二二工業機器人檢測裝置4.3工業機器人驅動裝置4.2工業機器人控制裝置4.1

本章主要內容重點：控制裝置組成及應用第4章工業機器人控制系統工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第1頁。4.1.1工業機器人控制裝置組成和功能通常情況下，工業機器人控制裝置組成如圖4-1所示。4.1工業機器人控制裝置圖4-1工業機器人控制裝置實物圖

工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第2頁。1.工業機器人控制裝置組成工業機器人為完成相應的要求，需要相應的硬件和軟件部分。4.1工業機器人控制裝置圖4-2工業機器人控制裝置硬件組成1）硬件部分工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第3頁。工業機器人主要由以下硬件組成：4.1工業機器人控制裝置（1）控制計算機

控制系統的調度指揮機構。一般為微型機、微處理器有32位、64位等，如酷睿系列CPU以及其他類型CPU。（2）示教盒

示教機器人的工作軌跡和參數設定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現信息交互。（3）操作面板

由各種操作按鍵、狀態指示燈構成，只完成基本功能操作。（4）硬盤和軟盤存儲存

儲機器人工作程序的外圍存儲器。（5）數字和模擬量輸入輸出

各種狀態和控制命令的輸入或輸出。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第4頁。4.1工業機器人控制裝置（6）打印機接口

記錄需要輸出的各種信息。（7）傳感器接口

用于信息的自動檢測，實現機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。（8）軸控制器

完成機器人各關節位置、速度和加速度控制。（9）輔助設備控制

用于和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。（10）通信接口

實現機器人和其他設備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第5頁。4.1工業機器人控制裝置（11）網絡接口1）Ethernet接口

可通過以太網實現數臺或單臺機器人的直接PC通信，數據傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數進行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協議，通過Ethernet接口將數據及程序裝入各個機器人控制器中。2）Fieldbus接口

支持多種流行的現場總線規格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第6頁。4.1工業機器人控制裝置

軟件主要是指控制軟件，它包括運動軌跡規劃算法和關節伺服控制算法及相應的動作順序。控制軟件可以用任何語言來編制，但通用語言模塊化編制形成的專用工業語言越來越成為工業機器人控制軟件的主流。2）軟件部分工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第7頁。4普通3~6個自由度，復雜10個以上；123控制與機構運動學及動力學密切相關；動作通過信息庫處理找出最優路徑完成；2.工業機器人控制裝置功能4.1工業機器人控制裝置1）主要特點：工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第8頁。4.1工業機器人控制裝置2）主要功能：控制裝置主要任務是控制工業機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡、操作順序及動作的時間等以完成特定的工作任務，主要功能如下：（1）示教在線功能

指控制系統通過示教器或手把手進行示教，將動作順序、運動速度、位置等信息預先教給機器人，由機器人的記憶裝置自動記錄在存儲器，當需要再現操作時，重放內容即可。更改內容需重新示教。4-3示教器工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第9頁。4.1工業機器人控制裝置（2）運動控制功能指工業機器人的末端操作器從一點移動到另一點的過程中，對其位置、速度和加速度的控制。（3）示教編程功能

