1、模塊四機器人的驅動系統機器人驅動系統概述1機器人驅動系統比較2機器人液壓驅動系統3機器人氣壓驅動系統4機器人電氣驅動系統4 本模塊主要介紹機器人的驅動系統，內容包括機器人的直接驅動方式與間接驅動方式，液壓、氣壓、電動驅動的元件與特點，液壓驅動系統的組成與工作原理，液壓驅動系統的主要設備；氣壓驅動系統的組成與工作原理，氣壓驅動系統的主要設備；直流電動機與直流伺服電動機的結構原理與參數，步進電動機的結構原理。單元提要 學習完本模塊的內容后，學生應能夠了解機器人的驅動方式，掌握不同類型機器人驅動元件的性能與特點，能夠熟練地分析機器人的驅動機構和驅動方式；掌握機器人的液壓驅動系統的組成，熟悉液壓驅動系

2、統主要設備的工作機理；能夠分析液壓驅動系統的流程，能夠找出液壓驅動系統的故障環節。掌握機器人的氣壓驅動系統的組成，熟悉氣壓驅動系統主要設備的工作機理；能夠分析氣壓驅動系統的流程，能夠找出氣壓驅動系統的故障環節。了解伺服系統與伺服電動機的要點，掌握直流電動機與直流伺服電動機的結構原理，掌握步進電動機的結構原理。學習要求學習單元一機器人的驅動系統機器人的驅動系統 機器人中連接運動部分的機構稱為關節。關節有轉動型和移動型，分別稱為轉動關節和移動關節。 （1)轉動關節。 轉動關節就是在機器人中簡稱為關節，是機器人的連接部分，它既連接各機構，又傳遞各機構間的回轉運動（擺動），用于基座與臂部、臂部與臂部、

3、臂部與手部等連接部位。關節由回轉軸、軸承和驅動機構組成。 1.關節與軸承關節與軸承1 1）關節）關節 一、驅動方式圖圖4-1 4-1 轉動關節的形式轉動關節的形式 一、驅動方式 驅動機構與回轉軸同軸式。驅動機構與回轉軸同軸式的驅動機構直接驅動回轉軸，有較高的定位精度。但是，為減輕重量，要選擇小型減速器并增加臂部的剛性。它適用于水平多關節型機器人。 驅動機構與回轉軸正交式。重量大的減速機構安放在基座上，通過臂部的齒輪、鏈條傳遞運動。這種形式適用于要求臂部結構緊湊的場合。 一、驅動方式 外部驅動機構驅動臂部的形式。外部驅動機構驅動臂部的形式適合于傳遞大轉矩的回轉運動，采用的傳動機構有滾珠絲杠、液壓

4、缸和氣缸。 驅動電動機安裝在關節內部的形式。驅動電動機安裝在關節內部的形式稱為直接驅動形式。 一、驅動方式 一、驅動方式 滾動導軌按滾動體分為球、圓柱滾子和滾針。 滾動導軌按軌道分為圓軸式、平面式和滾道式。 滾動導軌按滾動體是否循環分為循環式和非循環式。 這些滾動導軌各有特點，裝有滾珠的滾動導軌適用于中小載荷和小摩擦的場合，裝有滾柱的滾動導軌適用于重載和高剛性的場合。受輕載滾柱的特性接近于線性彈簧，呈硬彈簧特性；滾珠的特性接近于非線性彈簧，剛性要求高時應施加一定的預緊力。 一、驅動方式2 2）軸承）軸承 機器人中軸承起著相當重要的作用，用于轉動關節的軸承有多種形式，球軸承是機器人結構中最常用的

5、軸承。球軸承能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對軸和軸承座的剛度不敏感。圖4-2（a）所示為普通向心球軸承，圖4-2（b）所示為向心推力球軸承。這兩種軸承的每個球和滾道之間只有兩點接觸（一點與內滾道，另一點與外滾道）。為實現預載，此種軸承必須成對使用。圖4-2（c）所示為四點接觸球軸承。該軸承的滾道是尖拱式半圓，球與每個滾道兩點接觸，該軸承通過兩內滾道之間適當的過盈量實現預緊。因此，四點接觸球軸承的優點是無間隙，能承受雙向軸向載荷，尺寸小，承載能力和剛度比同樣大小的一般球軸承高1.5倍；缺點是價格較高。 一、驅動方式圖圖4-2 4-2 基本耐磨球軸承基本耐磨球軸承 一、驅動方式 直接驅動方式是指

6、驅動器的輸出軸和機器人手臂的關節軸直接相連的方式。直接驅動方式的驅動器和關節之間的機械系統較少，因而能夠減少摩擦等非線性因素的影響，控制性能比較好。然而，為了直接驅動手臂的關節，驅動器的輸出轉矩必須很大。此外，由于不能忽略動力學對手臂運動的影響，控制系統還必須考慮到手臂的動力學問題。 一、驅動方式 高輸出轉矩的驅動器有油缸式液壓裝置和力矩電動機等，其中液壓裝置在結構和摩擦等方面的非線性因素很強，所以很難體現出直接驅動的優點。因此，在20世紀80年代所開發的力矩電動機采用了非線性的軸承機械系統，得到了優良的逆向驅動能力（以關節一側帶動驅動器的輸出軸）。圖圖4-3 4-3 使用力矩電動機的直使用力

7、矩電動機的直接驅動方式的關節機構實例接驅動方式的關節機構實例 一、驅動方式 使用這樣的直接驅動方式的機器人通常稱為DD機器人(direct drive robot，DDR)。DD機器人驅動電動機通過機械接口直接與關節連接，驅動電動機和關節之間沒有速度和轉矩的轉換。 日本、美國等工業發達國家已經開發出性能優異的DD機器人。美國Adept公司研制出帶有視覺功能的四自由度平面關節型DD機器人。日本大日機工公司研制成功了五自由度關節型DD600V機器人，其性能指標為：最大工作范圍為1.2 m，可搬重量為5 kg，最大運動速度為8.2 m/s，重復定位精度為0.05 mm。 一、驅動方式 一、驅動方式

