量由液压源提供。液压源提供能量的大小是根据伺服系统偏差大小自动进行控制的。2.液压伺服系统的工作特点液压伺服系统的工作特点 一、液压伺服系统的组成及工作特点 电液伺服系统通过电气传动方式，用电气信号输入系统来操作有关的液压驱动元件动作，控制液压执行元件，使其跟随输入信号而动作。在这类伺服系统中，电、液两部分都采用电液伺服阀作为转换元件。二、电液伺服系统 1.电液伺服系统的组成电液伺服系统的组成图图4-5 4-5 机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图 二、电液伺服系统 具体工作过程为：当数控装置发出一定数量的脉冲时，步进电动机就会带动电位器的动触头转动。假设顺时针转过一定的角度，这时电位器输出电压为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，液压缸右侧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旋转，与前述过程相反，机械手手臂就会缩回。二、电液伺服系统图图4-6 4-6 机械手手臂伸缩运动的伺服系统框图机械手手臂伸缩运动的伺服系统框图 二、电液伺服系统三、液压驱动系统的工作原理图图4-7 4-7 液压驱动系统的工作原理液压驱动系统的工作原理11油箱；油箱；22液压泵；液压泵；33溢流阀；溢流阀；44换向阀；换向阀；55液压缸；液压缸；66节流阀节流阀 四、液压驱动系统的主要设备 液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动或摆动运动的液压执行元件。它结构简单，工作可靠。用液压缸来实现往复运动时，可免去减速装置，且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。1.液压缸液压缸1 1）直线液压缸）直线液压缸 用电磁阀控制的直线液压缸是最简单和最便宜的开环液压驱动装置。在直线液压缸的操作中，可以通过受控节流口调节流量，在机械部件到达运动终点时实现减速，使停止过程得到控制。无论是直线液压缸或旋转液压电动机，它们的工作原理都是基于高压油对活塞或叶片的作用。液压油是经控制阀被送到液压缸的一端的，在开环系统中，阀是由电磁铁控制的；在闭环系统中，阀则是用电液伺服阀来控制的。四、液压驱动系统的主要设备图图4-8 4-8 直线液压缸中阀的控制直线液压缸中阀的控制 四、液压驱动系统的主要设备2 2）液压电动机）液压电动机图图4-9 4-9 旋转液压电动机旋转液压电动机 液压电动机又称为旋转液压电动机，是液压系统的旋转式执行元件，如图4-9所示。四、液压驱动系统的主要设备 四、液压驱动系统的主要设备 对单向阀的主要性能要求为：油液通过时压力损失要小；反向截止密封性要好。压力油从P1进入，克服弹簧力推动阀芯，使油路接通，压力油从P2流出；当压力油从反向进入时，油液压力和弹簧力将阀芯压紧在阀座上，油液不能通过。四、液压驱动系统的主要设备 2.液压阀液压阀1)1)单向阀单向阀 单向阀只允许油液向某一方向流动，而反向截止，这种阀也称为止回阀，如图4-10所示。图图4-10 4-10 单向阀单向阀 四、液压驱动系统的主要设备2 2）换向阀）换向阀 (1)滑阀式换向阀。滑阀式换向阀是靠阀芯在阀体内做轴向运动，使相应的油路接通或断开的换向阀。其换向原理如图4-11所示。当阀芯处于图4-11(a)所示位置时，P与B，A与T相连，活塞向左运动；当阀芯处于图4-11(b)所示位置时，P与A，B与T相连，活塞向右运动。图图4-11 4-11 换向阀的换向原理换向阀的换向原理 四、液压驱动系统的主要设备 (2)手动换向阀。手动换向阀用于手动换向。(3)机动换向阀。机动换向阀用于机械运动中，作为限位装置限位换向，如图4-12所示。图图4-12 4-12 机动换向阀机动换向阀11行程挡块；行程挡块；22滚轮；滚轮；33阀体；阀体；44阀芯；阀芯；55弹簧弹簧 四、液压驱动系统的主要设备学习单元四机器人气压驱动系统机器人气压驱动系统 (4)电磁换向阀。