用機器人代替人進行作業時，必須預先對機器人發出指示，規定機器人進行應該完成的動作和作業的具體內容。這個過程就稱為對機器人的示教或對機器人的編程。

一般分為直接示教和離線示教，隨著計算機虛擬技術的發展，還出現了虛擬示教編程系統。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第10頁。4.1工業機器人控制裝置3.工業機器人的控制方式(1)點位控制方式--PTP(PointToPoint)只控制起始點和終止點的位姿,控制時只要求快速、準確地實現各點之間的運動，而對兩點之間的運動軌跡不作任何規定。(2)連續軌跡控制方式--CP（ContinuousPath）連續地控制工業機器人末端操作器在作業空間中的位姿，要求其嚴格按照預定的軌跡和速度在一定的精度范圍內運動，而且速度可控，軌跡光滑，運動平穩，以完成作業任務。(a)點位控制；(b)連續軌跡控制4-4點位控制與連續軌跡控制應用:上下料、搬運點焊、電路板上安插元件主要技術:定位精度運動所需的時間主要技術:末端操作器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩性應用:弧焊、噴漆、去毛邊檢測作業機器人工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第11頁。4.1工業機器人控制裝置(3)力（力矩）控制方式在完成裝配、抓放物體等工作時，除要準確定位之外，還要求使用適度的力或力矩進行工作，這時就要利用力（力矩）伺服方式。(4)智能控制方式工業機器人的智能控制是通過傳感器獲得周圍環境的知識，并根據自身內部的知識庫做出相應的決策。反饋量不是位置信號，是力（力矩）信號4-5軸式扭矩傳感器4-6工業機器人常用相機工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第12頁。4.1.2工業機器人控制器通常情況下，工業機器人控制裝置如下圖組成。4.1工業機器人控制裝置4-7工業機器人控制系統基本構成4-8工業機器人控制器工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第13頁。工業機器人控制器特點：4.1工業機器人控制裝置4-9工業機器人控制系統基本構成1)多任務功能。2)網絡功能。3)操作歷史記錄功能。4)海量存儲。5)用戶接口豐富。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第14頁。工業機器人控制器特點：4.1工業機器人控制裝置4-10工業機器人控制器1)多任務功能。2)網絡功能。3)操作歷史記錄功能。4)海量存儲。5)用戶接口豐富。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第15頁。

工業機器人驅動系統按動力源可分為液壓驅動、氣動驅動和電動驅動三種基本驅動類型。液壓驅動氣壓驅動電動驅動4.2工業機器人驅動裝置4.2.1驅動裝置類型和組成4-11工業機器人驅動類型工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第16頁。液壓、氣動、電動驅動的主要特點驅動裝置優點缺點應用領域液壓響應快速，結構易于標準化，節流效率較高，負載能力大液壓密封易出現問題，在一定條件下有火災危險常用于噴涂T業機器人和大負載工業機器人中氣動響應快速，結構簡單，易于標準化，安裝要求不太高，成本低高于10個大氣壓有爆炸的危險多用于點位控制的搬運機器人中電動結構簡單，控制靈活，精度高直流有刷電動機防爆性能較差應用于各類精度較高的弧焊、裝配工業機器人中工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第17頁。組成氣源、控制調節元件、輔助元件與裝置、動力機構、制動器及限位器元件等氣動驅動結構圖1）氣壓驅動圖4-12氣動驅動裝置工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第18頁。①氣源。可直接使用壓縮空氣站的氣源或自行設置氣源，使用的氣體壓力約為0.5-0.7MPa，流量為200~500L/h。②控制調節元件。控制調節元件包括氣動閥、快速排氣閥、調壓器、制動器、限位器等。③輔助元件與裝置。包括分水濾氣器、油霧器、儲氣罐、壓力表及管路等。通常把分水濾氣器、油霧器和調壓器做成組裝式結構，稱為氣動三聯件。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第19頁。④動力機構。機器人中常用直線氣缸和擺動氣缸。直線氣缸常用于手爪機構。擺動氣缸主要用于回轉關節，如腕關節。⑤制動器。由于氣缸活塞的速度較高，因此要求機器人準確定位時，需采用制動器制。制動方式有反壓制動，常用的制動器有氣動節流裝置、液壓阻尼或彈簧式阻尼機構。⑥限位器。限位器包括接觸式和非接觸式限位開關、限位擋塊式鎖緊機構。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第20頁。組成油源、執行機構、控制調節裝置、輔助元件液壓伺服驅動系統2）液壓驅動4-13工業機器人電液伺服驅動系統工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第21頁。①油源。通常把由油箱、濾油器和壓力表等構成的單元稱為油源。通過電動機帶動液壓泵，把油箱中的低壓油變為高壓油，供給液壓執行機構。機器人液壓系統的油液工作壓力一般為7~14MPa。②執行機構。分為直線液壓缸和回轉液壓缸。工業機器人運動部件的直線運動和回轉運動，絕大多數都直接由直線液壓缸和回轉液壓缸驅動產生，稱為直接驅動方式；有時由于結構安排的需要，也可以用直線液壓缸或同轉液壓缸經轉換機構而產生回轉或直線運動。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第22頁。③控制調節元件。控制調節元件有控制整個液壓系統壓力的溢流閥，控制油液流同的電磁閥、單向閥，調節油液流量（速度）的單向節流閥、單向行程節流閥。④輔助元件。輔助元件包括蓄能器、管路、管接頭等。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第23頁。組成