8、3.間接驅動方式間接驅動方式 間接驅動方式是把驅動器的動力經過減速器、鋼絲繩、傳送帶或平行連桿等裝置后傳遞給關節。間接驅動方式包含帶減速器的電動機驅動和遠距離驅動兩種。目前大部分機器人的關節是間接驅動。 一、驅動方式 中小型機器人一般采用普通的直流伺服電動機、交流伺服電動機或步進電動機作為機器人的執行電動機，由于電動機速度較高，輸出轉矩又大于驅動關節所需要的轉矩，所以必須使用帶減速器的電動機驅動。但是，間接驅動帶來了機械傳動中不可避免的誤差，引起沖擊振動，影響機器人系統的可靠性，并增加關節重量和尺寸。由于手臂通常采用懸臂梁結構，因而多自由度機器人關節上安裝減速器會使手臂根部關節驅動器的負載增大

9、。1)1)帶減速器的電動機驅動帶減速器的電動機驅動 一、驅動方式2)2)遠距離驅動方式遠距離驅動方式 一、驅動方式 驅動元件是執行裝置，就是按照信號的指令，將來自電、液壓和氣壓等各種能源的能量轉換成旋轉運動、直線運動等方式的機械能的裝置。按照利用的能源來分，驅動元件主要分為電動執行裝置、液壓執行裝置和氣壓執行裝置。因此，機器人關節的驅動元件有液壓驅動元件、氣壓驅動元件和電動機驅動元件。 二、驅動元件 液壓驅動的輸出力和功率很大，能構成伺服機構，常用于大型機器人關節的驅動。美國Unimation公司生產的Unimate型機器人采用了直線液壓缸作為驅動元件。Versatran機器人也使用直線液壓缸

10、作為圓柱坐標式機器人的垂直驅動元件和徑向驅動元件。 1. 液壓驅動元件液壓驅動元件 二、驅動元件 (1)液壓容易達到較高的單位面積壓力（常用油壓為2563 kg/cm2），體積較小。 (2)可以獲得較大的推力或轉矩；功率/重量比大，可以減小執行裝置的體積。 (3)介質可壓縮性小，剛度高，工作平穩、可靠，能夠實現高速、高精度的位置控制。 (4)在液壓傳動中，通過流量控制可以實現無級變速，比較容易實現自動控制。 (5)液壓系統采用油液作為介質，具有防銹和自潤滑性能，可以提高機械效率，使用壽命長。1)1)機器人采用液壓驅動元件的優點機器人采用液壓驅動元件的優點 二、驅動元件 (1)油液的黏度隨溫度變

11、化而變化，影響工作性能，高溫容易引起油液燃燒、爆炸等危險。 (2)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質量，故造價較高。 (3)需要相應的供油系統，尤其是電液伺服系統要求嚴格的濾油裝置，否則會引起故障。 (4)必須對油的污染進行控制，穩定性較差。 (5)液壓油源和進油、回油管路等附屬設備占空間較大，造價較高。2)2)機器人采用液壓驅動元件的缺點機器人采用液壓驅動元件的缺點 二、驅動元件 2.氣壓驅動元件氣壓驅動元件1)采用氣壓驅動元件的優點13壓縮空氣黏度小，容易達到高速(1 m/s)。利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣，不必添加動力設備。空氣介質對環境無污染，使用安全，可直接應用于高溫

12、作業。氣動元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。 二、驅動元件2)采用氣壓驅動元件的缺點13壓縮空氣常用壓力為0.40.6 MPa，若要獲得較大的力，其結構就要相對增大。空氣壓縮性大，工作穩定性差，速度控制困難，要達到準確的位置控制很困難。壓縮空氣的除水問題處理不當會使鋼類零件生銹，導致機器人失靈。排氣還會造成噪聲污染。 二、驅動元件 交、直流伺服電動機一般用于閉環控制系統，而步進電動機則主要用于開環控制系統，一般用于對速度和位置精度要求不高的場合。 電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，電動機性能也逐漸提高。所以總的看來，目前機器人關節驅動逐漸為電動機驅動所代替。 二、驅動元件 3.電機

13、驅動元件電機驅動元件 電動機驅動可分為普通交流電動機驅動，交、直流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。 普通交、直流電動機驅動需加減速裝置，輸出轉矩大，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轉矩相對較小，控制性能好，可實現速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。 二、驅動元件 4.各種驅動元件的特點各種驅動元件的特點 二、驅動元件 二、驅動元件 機器人采用的直線驅動包括直角坐標結構的X、Y、Z向驅動，圓柱坐標結構的徑向驅動和垂直升降驅動，以及球坐標結構的徑向伸縮驅動。直線運動可以直接由氣缸或液壓缸與活塞產生，也可以采用齒輪齒條、絲杠螺母等傳動方式把旋轉運動轉換成

14、直線運動。 三、驅動機構 1.直線驅動機構直線驅動機構 2. 旋轉驅動機構旋轉驅動機構 多數普通電動機和伺服電動機都能夠直接產生旋轉運動，但其輸出轉矩比所需要的轉矩小，轉速比所需要的轉速高。因此，需要采用各種傳動裝置把較高的轉速轉換成較低的轉速，以獲得較大的轉矩。 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換成旋轉運動。 由于旋轉驅動具有旋轉軸強度高、摩擦小、可靠性好等優點，因此在結構設計中較多采用。 三、驅動機構 3. 行走機構的驅動行走機構的驅動 在行走機構關節中，完全采用旋轉驅動實現關節伸縮時，旋轉運動雖然也能轉化得到直線運動，但在高速運動時，關節伸縮的加速度不能忽視