电磁换向阀用于在电气装置或控制装置发出换向命令时，改变流体方向，从而改变机械运动状态。三位四通电磁换向阀如图4-13所示。图图4-13 4-13 三位四通电磁换向阀三位四通电磁换向阀11阀体；阀体；22阀芯；阀芯；33定位器；定位器；44弹簧；弹簧；55挡块；挡块；64t64t杆；杆；77环；环；88线圈；线圈；99衔铁；衔铁；1010导套；导套；1111插头插头 四、液压驱动系统的主要设备 气源装置是获得压缩空气的装置，其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能。气压驱动系统中的气源装置为气动系统提供符合使用要求的压缩空气，它是气压传动系统的重要组成部分。由空气压缩机产生的压缩空气必须经过降温、净化、减压、稳压等一系列处理后，才能供给控制元件和执行元件使用。用过的压缩空气排向大气时，会产生噪声，应采取措施，降低噪声，改善劳动条件和环境质量。一、气源装置 压缩空气站的设备一般包括产生压缩空气的空气压缩机和使气源净化的辅助设备。1.空气压缩站的设备组成空气压缩站的设备组成图图4-14 4-14 压缩空气站设备组成及布置示意图压缩空气站设备组成及布置示意图11空气压缩机；空气压缩机；22后冷却器；后冷却器；33油水分离器；油水分离器；4 4、77贮气罐；贮气罐；55干燥器；干燥器；66过滤器过滤器 一、气源装置 在图4-14中，空气压缩机用于产生压缩空气，一般由电动机带动。其吸气口装有空气过滤器，以减少进入空气压缩机的杂质量。后冷却器用于降温冷却压缩空气，使净化的水凝结出来。油水分离器用于分离并排出降温冷却的水滴、油滴、杂质等。贮气罐用于储存压缩空气，稳定压缩空气的压力，并除去部分油分和水分。干燥器用于进一步吸收或排除压缩空气中的水分和油分，使之成为干燥空气。过滤器用于进一步过滤压缩空气中的灰尘、杂质颗粒。贮气罐4输出的压缩空气可用于一般要求的气压传动系统，贮气罐7输出的压缩空气可用于要求较高的气动系统（气动仪表及射流元件组成的控制回路等）。一、气源装置 2.空气过滤减压器空气过滤减压器 空气过滤减压器也称为调压阀，其由空气过滤器、减压阀和油雾器组成，合称为气动三大件，减压阀是其中不可缺少的一部分，其能将较高的进口压力调节并降低到要求的出口压力，并能保证出口压力稳定，即起到减压和稳压作用。气动减压阀按压力调节方式分为直动式减压阀和先导式减压阀，后者适用于较大通径的场合，直动式减压阀用得最多。一、气源装置 空气过滤减压器是最典型的附件。它用于净化来自空气压缩机的压缩空气，并能把压力调整到所需的压力值，且具有自动稳压的功能。图空气过滤减压器是以力平衡原理动作的。当来自空气压缩机的空气输入过滤减压器的输入端后，进入过滤器气室A。由于旋风盘5的作用，使气流旋转并将空气中的水分分离出一部分，在壳体底部沉降下来。当气流经过过滤件4时，进行除水、除油、除尘，空气得到净化后输出。图图4-15 4-15 空气过滤减压器的结构空气过滤减压器的结构11给定弹簧；给定弹簧；22膜片；膜片；33球体阀瓣；球体阀瓣；44过滤件；过滤件；55旋风盘；旋风盘；A A、BB气室气室 一、气源装置 当调节手轮按逆时针方向拧到不动时，过滤减压器没有输出压力，气路被球体阀瓣3切断。若按顺时针方向转动手轮，则活动弹簧座把给定弹簧1往下压，弹簧力通过膜片2把球体阀瓣打开，使气流经过球体阀瓣而流到输出管路。与此同时，气压通过反馈小孔进入反馈气室B，压力作用在膜片上，将产生一个向上的力。若此力与给定弹簧所产生的力相等，则过滤减压器达到力平衡，输出压力就稳定下来。给定弹簧的作用力越大，输出的压力就越高。因此，调节手轮就可以调节给定值。在安装过滤减压器时，必须按箭头方向或“输入”“输出”方向，分别与管道连接。减压器正常工作时，一般不需要特殊维护。使用半年之后检修一次。当过滤元件阻塞时，可将其拆下，放在10%的稀盐酸溶液中煮沸，用清水漂净，烘干之后继续使用。一、气源装置 二、气动控制元件 1.