位置比較器、速度比較器、信號和功率放大器、驅動電動機、減速器以及構成閉環伺服驅動系統不可缺少的位置和速度檢測元件。電動驅動結構圖3）電動驅動圖4-14電動動力系統的動力裝量工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第24頁。電機優點缺點直流伺服電動機控制電路較簡單，價格較低廉電動機電刷有磨損，需定時調整及更換，既麻煩又影響性能，電刷還能產生火花，易引爆可燃物質，有時不夠安全步進電動機控制電路較簡單，也不需要檢測反饋環節，因此價格較低廉功率不大，不適用于大負荷的工業機器人交流伺服電動機結構較簡單，無電刷，運行安全可靠控制電路較復雜，價格較高

常用的驅動電動機有直流伺服電動機、步進電動機和交流伺服電動機，其優缺點如下：工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第25頁。4.2.2交流伺服驅動裝置

在工業機器人驅動裝置中，電動驅動裝置是應用最廣泛的一種驅動類型。采用交流伺服電動機作為執行元件的伺服驅動稱為交流伺服驅動裝置。因交流伺服電動機具備十分優良的低速性能，調速廣，動態特性和效率都很高，所以已經成為伺服系統的主流之選。4-15伺服驅動機工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第26頁。4-16異步電動機

異步伺服電動機雖然結構堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性和效率上與交流伺服電動機存在差距，只在大功率場合得到重視，多用于機床主軸轉速和其他調速系統。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第27頁。交流大多數情況下按照系統是否閉環分類，交流伺服系統分為開環伺服系統、半閉環伺服系統和全閉環伺服系統三種。1.交流伺服系統分類4-17工業機器人驅動類型1）開環伺服系統

是一種沒有位置或速度反饋的控制系統，伺服機構按照指令裝置發來的移動指令，驅動機械做相應的運動，系統的輸出位移與輸入指令脈沖個數成正比，所以在控制整個系統時，只要精確地控制輸入脈沖的個數，就可以準確地控制系統的輸出，但是這種系統精度比較低，運行不是很平穩。伺服機構工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第28頁。4-18工業機器人驅動類型2）半閉環伺服系統

屬于閉環系統，具有反饋環節，在原理上它具有閉環系統的一切特性和功能。它的檢測元件與伺服電動機同軸相連，通過直接測出電動機軸旋轉的角位移或角速度可推知執行機械的實際位移或速度，它對實際位置移動或運行速度采用的是間接測量的方法工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第29頁。4-18工業機器人驅動類型缺點：存在測量轉換誤差，而且環外的節距誤差和間隙誤差也沒有得到補償。優點：在閉環中非線性因素少，容易整定，并且執行機械與電氣自動控制部分相對獨立，系統的通用性增強，因此這種結構是當前國內外伺服系統中最普遍采用的方案。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第30頁。4-11工業機器人驅動類型3）全閉環伺服系統

是一種真正的閉環伺服系統。全閉環伺服系統在結構上與半閉環伺服系統是一樣的，只是它的檢測元件直接安裝在系統的最終運動部件上，系統反饋的信號是整個系統真正的最終輸出。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第31頁。不同系統對比工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第32頁。2.交流伺服驅動裝置組成4-18異步交流伺服電動機原理圖1）交流伺服電動機（1）感應異步交流伺服電動機