15、，它可能產生振動。為了提高著地點選擇的靈活性，還必須增加直線驅動系統。 因此，許多情況采用直線驅動更為合適。直線氣缸仍是目前所有驅動裝置中最廉價的動力源，凡能夠使用直線氣缸的地方，還是應該選用它。有些要求精度高的地方也要選用直線驅動。 三、驅動機構學習單元二機器人驅動系統的比較機器人驅動系統的比較 學習單元三 機器人液壓驅動系統學習單元三機器人液壓驅動系統機器人液壓驅動系統 1.液壓伺服系統的組成液壓伺服系統的組成 一、液壓伺服系統的組成及工作特點圖圖4-4 4-4 液壓伺服系統的組成液壓伺服系統的組成 液壓泵將壓力油供到伺服閥，給定位置指令值與位置傳感器的實測值之差經過放大器放大后送到伺服閥

16、。當信號輸入伺服閥時，壓力油被供到驅動器并驅動載荷。當反饋信號與輸入指令值相同時，驅動器便停止工作。伺服閥在液壓伺服系統中是不可缺少的一部分，它利用電信號實現液壓系統的能量控制。在響應快、載荷大的伺服系統中往往采用液壓驅動器，原因在于液壓驅動器的輸出功率與重量之比最大。 一、液壓伺服系統的組成及工作特點 (1)在液壓伺服系統的輸入和輸出之間存在反饋連接，從而組成了閉環控制系統。反饋介質可以是機械的、電氣的、氣動的、液壓的或它們的組合形式。 (2)系統的主反饋是負反饋，即反饋信號與輸入信號相反，用二者比較得到的偏差信號來控制液壓源，控制輸入液壓元件的流量，使其向減小偏差的方向移動，即以偏差來減小

17、偏差。 (3)系統輸入信號的功率很小，但系統的輸出功率卻可以很大，因此它是一個功率放大裝置，功率放大所需的能量由液壓源提供。液壓源提供能量的大小是根據伺服系統偏差大小自動進行控制的。 2.液壓伺服系統的工作特點液壓伺服系統的工作特點 一、液壓伺服系統的組成及工作特點 電液伺服系統通過電氣傳動方式，用電氣信號輸入系統來操作有關的液壓驅動元件動作，控制液壓執行元件，使其跟隨輸入信號而動作。在這類伺服系統中，電、液兩部分都采用電液伺服閥作為轉換元件。 二、電液伺服系統 1. 電液伺服系統的組成電液伺服系統的組成圖圖4-5 4-5 機械手手臂伸縮運動的電液伺服系統原理圖機械手手臂伸縮運動的電液伺服系統

18、原理圖 二、電液伺服系統 具體工作過程為：當數控裝置發出一定數量的脈沖時，步進電動機就會帶動電位器的動觸頭轉動。假設順時針轉過一定的角度，這時電位器輸出電壓為u，經放大器放大后輸出電流i，使電液伺服閥產生一定的開口量。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，液壓缸右側的油液經電液伺服閥返回油箱。此時，機械手手臂上的齒條帶動齒輪也順時針移動，當其轉動角度=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。當數控裝置發出反向脈沖時，步進電動機逆時針方向旋轉，與前述過程相反，機械手手臂就

19、會縮回。 二、電液伺服系統圖圖4-6 4-6 機械手手臂伸縮運動的伺服系統框圖機械手手臂伸縮運動的伺服系統框圖 二、電液伺服系統三、液壓驅動系統的工作原理圖圖4-7 4-7 液壓驅動系統的工作原理液壓驅動系統的工作原理11油箱；油箱； 22液壓泵；液壓泵； 33溢流閥；溢流閥； 44換向閥；換向閥； 55液壓缸；液壓缸； 66節流閥節流閥 四、液壓驅動系統的主要設備 液壓缸是將液壓能轉變為機械能的、做直線往復運動或擺動運動的液壓執行元件。它結構簡單，工作可靠。用液壓缸來實現往復運動時，可免去減速裝置，且沒有傳動間隙，運動平穩，因此在各種機械的液壓系統中得到廣泛應用。 1.液壓缸液壓缸1 1）直

20、線液壓缸）直線液壓缸 用電磁閥控制的直線液壓缸是最簡單和最便宜的開環液壓驅動裝置。在直線液壓缸的操作中，可以通過受控節流口調節流量，在機械部件到達運動終點時實現減速，使停止過程得到控制。 無論是直線液壓缸或旋轉液壓電動機，它們的工作原理都是基于高壓油對活塞或葉片的作用。液壓油是經控制閥被送到液壓缸的一端的，在開環系統中，閥是由電磁鐵控制的；在閉環系統中，閥則是用電液伺服閥來控制的。 四、液壓驅動系統的主要設備圖圖4-8 4-8 直線液壓缸中閥的控制直線液壓缸中閥的控制 四、液壓驅動系統的主要設備2 2）液壓電動機）液壓電動機圖圖4-9 4-9 旋轉液壓電動機旋轉液壓電動機 液壓電動機又稱為旋轉

21、液壓電動機，是液壓系統的旋轉式執行元件，如圖4-9所示。 四、液壓驅動系統的主要設備 四、液壓驅動系統的主要設備 對單向閥的主要性能要求為：油液通過時壓力損失要小；反向截止密封性要好。壓力油從P1進入，克服彈簧力推動閥芯，使油路接通，壓力油從P2流出；當壓力油從反向進入時，油液壓力和彈簧力將閥芯壓緊在閥座上，油液不能通過。 四、液壓驅動系統的主要設備 2.液壓閥液壓閥1)1)單向閥單向閥 單向閥只允許油液向某一方向流動，而反向截止，這種閥也稱為止回閥，如圖4-10所示。圖圖4-10 4-10 單向閥單向閥 四、液壓驅動系統的主要設備2 2）換向閥）換向閥 (1)滑閥式換向閥。滑閥式換向閥是靠閥