压力控制阀压力控制阀1)1)压力控制阀的作用及分类压力控制阀的作用及分类 气压系统不同于液压系统，一般每一个液压系统都自带液压源（液压泵）；而在气压系统中，一般来说由空气压缩机先将空气压缩，储存在贮气罐内，然后经管路输送给各个气动装置使用。贮气罐的空气压力往往比各台设备实际所需要的压力高些，同时其压力波动值也较大。因此，需要用减压阀（调压阀）将其压力减到每台装置所需的压力，并使减压后的压力稳定在所需压力值上。有些气动回路需要依靠回路中压力的变化来控制两个执行元件的顺序动作，所用的阀就是顺序阀。顺序阀与单向阀的组合称为单向顺序阀。为了安全起见，所有的气动回路或贮气罐，当压力超过允许压力值时，需要自动向外排气，这种压力控制阀称为安全阀（溢流阀）。二、气动控制元件2)2)减压阀减压阀图图4-16 4-16 直动式减压阀的结构直动式减压阀的结构11调节手柄；调节手柄；2 2、33调压弹簧；调压弹簧；44溢流口；溢流口；55膜片；膜片；66阀杆；阀杆；77阻尼管；阻尼管；88阀芯；阀芯；99阀座；阀座；1010复位弹簧；复位弹簧；1111排气孔排气孔 二、气动控制元件 当阀处于工作状态时，调节手柄1、调压弹簧2和3、膜片5通过阀杆6使阀芯8下移，进气阀口被打开，有压气流从左端输入，经阀口节流减压后从右端输出。输出气流的一部分由阻尼管7进入膜片气室，在膜片5的下方产生一个向上的推力，这个推力总是企图把阀口开度关小，使其输出压力下降，当作用于膜片上的推力与弹簧力相平衡后，减压阀的输出压力便保持一定。二、气动控制元件 二、气动控制元件 二、气动控制元件3 3）顺序阀）顺序阀 顺序阀是依靠气路中压力的作用而控制执行元件按顺序动作的压力控制阀，如图4-17所示，它根据弹簧的预压缩量来控制其开启压力。当输入压力达到或超过开启压力时，顶开弹簧，于是P到A才有输出；反之，A无输出。图图4-17 4-17 顺序阀的工作原理顺序阀的工作原理 二、气动控制元件 顺序阀很少单独使用，往往与单向阀配合在一起，构成单向顺序阀。图4-18所示为单向顺序阀的工作原理。当压缩空气由左端进入阀腔后，作用于活塞3上的力超过压缩弹簧2上的力时，将活塞顶起，压缩空气从P经A输出，如图4-18（a）所示，此时单向阀4在压差力及弹簧力的作用下处于关闭状态。反向流动时，输入侧变成输出侧，输出侧压力将顶开单向阀4由O口排气，如图4-18（b）所示。调节旋钮就可改变单向顺序阀的开启压力，以便在不同的开启压力下控制执行元件的顺序动作。二、气动控制元件图图4-18 4-18 单向顺序阀的工作原理单向顺序阀的工作原理11调节手柄；调节手柄；22压缩弹簧；压缩弹簧；33活塞；活塞；44单向阀单向阀 二、气动控制元件 2.流量控制阀流量控制阀 在气压传动系统中，有时需要控制气缸的运动速度，有时需要控制换向阀的切换时间和气动信号的传递速度，这些都需要通过调节压缩空气的流量来实现。流量控制阀就是通过改变阀的通流截面积来实现流量控制的元件。流量控制阀包括节流阀、单向节流阀、排气节流阀和快速排气阀等。二、气动控制元件2 2）轮组三轮行走机构）轮组三轮行走机构 压缩空气由P口进入，经过节流后，由A口流出。旋转阀芯螺杆，就可改变节流口的开度，这样就调节了压缩空气的流量。这种节流阀因结构简单、体积小，故应用范围较广。图图4-19 4-19 节流阀节流阀(圆柱斜圆柱斜切型切型)的工作原理的工作原理 二、气动控制元件 单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的组合式流量控制阀。当气流沿PA方向流动时，如图4-20（a）所示，气流经过节流阀节流；如图4-20（b）所示，气流反方向沿AP方向流动时，单向阀打开，不节流。单向节流阀常用于气缸的调速和延时回路。2)2)单向节流阀单向节流阀图图4-20 4-20 单向节流阀的工作原理单向节流阀的工作原理 二、气动控制元件 排气节流阀是装在执行元件的排气口处，调节进入大气中气体流量的一种控制阀。它不仅能调节执行元件的运动速度，还常带有消声器件，能起降低排气噪声的作用。排气节流阀的工作原理和节流阀类似，靠调节节流口1处的通流截面积来调节排气流量，由消声套2来减小排气噪声。