結構分為定子部分和轉子部分。在定子鐵心中安放著空間成90°的兩相定子繞組，其中一相為勵磁繞組，始終通以交流電壓；另一相為控制繞組，輸入同頻率的控制電壓，改變控制電壓的幅值或相位可實現調速。轉子的結構通常為籠型。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第33頁。主要由定子、轉子及測量轉子位置的傳感器構成。定子和一般的三相感應電機類似，采用三相對稱繞組結構，它們的軸線在空間彼此相差120度。轉子上有特殊形狀高性能永磁體，產生恒定磁場。在電機的非負載端安裝速度傳感器和位置傳感器，檢測電機實際運行速度，或者進行位置控制（2）永磁同步交流伺服電動機4-19同步交流伺服電動機原理圖4-20永磁同步電動機結構工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第34頁。4-21異步交流伺服電動機原理圖

交流永磁同步伺服驅動器主要由伺服控制單元、功率驅動單元、伺服電動機、相應反饋檢測器件及通信接口單元組成，如圖4-21所示。伺服控制單元反饋檢測器件伺服電動機功率驅動單元通信接口單元2）永磁同步交流伺服驅動器工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第35頁。

功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。整流后的直流電再通過三相正弦PWM電壓型逆變器逆變為所需頻率的交流電來驅動三相永磁式同步交流伺服電動機。（1）功率驅動單元4-22三相橋式電路原理圖簡言之，

功率驅動單元的整個過程就是AC-DC-AC的過程。整流單元(AC-DC)主要的拓撲電路是三相全橋整流電路。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第36頁。（2）控制單元

控制單元是整個交流伺服系統的核心，實現系統位置控制、速度控制、轉矩和電流控制。位置控制分為模擬式位置控制和數字式位置控制。

其根本任務就是使執行機構對位置指令進行精確跟蹤。被控量一般是負載的空間位移，當給定量隨機變化時，系統能使被控量無誤地跟蹤并復現給定量，給定量可能是角位移或直線位移。位置控制必然是一個反饋控制系統，組成位置控制回路，即位置環。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第37頁。a.模擬式位置控制4-23模擬式位置控制系統原理檢測元件：一般為旋轉變壓器或光電編碼器輸入量：模擬量特點：控制精度不高

工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第38頁。b.數字式位置控制4-24數字式位置控制系統原理工作原理：檢測元件的反饋信號輸入電路，經轉換電路得到二進制數字信號，與給定的二進制數字信號同時送入計算機或可逆計數器進行比較并確定出誤差，按一定控制規律運算后（通常為比例放大），構成數字形式的校正信號，再經數/模轉換器變成電壓信號，作為速度控制器的給定信號。

工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第39頁。4-24數字式位置控制系統原理檢測元件：一般為光電編碼器或其他數字反饋發生器輸入量：數字量特點：系統控制規律通過軟件改變，具有很高的靈活

性

工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第40頁。

液壓傳動是以液體作為工作介質來進行工作的，一個完整的液壓傳動系統由以下幾部分組成：

（l）動力元件（5）工作介質（4）輔助元件（3）控制元件（2）執行元件

將原動機的機械能轉化成液壓能的裝置。如：液壓泵

將壓力能轉換為機械能的裝置。如：缸、馬達

控制工作介質的流動方向、壓力和流量，以保證執行元件和工作機構按要求工作。

在液壓系統中傳遞運動和動力能量的液體，即液壓油。其它裝置，如：控制閥、油箱、管道等。4.2.3液壓氣動裝置的主要設備1.液壓系統的主要設備工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第41頁。4-25直線液壓缸液壓缸是液體壓力能轉變為機械能的、做直線往復運動（或擺動運動）的液壓執行元件。1）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，通過受控節流口調節流量，可以在到達運動終點時實現減速，使停止過程得到控制。工作原理：基于高壓油對活塞或葉片的作用工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第42頁。