22、芯在閥體內做軸向運動，使相應的油路接通或斷開的換向閥。其換向原理如圖4-11所示。當閥芯處于圖4-11(a)所示位置時，P與B，A與T相連，活塞向左運動；當閥芯處于圖4-11(b)所示位置時，P與A，B與T相連，活塞向右運動。圖圖4-11 4-11 換向閥的換向原理換向閥的換向原理 四、液壓驅動系統的主要設備 (2)手動換向閥。手動換向閥用于手動換向。 (3)機動換向閥。機動換向閥用于機械運動中，作為限位裝置限位換向，如圖4-12所示。圖圖4-12 4-12 機動換向閥機動換向閥11行程擋塊；行程擋塊； 22滾輪；滾輪； 33閥體；閥體； 44閥芯；閥芯； 55彈簧彈簧 四、液壓驅動系統的主要

23、設備學習單元四機器人氣壓驅動系統機器人氣壓驅動系統 (4)電磁換向閥。電磁換向閥用于在電氣裝置或控制裝置發出換向命令時，改變流體方向，從而改變機械運動狀態。三位四通電磁換向閥如圖4-13所示。圖圖4-13 4-13 三位四通電磁換向閥三位四通電磁換向閥11閥體；閥體； 22閥芯；閥芯； 33定位器；定位器； 44彈簧；彈簧； 55擋塊；擋塊； 64t64t桿；桿；77環；環； 88線圈；線圈； 99銜鐵；銜鐵； 1010導套；導套； 1111插頭插頭 四、液壓驅動系統的主要設備 氣源裝置是獲得壓縮空氣的裝置，其主體部分是空氣壓縮機，它將原動機供給的機械能轉變為氣體的壓力能。 氣壓驅動系統中的氣

24、源裝置為氣動系統提供符合使用要求的壓縮空氣，它是氣壓傳動系統的重要組成部分。由空氣壓縮機產生的壓縮空氣必須經過降溫、凈化、減壓、穩壓等一系列處理后，才能供給控制元件和執行元件使用。用過的壓縮空氣排向大氣時，會產生噪聲，應采取措施，降低噪聲，改善勞動條件和環境質量。 一、氣源裝置 壓縮空氣站的設備一般包括產生壓縮空氣的空氣壓縮機和使氣源凈化的輔助設備。 1. 空氣壓縮站的設備組成空氣壓縮站的設備組成圖圖4-14 4-14 壓縮空氣站設備組成及布置示意圖壓縮空氣站設備組成及布置示意圖11空氣壓縮機；空氣壓縮機； 22后冷卻器；后冷卻器； 33油水分離器；油水分離器； 4 4、77貯氣罐；貯氣罐；

25、55干燥器；干燥器； 66過濾器過濾器 一、氣源裝置 在圖4-14中，空氣壓縮機用于產生壓縮空氣，一般由電動機帶動。其吸氣口裝有空氣過濾器，以減少進入空氣壓縮機的雜質量。后冷卻器用于降溫冷卻壓縮空氣，使凈化的水凝結出來。油水分離器用于分離并排出降溫冷卻的水滴、油滴、雜質等。貯氣罐用于儲存壓縮空氣，穩定壓縮空氣的壓力，并除去部分油分和水分。干燥器用于進一步吸收或排除壓縮空氣中的水分和油分，使之成為干燥空氣。過濾器用于進一步過濾壓縮空氣中的灰塵、雜質顆粒。貯氣罐4輸出的壓縮空氣可用于一般要求的氣壓傳動系統，貯氣罐7輸出的壓縮空氣可用于要求較高的氣動系統（氣動儀表及射流元件組成的控制回路等）。 一、

26、氣源裝置 2.空氣過濾減壓器空氣過濾減壓器 空氣過濾減壓器也稱為調壓閥，其由空氣過濾器、減壓閥和油霧器組成，合稱為氣動三大件，減壓閥是其中不可缺少的一部分，其能將較高的進口壓力調節并降低到要求的出口壓力，并能保證出口壓力穩定，即起到減壓和穩壓作用。氣動減壓閥按壓力調節方式分為直動式減壓閥和先導式減壓閥，后者適用于較大通徑的場合，直動式減壓閥用得最多。 一、氣源裝置 空氣過濾減壓器是最典型的附件。它用于凈化來自空氣壓縮機的壓縮空氣，并能把壓力調整到所需的壓力值，且具有自動穩壓的功能。圖空氣過濾減壓器是以力平衡原理動作的。當來自空氣壓縮機的空氣輸入過濾減壓器的輸入端后，進入過濾器氣室A。由于旋風盤

27、5的作用，使氣流旋轉并將空氣中的水分分離出一部分，在殼體底部沉降下來。當氣流經過過濾件4時，進行除水、除油、除塵，空氣得到凈化后輸出。圖圖4-15 4-15 空氣過濾減壓器的結構空氣過濾減壓器的結構 11給定彈簧；給定彈簧； 22膜片；膜片； 33球體閥瓣；球體閥瓣； 44過濾件；過濾件； 55旋風盤；旋風盤； A A、BB氣室氣室 一、氣源裝置 當調節手輪按逆時針方向擰到不動時，過濾減壓器沒有輸出壓力，氣路被球體閥瓣3切斷。若按順時針方向轉動手輪，則活動彈簧座把給定彈簧1往下壓，彈簧力通過膜片2把球體閥瓣打開，使氣流經過球體閥瓣而流到輸出管路。與此同時，氣壓通過反饋小孔進入反饋氣室B，壓力作