3)3)排气节流阀排气节流阀图图4-21 4-21 排气节流阀的工作原理排气节流阀的工作原理11节流口；节流口；22消声套消声套 二、气动控制元件 应当指出，用流量控制的方法控制气缸内活塞的运动速度时，采用气压控制比采用液压控制困难，特别是在极低速控制中，要按照预定行程变化来控制速度，只用气动很难实现。在外部负载变化很大时，仅用气动流量阀也不会得到满意的调速效果。为提高零部件的运动平稳性，建议采用气液联动控制。二、气动控制元件 如图4-22（a）所示，压缩空气从进气口P，并将密封活塞迅速上推，开启阀口，同时关闭排气口O，使进气口P和工作口A相通。如图4-22（b）所示，P口没有压缩空气进入时，在A口和P口压差作用下，密封活塞迅速下降，关闭P口，使A口通过O口快速排气。3)3)排气节流阀排气节流阀图图4-22 4-22 快速排气阀的工作原理快速排气阀的工作原理 二、气动控制元件 快速排气阀常安装在换向阀和气缸之间。快速排气阀使气缸的排气不用通过换向阀而快速排出，从而加速了气缸的往复运动速度，缩短了工作周期。图图4-23 4-23 快速排气阀在回路中的应用快速排气阀在回路中的应用 二、气动控制元件 3.方向控制阀方向控制阀 方向控制阀是气压传动系统中通过改变压缩空气的流动方向和气流的通断，来控制执行元件起动、停止及运动方向的气动元件。根据方向控制阀的功能、控制方式、结构方式、阀内气流的方向及密封形式等，方向控制阀可以分为以下5类。二、气动控制元件1 1）气压控制转换阀）气压控制转换阀 气压控制换向阀是以压缩空气为动力切换气阀，使气路换向或通断的阀类。气压控制换向阀的用途很广，多用于组成全气阀控制的气压传动系统或易燃、易爆、高净化等场合。（1）单气控加压式换向阀。图4-24所示为单气控加压截止式换向阀的工作原理。图4-24（a）所示为无气控信号状态（常态），此时，阀芯在弹簧的作用下处于上端位置，使阀口A与O相通，A口排气。图4-24（b）所示为有气控信号状态（动力阀状态）。由于气压力的作用，阀芯压缩弹簧下移，使阀口A与O断开，P与A接通，A口有气体输出。图2-24(c)所示为该阀的图形符号。二、气动控制元件图图4-24 4-24 单气控加压截止式换向阀的工作原理单气控加压截止式换向阀的工作原理 二、气动控制元件 单气控截止式换向阀的结构简单、紧凑、密封可靠、换向行程短，但换向力大。若将气控接头换成电磁头（电磁先导阀），可变气控阀为先导式电磁换向阀。图图4-25 4-25 二位三通单气控截止式换向阀结构图二位三通单气控截止式换向阀结构图 二、气动控制元件 （2）双气控加压式换向阀。图4-26（a）所示为有气控信号状态(K2)，此时，阀停在左边，其通路状态是P与A，B与O相通。图4-26（b）所示为有气控信号状态(K1)，此时信号K2已不存在，阀芯换位，其通路状态变为P与B，A与O相通。双气控滑阀具有记忆功能，即气控信号消失后，阀仍能保持在有信号时的工作状态。图图4-26 4-26 双气控滑阀式换向阀的工作原理双气控滑阀式换向阀的工作原理 二、气动控制元件2)2)电磁控制转向阀电磁控制转向阀 电磁控制换向阀利用电磁力的作用来实现阀的切换，以控制气流的流动方向。常用的电磁控制换向阀有直动式和先导式两种。二、气动控制元件3)3)机械控制转向阀机械控制转向阀 机械控制换向阀又称为行程阀，多用于行程程序控制，作为信号阀使用。常依靠凸轮、挡块或其他机械外力推动阀芯，使阀换向。二、气动控制元件4)4)人力控制转向阀人力控制转向阀 二、气动控制元件5)5)时间控制转向阀时间控制转向阀 时间控制换向阀是使气流通过气阻（如小孔、缝隙等）节流后到气容（储气空间）中，经一定的时间先使气容内建立起一定的压力后，使阀芯换向的阀类。在不允许使用时间继电器（电控制）的场合（易燃、易爆、粉尘大等），用气动时间控制就显出其优越性。二、气动控制元件 气缸是气动系统的执行元件之一。除几种特殊气缸外，普通气缸的种类及结构形式与液压缸基本相同。目前最常用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化和通用化。