又稱旋轉液壓馬達，是液壓系統的旋轉式執行元件。殼體由鋁合金制成，轉子是鋼制的。密封圈和防塵圈分別用來防止油的外泄和保護軸承。2）液壓馬達1、20-齒輪2-防塵罩3、30-電位器4-防塵器5、11-密封圈6、10-端蓋7、13-輸出軸8、25-殼體9、22-鋼盤12-防塵圈14、17-滾針軸承15、19-泄油孔16、18-O型密封圈21、29-解算器23、26-轉子24-轉動葉片27-固定葉片28-進出油孔4-26液壓馬達工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第43頁。工作原理：在電液閥的控制下，液壓油經進油口進入，并作用于同定在轉子的葉片上，使轉子轉動。4-26液壓馬達

隔板用來防止液壓油短路。通過一對由消隙齒輪帶動的電位器和一個解算器給出轉子的位置信息。電位器給出粗略值，而精確位置由解算器測定。

整體的精度不會超過驅動電位器和解算器的齒輪系精度。1、20-齒輪2-防塵罩3、30-電位器4-防塵器5、11-密封圈6、10-端蓋7、13-輸出軸8、25-殼體9、22-鋼盤12-防塵圈14、17-滾針軸承15、19-泄油孔16、18-O型密封圈

21、29-解算器23、26-轉子24-轉動葉片27-固定葉片28-進出油孔工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第44頁。4-27單向閥（1）單向閥主要性能要求：油液通過時壓力損失要小，反向截止時密封性要好。工作原理：

液壓油從P1進入，克服彈簧力推動閥芯，使油路接通，液壓油從P2流出。當液壓油從反向進入時，油液壓力和彈簧力將閥芯壓緊在閥座上，油液不能通過。

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4-27所示。3）液壓閥工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第45頁。①滑閥式換向閥是靠閥芯在閥體內做軸向運動，而使相應的油路接通或斷開的換向閥。其換向原理如圖4-16所示。圖4-28換向閥換向原理（2）換向閥

當閥芯處于圖4-28a所示位置時，P與B連通，A與T連通，活塞向左運動；

當閥芯向有移動處于圖4-28b所示位置時，P與A連通，B與T連通，活塞向右運動。a）

b）工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第46頁。②機動換向閥用于機械運動中，作為限位裝置限位換向，如圖4-29所示。4-29機動換向閥1-彈簧2-閥芯3-閥體4-滾輪5-行程擋塊工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第47頁。③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，如圖4-30所示。4-30三位四通電磁換向閥1-閥體2-閥芯3-定位器4-彈簧5-擋塊6-推桿7-隔磁環8-線圈9-銜鐵10導套11-插頭工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第48頁。

氣動裝置是以壓縮機為動力源，以壓縮空氣為工作介質，進行能量傳遞和信號傳遞的工程技術，是實現各種生產控制、自動控制的重要手段之一。氣壓裝置是由四部分組成的，它們是：2.氣動裝置的主要設備氣源裝置分水濾氣器壓力控制閥油霧器方向控制閥消聲器流量控制閥汽缸工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第49頁。(1)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；(2)執行元件是將氣體的壓力能轉換成機械能的一種能量轉換裝置，它包括實現直線往復運動的氣缸和實現連續回轉運動或擺動的氣馬達或擺動馬達等;氣源裝置分水濾氣器壓力控制閥油霧器方向控制閥消聲器流量控制閥汽缸4-31

氣動裝置圖工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第50頁。(3)控制元件是用來控制壓縮空氣的壓力、流量和流動方向的，以便使執行機構完成預定的工作循環。它包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等；(4)輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的，它包括過濾器、油霧氣、管接頭及消聲器等。氣源裝置分水濾氣器壓力控制閥油霧器方向控制閥消聲器流量控制閥汽缸工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第51頁。(2)執行元件1）氣缸。在氣缸運動的兩個方向上，根據受氣壓控制的方向個數的不同，可分為單作用氣缸和雙作用氣缸。①單作用氣缸根據復位彈簧位置將作用氣缸分為預縮型氣缸和預伸型氣缸。a）預縮型氣缸b）預伸型氣缸圖4-32