28、用在膜片上，將產生一個向上的力。若此力與給定彈簧所產生的力相等，則過濾減壓器達到力平衡，輸出壓力就穩定下來。給定彈簧的作用力越大，輸出的壓力就越高。因此，調節手輪就可以調節給定值。 在安裝過濾減壓器時，必須按箭頭方向或“輸入”“輸出”方向，分別與管道連接。減壓器正常工作時，一般不需要特殊維護。使用半年之后檢修一次。當過濾元件阻塞時，可將其拆下，放在10%的稀鹽酸溶液中煮沸，用清水漂凈，烘干之后繼續使用。 一、氣源裝置 二、氣動控制元件 1.壓力控制閥壓力控制閥1)1)壓力控制閥的作用及分類壓力控制閥的作用及分類 氣壓系統不同于液壓系統，一般每一個液壓系統都自帶液壓源（液壓泵）；而在氣壓系統中，

29、一般來說由空氣壓縮機先將空氣壓縮，儲存在貯氣罐內，然后經管路輸送給各個氣動裝置使用。貯氣罐的空氣壓力往往比各臺設備實際所需要的壓力高些，同時其壓力波動值也較大。因此，需要用減壓閥（調壓閥）將其壓力減到每臺裝置所需的壓力，并使減壓后的壓力穩定在所需壓力值上。 有些氣動回路需要依靠回路中壓力的變化來控制兩個執行元件的順序動作，所用的閥就是順序閥。順序閥與單向閥的組合稱為單向順序閥。 為了安全起見，所有的氣動回路或貯氣罐，當壓力超過允許壓力值時，需要自動向外排氣，這種壓力控制閥稱為安全閥（溢流閥）。 二、氣動控制元件2)2)減壓閥減壓閥圖圖4-16 4-16 直動式減壓閥的結構直動式減壓閥的結構11

30、調節手柄；調節手柄； 2 2、33調壓彈簧；調壓彈簧； 44溢流口；溢流口； 55膜片；膜片； 66閥桿；閥桿； 77阻尼管；阻尼管；88閥芯；閥芯； 99閥座；閥座； 1010復位彈簧；復位彈簧； 1111排氣孔排氣孔 二、氣動控制元件 當閥處于工作狀態時，調節手柄1、調壓彈簧2和3、膜片5通過閥桿6使閥芯8下移，進氣閥口被打開，有壓氣流從左端輸入，經閥口節流減壓后從右端輸出。輸出氣流的一部分由阻尼管7進入膜片氣室，在膜片5的下方產生一個向上的推力，這個推力總是企圖把閥口開度關小，使其輸出壓力下降，當作用于膜片上的推力與彈簧力相平衡后，減壓閥的輸出壓力便保持一定。 二、氣動控制元件 二、氣動

31、控制元件 二、氣動控制元件3 3）順序閥）順序閥 順序閥是依靠氣路中壓力的作用而控制執行元件按順序動作的壓力控制閥，如圖4-17所示，它根據彈簧的預壓縮量來控制其開啟壓力。當輸入壓力達到或超過開啟壓力時，頂開彈簧，于是P到A才有輸出；反之，A無輸出。圖圖4-17 4-17 順序閥的工作原理順序閥的工作原理 二、氣動控制元件 順序閥很少單獨使用，往往與單向閥配合在一起，構成單向順序閥。圖4-18所示為單向順序閥的工作原理。當壓縮空氣由左端進入閥腔后，作用于活塞3上的力超過壓縮彈簧2上的力時，將活塞頂起，壓縮空氣從P經A輸出，如圖4-18（a）所示，此時單向閥4在壓差力及彈簧力的作用下處于關閉狀態

32、。反向流動時，輸入側變成輸出側，輸出側壓力將頂開單向閥4由O口排氣，如圖4-18（b）所示。 調節旋鈕就可改變單向順序閥的開啟壓力，以便在不同的開啟壓力下控制執行元件的順序動作。 二、氣動控制元件圖圖4-18 4-18 單向順序閥的工作原理單向順序閥的工作原理11調節手柄；調節手柄； 22壓縮彈簧；壓縮彈簧； 33活塞；活塞； 44單向閥單向閥 二、氣動控制元件 2.流量控制閥流量控制閥 在氣壓傳動系統中，有時需要控制氣缸的運動速度，有時需要控制換向閥的切換時間和氣動信號的傳遞速度，這些都需要通過調節壓縮空氣的流量來實現。流量控制閥就是通過改變閥的通流截面積來實現流量控制的元件。流量控制閥包括

33、節流閥、單向節流閥、排氣節流閥和快速排氣閥等。 二、氣動控制元件2 2）輪組三輪行走機構）輪組三輪行走機構 壓縮空氣由P口進入，經過節流后，由A口流出。旋轉閥芯螺桿，就可改變節流口的開度，這樣就調節了壓縮空氣的流量。這種節流閥因結構簡單、體積小，故應用范圍較廣。圖圖4-19 4-19 節流閥節流閥( (圓柱斜圓柱斜切型切型) )的工作原理的工作原理 二、氣動控制元件 單向節流閥是由單向閥和節流閥并聯而成的組合式流量控制閥。當氣流沿PA方向流動時，如圖4-20（a）所示，氣流經過節流閥節流；如圖4-20（b）所示，氣流反方向沿AP方向流動時，單向閥打開，不節流。單向節流閥常用于氣缸的調速和延時回

34、路。2)2)單向節流閥單向節流閥圖圖4-20 4-20 單向節流閥的工作原理單向節流閥的工作原理 二、氣動控制元件 排氣節流閥是裝在執行元件的排氣口處，調節進入大氣中氣體流量的一種控制閥。它不僅能調節執行元件的運動速度，還常帶有消聲器件，能起降低排氣噪聲的作用。排氣節流閥的工作原理和節流閥類似，靠調節節流口1處的通流截面積來調節排氣流量，由消聲套2來減小排氣噪聲。3)3)排氣節流閥排氣節流閥圖圖4-21 4-21 排氣節流閥的工作原理排氣節流閥的工作原理11節流口；節流口； 22消聲套消聲套 二、氣動控制元件 應當指出，用流量控制的方法控制氣缸內活塞的運動速度時，采用氣壓控制比采用液壓控制困難