标准气缸通常有无缓冲普通气缸和有缓冲普通气缸等。较为典型的特殊气缸有气液阻尼缸、薄膜式气缸和冲击式气缸等。1.气缸气缸 三、气动执行元件 三、气动执行元件1)1)气液阻尼缸气液阻尼缸 普通气缸工作时，由于气体有压缩性，当外部载荷变化较大时，会产生“爬行”或“自走”现象，使气缸的工作不稳定。为了使气缸运动平稳，普遍采用气液阻尼缸。气液阻尼缸中一般将双活塞杆缸作为液压缸。因为这样可使液压缸两腔的排油量相等，此时油箱内的油液只用来补充因液压缸泄漏而减少的油量，一般用油杯就可以了。三、气动执行元件 薄膜式气缸是一种利用压缩空气通过膜片推动活塞杆做往复直线运动的气缸。它由缸体、膜片、膜盘和活塞杆等主要零件组成。其功能类似于活塞式气缸，它分单作用式和双作用式两种，如图4-27所示。薄膜式气缸的膜片可以做成盘形膜片和平膜片两种形式。膜片材料为夹织物橡胶、钢片或磷青铜片，常用的是夹织物橡胶，橡胶的厚度为56 mm，有时也可为13 mm。金属式膜片只用在行程较小的薄膜式气缸中。2)2)薄膜式气缸薄膜式气缸 三、气动执行元件图图4-27 4-27 薄膜式气缸的结构简图薄膜式气缸的结构简图11缸体；缸体；22膜片；膜片；33膜盘；膜盘；44活塞杆活塞杆3)3)冲击式气缸冲击式气缸 冲击式气缸是一种体积小、结构简单、易于制造、耗气功率小但能产生相当大的冲击力的特殊气缸。与普通气缸相比，冲击式气缸的结构特点是增加了一个具有一定容积的蓄能腔和喷嘴。图图4-28 4-28 冲击式气缸的工作原理冲击式气缸的工作原理 三、气动执行元件 三、气动执行元件 三、气动执行元件 冲击式气缸的整个工作过程可简单地分为以下3个阶段。（1）压缩空气由孔A输入冲击缸的下腔，蓄气缸经孔B排气，活塞上升并用密封垫封住喷嘴，中盖和活塞间的环形空间经排气孔与大气相通，如图4-28（a）所示。（2）压缩空气改由孔B进气，压缩空气进入蓄气缸中，冲击缸下腔，经孔A排气。由于活塞上端气压作用在面积较小的喷嘴上，而活塞下端受力面积较大（一般设计成喷嘴面积的9倍），冲击缸下腔的压力虽因排气而下降，但此时活塞下端向上的作用力仍然大于活塞上端向下的作用力，如图4-28（b）所示。三、气动执行元件二、机器人臂部的配置 气动电动机也是气动执行元件的一种。它的作用相当于电动机或液压电动机，即输出转矩，拖动机构做旋转运动。气动电动机是以压缩空气为工作介质的原动机，如图4-29所示。3.气动电动机气动电动机图图4-29 4-29 气动电动机气动电动机 三、气动执行元件 三、气动执行元件 (3)工作安全，不受振动、高温、电磁、辐射等影响，适用于恶劣的工作环境，在易燃、易爆、高温、振动、潮湿、粉尘等不利条件下均能正常工作。(4)有过载保护作用，不会因过载而发生故障。过载时，气动电动机只是转速降低或停止，当过载解除后，即可以重新正常运转，并不产生机件损坏等故障。气动电动机可以长时间满载连续运转，温升较小。(5)具有较高的起动转矩，可以直接带载荷起动。起动、停止均迅速。三、气动执行元件 (6)功率范围及转速范围较宽。功率小至几百瓦，大至几万瓦；转速可从零一直到每分钟几万转。(7)操纵方便，维护检修较容易。气动电动机具有结构简单、体积小、重量轻、功率大、操纵容易、维护方便等优点。(8)使用空气作为介质，无供应上的困难，用过的空气不需处理，释放到大气中无污染。压缩空气可以集中供应或远距离输送。(9)输出功率相对较小，最大只有20 kW左右。(10)耗气量大，效率低，噪声大。学习单元五机器人电气驱动系统机器人电气驱动系统 一、机器人对关节驱动电动机的要求 (1)快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应尽可能短。响应指令信号的时间越短，电动机伺服系统的灵敏性越高，快速响应性能越好，一般是以伺服电动机的机电时间常数来表示伺服电动机快速响应的性能。(2)起动转矩惯量比较大。在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。一、机器人对关节驱动电动机的要求 (3)控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。