單作用氣缸

當彈簧裝在有桿腔內時，由于彈簧的作用力而使氣缸活塞桿初始位置處于縮回位置，這種氣缸稱為預縮型單作用氣缸；

當彈簧裝在無桿腔內時，氣缸活塞桿初始位置為伸出位置，稱為預伸型氣缸。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第52頁。②雙作用氣缸動作原理：從無桿腔端的氣口輸入壓縮空氣時，若氣壓作用在活塞左端面上的力克服了運動摩擦力、負載等各種反作用力，則當活塞前進時，有桿腔內的空氣經該端氣口排出，使活塞桿伸出。同樣，當有桿腔端氣口輸人壓縮空氣時，活塞桿縮回至初始位置。通過無桿腔和有桿腔交替進氣和排氣，活塞桿伸出和縮回，氣缸實現往復直線運動。圖4-33

雙作用氣缸工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第53頁。2）氣動馬達。氣動馬達是一種做連續旋轉運動的氣動執行元件，是以壓縮空氣為工作介質的原動機，它是利用壓縮氣體的膨脹作用，把壓力能轉換為機械能的動力裝置。a）結構b）符號圖4-34雙向旋轉葉片式氣動馬達原理圖1-葉片2-轉子3-定子工作原理：

壓縮空氣由A孔輸入，小部分經定子兩端的密封蓋的槽進入葉片底部，將葉片推出，使葉片貼緊在定子內壁上，大部分壓縮空氣進入相應的密封空間而作用在兩個葉片上。由于兩葉片伸出長度不等，因此產生了轉矩差，使葉片與轉子按逆時針方向旋轉，做功后的氣體由定子上的B孔排出。若改變壓縮空氣的輸入方向，則可改變轉子的轉向。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第54頁。(3)控制元件1）

壓力控制閥。壓力控制閥分為減壓閥、順序閥、安全閥等。減壓閥是氣動系統中的壓力調節元件。一般情況下，需采用減壓閥來得到壓力較低并且穩定的供氣。圖

4-35直動式減壓閥結構圖1-手柄2、3-調壓彈簧4-溢流口5-膜片6-閥桿7-阻尼管8-閥芯9-閥座10-復位彈簧11-排氣孔

當閥處于工作狀態時，調節手柄l、調壓彈簧2、3及膜片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，工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第55頁。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。圖

4-35直動式減壓閥結構圖1-手柄2、3-調壓彈簧4-溢流口5-膜片6-閥桿7-阻尼管8-閥芯9-閥座10-復位彈簧11-排氣孔

當輸入壓力發生波動時，如輸入壓力瞬時升高，輸出壓力也隨之升高，作用于膜片5上的氣體推力也隨之增大，破壞了原來力的平衡，使膜片5向上移動，有少量氣體經溢流口4、排氣孔11排出。在膜片上移的同時，因復位彈簧10的作用使輸出壓力下降，直到新的平衡為止。重新平衡后的輸出壓力又基本上恢復至原值。反之，輸出壓力瞬時下降，膜片下移，進氣口開度增大，節流作用減小，輸出壓力又基本上回升至原值。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第56頁。2）流量控制閥。

流量控制閥是通過改變閥的通流面積來實現流量控制的元件。流量控制閥包括節流閥、單向節流閥、排氣節流閥等。圖

4-36節流閥的工作原理工作原理:

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，就可以改變節流口的開度，進而調節壓縮空氣的流量。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第57頁。3）方向控制閥。

方向控制閥（簡稱換向閥）通過改變氣流通道而使氣體流動方向發生變化，從而達到改變氣動執行元件運動方向的目的。工業機器人中常用電磁控制換向閥。圖

4-37單電控電磁換向閥的工作原理a）直動式b）先導式

由一個電磁鐵的銜鐵推動換向閥芯移位的閥稱為單電控換向閥。單電控換向閥有直動式和先導式兩種。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第58頁。工作原理：