35、，特別是在極低速控制中，要按照預定行程變化來控制速度，只用氣動很難實現。在外部負載變化很大時，僅用氣動流量閥也不會得到滿意的調速效果。為提高零部件的運動平穩性，建議采用氣液聯動控制。 二、氣動控制元件 如圖4-22（a）所示，壓縮空氣從進氣口P，并將密封活塞迅速上推，開啟閥口，同時關閉排氣口O，使進氣口P和工作口A相通。如圖4-22（b）所示，P口沒有壓縮空氣進入時，在A口和P口壓差作用下，密封活塞迅速下降，關閉P口，使A口通過O口快速排氣。3)3)排氣節流閥排氣節流閥圖圖4-22 4-22 快速排氣閥的工作原理快速排氣閥的工作原理 二、氣動控制元件 快速排氣閥常安裝在換向閥和氣缸之間。快速排

36、氣閥使氣缸的排氣不用通過換向閥而快速排出，從而加速了氣缸的往復運動速度，縮短了工作周期。圖圖4-23 4-23 快速排氣閥在回路中的應用快速排氣閥在回路中的應用 二、氣動控制元件 3.方向控制閥方向控制閥 方向控制閥是氣壓傳動系統中通過改變壓縮空氣的流動方向和氣流的通斷，來控制執行元件起動、停止及運動方向的氣動元件。根據方向控制閥的功能、控制方式、結構方式、閥內氣流的方向及密封形式等，方向控制閥可以分為以下5類。 二、氣動控制元件1 1）氣壓控制轉換閥）氣壓控制轉換閥 氣壓控制換向閥是以壓縮空氣為動力切換氣閥，使氣路換向或通斷的閥類。氣壓控制換向閥的用途很廣，多用于組成全氣閥控制的氣壓傳動系統

37、或易燃、易爆、高凈化等場合。 （1）單氣控加壓式換向閥。圖4-24所示為單氣控加壓截止式換向閥的工作原理。圖4-24（a）所示為無氣控信號狀態（常態），此時，閥芯在彈簧的作用下處于上端位置，使閥口A與O相通，A口排氣。圖4-24（b）所示為有氣控信號狀態（動力閥狀態）。由于氣壓力的作用，閥芯壓縮彈簧下移，使閥口A與O斷開，P與A接通，A口有氣體輸出。圖2-24(c)所示為該閥的圖形符號。 二、氣動控制元件圖圖4-24 4-24 單氣控加壓截止式換向閥的工作原理單氣控加壓截止式換向閥的工作原理 二、氣動控制元件 單氣控截止式換向閥的結構簡單、緊湊、密封可靠、換向行程短，但換向力大。若將氣控接頭換

38、成電磁頭（電磁先導閥），可變氣控閥為先導式電磁換向閥。圖圖4-25 4-25 二位三通單氣控截止式換向閥結構圖二位三通單氣控截止式換向閥結構圖 二、氣動控制元件 （2）雙氣控加壓式換向閥。圖4-26（a）所示為有氣控信號狀態(K2)，此時，閥停在左邊，其通路狀態是P與A，B與O相通。圖4-26（b）所示為有氣控信號狀態(K1)，此時信號K2已不存在，閥芯換位，其通路狀態變為P與B，A與O相通。雙氣控滑閥具有記憶功能，即氣控信號消失后，閥仍能保持在有信號時的工作狀態。圖圖4-26 4-26 雙氣控滑閥式換向閥的工作原理雙氣控滑閥式換向閥的工作原理 二、氣動控制元件2)2)電磁控制轉向閥電磁控制轉

39、向閥 電磁控制換向閥利用電磁力的作用來實現閥的切換，以控制氣流的流動方向。常用的電磁控制換向閥有直動式和先導式兩種。 二、氣動控制元件3)3)機械控制轉向閥機械控制轉向閥 機械控制換向閥又稱為行程閥，多用于行程程序控制，作為信號閥使用。常依靠凸輪、擋塊或其他機械外力推動閥芯，使閥換向。 二、氣動控制元件4)4)人力控制轉向閥人力控制轉向閥 二、氣動控制元件5)5)時間控制轉向閥時間控制轉向閥 時間控制換向閥是使氣流通過氣阻（如小孔、縫隙等）節流后到氣容（儲氣空間）中，經一定的時間先使氣容內建立起一定的壓力后，使閥芯換向的閥類。在不允許使用時間繼電器（電控制）的場合（易燃、易爆、粉塵大等），用氣

40、動時間控制就顯出其優越性。 二、氣動控制元件 氣缸是氣動系統的執行元件之一。除幾種特殊氣缸外，普通氣缸的種類及結構形式與液壓缸基本相同。目前最常用的是標準氣缸，其結構和參數都已系列化、標準化和通用化。標準氣缸通常有無緩沖普通氣缸和有緩沖普通氣缸等。較為典型的特殊氣缸有氣液阻尼缸、薄膜式氣缸和沖擊式氣缸等。 1.氣缸氣缸 三、氣動執行元件 三、氣動執行元件1)1)氣液阻尼缸氣液阻尼缸 普通氣缸工作時，由于氣體有壓縮性，當外部載荷變化較大時，會產生“爬行”或“自走”現象，使氣缸的工作不穩定。為了使氣缸運動平穩，普遍采用氣液阻尼缸。 氣液阻尼缸中一般將雙活塞桿缸作為液壓缸。因為這樣可使液壓缸兩腔的排

41、油量相等，此時油箱內的油液只用來補充因液壓缸泄漏而減少的油量，一般用油杯就可以了。 三、氣動執行元件 薄膜式氣缸是一種利用壓縮空氣通過膜片推動活塞桿做往復直線運動的氣缸。它由缸體、膜片、膜盤和活塞桿等主要零件組成。其功能類似于活塞式氣缸，它分單作用式和雙作用式兩種，如圖4-27所示。薄膜式氣缸的膜片可以做成盤形膜片和平膜片兩種形式。膜片材料為夾織物橡膠、鋼片或磷青銅片，常用的是夾織物橡膠，橡膠的厚度為56 mm，有時也可為13 mm。金屬式膜片只用在行程較小的薄膜式氣缸中。2)2)薄膜式氣缸薄膜式氣缸 三、氣動執行元件圖圖4-27 4-27 薄膜式氣缸的結構簡圖薄膜式氣缸的結構簡圖11缸體；缸