(4)调速范围宽，能使用于11 000110 000的调速范围。(5)体积小，质量轻，轴向尺寸短。(6)能在苛刻的运行条件下工作，可进行十分频繁的正、反向和加、减速运动，并能在短时间内承受过载。一、机器人对关节驱动电动机的要求 目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人领域中得到了广泛应用。一般负载在1 000 N以下的工业机器人大多采用电动机伺服驱动系统。所采用的关节驱动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，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机(DD)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了电子换向，无换向火花，在易燃、易爆环境中得到了广泛的应用。机器人关节驱动电动机的功率一般为0.110 kW。一、机器人对关节驱动电动机的要求 目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人领域中得到了广泛应用。一般负载在1 000 N以下的工业机器人大多采用电动机伺服驱动系统。所采用的关节驱动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，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机(DD)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了电子换向，无换向火花，在易燃、易爆环境中得到了广泛的应用。机器人关节驱动电动机的功率一般为0.110 kW。工业机器人电动伺服系统的结构一般为3个闭环控制，即电流环(转矩控制)、速度环(速度控制)和位置环(位置控制)。图图4-30 4-30 工业机器人电动机的驱动原理工业机器人电动机的驱动原理 一、机器人对关节驱动电动机的要求 步进电动机(stepping motor)是一种将输入脉冲信号转换成相应角位移或线位移的旋转电动机。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数，做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接受数字量的控制，因而特别适宜采用计算机进行控制，是位置控制中不可或缺的执行装置。二、步进电动机驱动器二、步进电动机驱动器 通常步进电动机具有永磁转子，而定子上有多个绕组。由于绕组中产生的热量很容易从电动机机体散失，因而步进电动机很容易受到热损坏的影响，且因为没有电刷与换向器，所以寿命比较长。1.步进电动机的分类步进电动机的分类图图4-31 4-31 步进电动机的结构步进电动机的结构二、步进电动机驱动器二、步进电动机驱动器 (1)永磁式步进电动机。永磁式步进电动机的转子为圆筒形永磁钢，定子位于转子的外侧，定子绕组中流过电流时产生定子磁场。定子和转子磁场间相互作用，产生吸引力或排斥力，从而使转子旋转。永磁式步进电动机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5或15。该步进电动机结构简单，生产成本低，步距角大，起动频率低，动态性能差。(2)反应式步进电动机。反应式步进电动机的转子由齿轮状的低碳钢构成，转子在通电相定子磁场的作用下，旋转到磁阻最小的位置。永磁式步进电动机出力大，动态性能好，但步距角大。二、步进电动机驱动器 电动机的定子上有 6个均匀分布的磁极，其夹角是60。各磁极上套有绕组，按图4-32所示的绕法连成A、B、C三相绕组。转子上均匀分布40个小齿。因此，每个齿的齿距为E=360/40=9，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。3.步进电动