42、體； 22膜片；膜片； 33膜盤；膜盤； 44活塞桿活塞桿3)3)沖擊式氣缸沖擊式氣缸 沖擊式氣缸是一種體積小、結構簡單、易于制造、耗氣功率小但能產生相當大的沖擊力的特殊氣缸。與普通氣缸相比，沖擊式氣缸的結構特點是增加了一個具有一定容積的蓄能腔和噴嘴。圖圖4-28 4-28 沖擊式氣缸的工作原理沖擊式氣缸的工作原理 三、氣動執行元件 三、氣動執行元件 三、氣動執行元件 沖擊式氣缸的整個工作過程可簡單地分為以下3個階段。 （1）壓縮空氣由孔A輸入沖擊缸的下腔，蓄氣缸經孔B排氣，活塞上升并用密封墊封住噴嘴，中蓋和活塞間的環形空間經排氣孔與大氣相通，如圖4-28（a）所示。 （2）壓縮空氣改由孔B進

43、氣，壓縮空氣進入蓄氣缸中，沖擊缸下腔，經孔A排氣。由于活塞上端氣壓作用在面積較小的噴嘴上，而活塞下端受力面積較大（一般設計成噴嘴面積的9倍），沖擊缸下腔的壓力雖因排氣而下降，但此時活塞下端向上的作用力仍然大于活塞上端向下的作用力，如圖4-28（b）所示。 三、氣動執行元件二、機器人臂部的配置 氣動電動機也是氣動執行元件的一種。它的作用相當于電動機或液壓電動機，即輸出轉矩，拖動機構做旋轉運動。氣動電動機是以壓縮空氣為工作介質的原動機，如圖4-29所示。 3. 氣動電動機氣動電動機圖圖4-29 4-29 氣動電動機氣動電動機 三、氣動執行元件 三、氣動執行元件 (3)工作安全，不受振動、高溫、電磁

44、、輻射等影響，適用于惡劣的工作環境，在易燃、易爆、高溫、振動、潮濕、粉塵等不利條件下均能正常工作。 (4)有過載保護作用，不會因過載而發生故障。過載時，氣動電動機只是轉速降低或停止，當過載解除后，即可以重新正常運轉，并不產生機件損壞等故障。氣動電動機可以長時間滿載連續運轉，溫升較小。 (5)具有較高的起動轉矩，可以直接帶載荷起動。起動、停止均迅速。 三、氣動執行元件 (6)功率范圍及轉速范圍較寬。功率小至幾百瓦，大至幾萬瓦；轉速可從零一直到每分鐘幾萬轉。 (7)操縱方便，維護檢修較容易。氣動電動機具有結構簡單、體積小、重量輕、功率大、操縱容易、維護方便等優點。 (8)使用空氣作為介質，無供應上

45、的困難，用過的空氣不需處理，釋放到大氣中無污染。壓縮空氣可以集中供應或遠距離輸送。 (9)輸出功率相對較小，最大只有20 kW左右。 (10)耗氣量大，效率低，噪聲大。學習單元五機器人電氣驅動系統機器人電氣驅動系統 一、機器人對關節驅動電動機的要求 (1)快速性。電動機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態的時間應盡可能短。響應指令信號的時間越短，電動機伺服系統的靈敏性越高，快速響應性能越好，一般是以伺服電動機的機電時間常數來表示伺服電動機快速響應的性能。 (2)起動轉矩慣量比較大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電動機的起動轉矩大，轉動慣量小。 一、機器人對關節驅動電動機的要求 (3)

46、控制特性的連續性和直線性，隨著控制信號的變化，電動機的轉速能連續變化，有時還需轉速與控制信號成正比或近似成正比。 (4)調速范圍寬，能使用于11 000110 000的調速范圍。 (5)體積小，質量輕，軸向尺寸短。 (6)能在苛刻的運行條件下工作，可進行十分頻繁的正、反向和加、減速運動，并能在短時間內承受過載。 一、機器人對關節驅動電動機的要求 目前，由于高起動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電動機在工業機器人領域中得到了廣泛應用。一般負載在1 000 N以下的工業機器人大多采用電動機伺服驅動系統。所采用的關節驅動電動機主要是交流伺服電動機、步進電動機和直流伺服電動機。其中，交流伺服電動機、

47、直流伺服電動機、直接驅動電動機(DD)均采用位置閉環控制，一般應用于高精度、高速度的機器人驅動系統中。步進電動機驅動系統多用于對精度、速度要求不高的小型簡易機器人開環系統中。交流伺服電動機由于采用了電子換向，無換向火花，在易燃、易爆環境中得到了廣泛的應用。機器人關節驅動電動機的功率一般為0.110 kW。 一、機器人對關節驅動電動機的要求 目前，由于高起動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電動機在工業機器人領域中得到了廣泛應用。一般負載在1 000 N以下的工業機器人大多采用電動機伺服驅動系統。所采用的關節驅動電動機主要是交流伺服電動機、步進電動機和直流伺服電動機。其中，交流伺服電動機、直流伺

48、服電動機、直接驅動電動機(DD)均采用位置閉環控制，一般應用于高精度、高速度的機器人驅動系統中。步進電動機驅動系統多用于對精度、速度要求不高的小型簡易機器人開環系統中。交流伺服電動機由于采用了電子換向，無換向火花，在易燃、易爆環境中得到了廣泛的應用。機器人關節驅動電動機的功率一般為0.110 kW。 工業機器人電動伺服系統的結構一般為3個閉環控制，即電流環(轉矩控制)、速度環(速度控制)和位置環(位置控制)。圖圖4-30 4-30 工業機器人電動機的驅動原理工業機器人電動機的驅動原理 一、機器人對關節驅動電動機的要求 步進電動機(stepping motor)是一種將輸入脈沖信號轉換成相應角位

49、移或線位移的旋轉電動機。步進電動機的輸入量是脈沖序列，輸出量則為相應的增量位移或步進運動。正常運動情況下，它每轉一周具有固定的步數，做連續步進運動時，其旋轉轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接受數字量的控制，因而特別適宜采用計算機進行控制，是位置控制中不可或缺的執行裝置。二、步進電動機驅動器二、步進電動機驅動器 通常步進電動機具有永磁轉子，而定子上有多個繞組。由于繞組中產生的熱量很容易從電動機機體散失，因而步進電動機很容易受到熱損壞的影響，且因為沒有電刷與換向器，所以壽命比較長。 1. 步進電動機的分類步進電動機的分類圖圖4-31 4-3

50、1 步進電動機的結構步進電動機的結構二、步進電動機驅動器二、步進電動機驅動器 (1)永磁式步進電動機。永磁式步進電動機的轉子為圓筒形永磁鋼，定子位于轉子的外側，定子繞組中流過電流時產生定子磁場。定子和轉子磁場間相互作用，產生吸引力或排斥力，從而使轉子旋轉。永磁式步進電動機一般為兩相，轉矩和體積較小，步距角一般為7.5或15。該步進電動機結構簡單，生產成本低，步距角大，起動頻率低，動態性能差。 (2)反應式步進電動機。反應式步進電動機的轉子由齒輪狀的低碳鋼構成，轉子在通電相定子磁場的作用下，旋轉到磁阻最小的位置。永磁式步進電動機出力大，動態性能好，但步距角大。二、步進電動機驅動器 電動機的定子上

51、有 6個均勻分布的磁極，其夾角是60。各磁極上套有繞組，按圖4-32所示的繞法連成A、B、C三相繞組。轉子上均勻分布40個小齒。因此，每個齒的齒距為E=360/40=9，而定子每個磁極的極弧上也有5個小齒，且定子和轉子的齒距和齒寬均相同。 3. 步進電動機的工作原理步進電動機的工作原理圖圖4-32 4-32 三相反應式步三相反應式步進電動機的剖面示意圖進電動機的剖面示意圖二、步進電動機驅動器二、步進電動機驅動器 由于定子和轉子的小齒數目分別是30和40，其比值是一分數，這就產生了齒錯位的情況。若以A相磁極小齒和轉子的小齒對齊，那么B相和C相磁極的齒就會分別和轉子齒相錯三分之一的齒距，即3。因此

52、，B、C相磁極下的磁阻比A相磁極下的磁阻大。若給B相通電，B相繞組產生定子磁場，其磁力線穿越B相磁極，并力圖按磁阻最小的路徑閉合，這就使轉子受到反應轉矩（磁阻轉矩）的作用而轉動，直到B相磁極上的齒與轉子齒對齊，恰好轉子轉過3。此時，A、C相磁極下的齒又分別與轉子齒錯開1/3齒距。接著停止對B相繞組通電，而改為C相繞組通電，同理受反應轉矩的作用，轉子按順時針方向再轉過3。二、步進電動機驅動器 依次類推，當三相繞組按ABCA順序循環通電時，轉子會按順時針方向，以每個通電脈沖轉動3的規律步進式轉動起來。若改變通電順序，按ACBA順序循環通電，則轉子就按逆時針方向以每個通電脈沖轉動3的規律轉動。因為每

53、一瞬間只有一相繞組通電，并按三種通電狀態循環通電，故稱為單三拍運行方式。單三拍運行時的步距角b為30。三相步進電動機還有兩種通電方式：雙三拍運行，即按ABBCCAAB順序循環通電的方式；單、雙六拍運行，即按AABBBCCCAA順序循環通電的方式。六拍運行時的步距角將減小一半。反應式步進電動機的步距角可按下式計算。 b=360/NEr (4-1)二、步進電動機驅動器圖圖4-33 4-33 步進電動機驅動器的原理框圖步進電動機驅動器的原理框圖 步進電動機的脈沖頻率與其產生的轉矩之間的關系就是步進電動機的轉矩特性，如圖4-34 所示。步進電動機的轉矩特性用使處于靜止狀態的步進電動機突然起動，并能夠以

54、一定的轉速旋轉的負載轉矩的極限值來表示。起動轉矩以內的區域稱為自起動區域。 3. 步進電動機的轉矩特性步進電動機的轉矩特性圖圖4-34 4-34 步進電動機的轉矩特性步進電動機的轉矩特性二、步進電動機驅動器二、步進電動機驅動器 在步進電動機的轉矩特性自起動區域以外，當保持輸入脈沖的頻率一定而逐漸增大負載轉矩時，或保持負載轉矩一定而使輸入脈沖的頻率逐漸提高時，將能夠跟蹤負載的轉矩限值稱為牽出轉矩（pullout torque)。另外，步進電動機停止時的轉矩稱為保持轉矩(holding torque)，這也是步進電動機所能產生的最大轉矩。 三、直流電動機驅動器 1.直流電動機的結構及工作原理直流電動機的結構及工作原理 圖4-35所示為直流電動機的工作原理示意圖，N和S是一對固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵，磁極之間有一個可以轉動的鐵質圓柱體，稱為電樞鐵芯。鐵芯表面固定一個用絕緣導體構成的電樞繞組abcd，繞組的兩端分別接到相互絕緣的兩個半圓形銅片（換向片）上，它們組合在一起稱為換向器。在每個半圓銅片上又分別放置一個固定不動而與之滑動接觸的電刷A和B，繞組abcd通過換向器和電刷接通外電路