靠電磁鐵和彈簧的相互作用使閥芯換位，實現換向。圖示為電磁鐵斷電狀態，由于彈簧的作用導通A、T口通道，封閉P口通道；電磁鐵通電時，壓縮彈簧導通P、A口通道，封閉T口通道。圖

4-37單電控電磁換向閥的工作原理a）直動式工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第59頁。工作原理：

用單電控直動換向閥作為氣控主換向閥的先導閥來工作的。圖示為斷電狀態，氣控主換向閥在彈簧力的作用下，封閉P口，導通A、T口通道；當先導閥帶電時，電磁力推動先導閥芯下移，控制壓力P，推動主閥芯右移，導通P、A口通道，封閉T口通道。圖

4-37單電控電磁換向閥的工作原理b）先導式適用于較大通徑的場合工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第60頁。工業機器人工作的穩定性和可靠性依賴于機器人對工作環境的檢測，因此需要高性能傳感器及各傳感器之間的協調工作。4.3工業機器人檢測裝置4.3.1工業機器人傳感器概述4-38機器人傳感器分布圖傳感器將機器人各種內部狀態信息和環境信息從信號轉變為機器人自身或者機器人之間能夠理解和應用的數據、信息甚至知識，它與機器人控制系統和決策系統組成機器人的核心。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第61頁。控制器內部傳感外部傳感機器人位置傳感器速度傳感器加速度傳感器力和壓力傳感器微動開關紅外傳感器接觸和視覺傳感器接近覺傳感器超聲波傳感器視覺傳感器語音合成器內傳感器用于測量機器人自身狀態測量與機器人作業有關的外部環境常用傳感器分類如下：工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第62頁。

機器人內部傳感器包括位置和位移傳感器、速度傳感器等。4.3.2內部傳感器4-39位移傳感器的分類

1.位置和位移傳感器

工業機器人關節的位置控制是機器人最基本的控制要求，而對位置和位移的檢測也是機器人最基本的感覺要求。位置和位移傳感器根據其工作原理和組成的不同有多種形式。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第63頁。

電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相連。物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。

1）電位器式位移傳感器按照傳感器的結構不同，電位器式位移傳感器可分為兩大類:①直線型電位器式位移傳感器;②旋轉型電位器式位移傳感器。圖4-40直線型和旋轉型電位器式位移傳感器工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第64頁。旋轉型電位器式位移傳感器直線型電位器式位移傳感器工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第65頁。

工作臺與傳感器的沿動觸點相連，當工作臺左、右移動時，滑動觸點也隨之左、右移動，從而改變與電阻接觸的位置，通過檢測輸出電壓的變化量，確定以電阻中心為基準位置的移動距離。

UCC：輸入電壓

L：觸頭最大移動距離

x：向左端移動的距離

UOUT:電阻右側的輸出電壓

①直線型電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器位移和電壓關系：圖4-41直線型電位器式位移傳感器工作原理工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第66頁。

傳感器的電阻元件呈圓弧狀，滑動觸點在電阻元件上做圓周運動。可動觸點的另一端固定在圓的中心，并像時針那樣回轉時，由于電阻值隨著回轉角的變化而改變，因此可構成角度傳感器。

②旋轉型電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器位移和電壓關系：圖4-42直線型電位器式位移傳感器工作原理當輸入電壓Ucc加在傳感器的兩個輸入端時，傳感器的輸出電壓UOUT，與滑動觸點的位置成比例。在應用時，機器人的關節軸與傳感器的旋轉軸相連，根據測量的輸出電壓UOUT的數值，即可計算出關節對應的旋轉角度。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第67頁。根據測出的信號不同，編碼器可分為絕對式和增量式兩種。

2）光電編碼器

利用光電轉換原理將旋轉信息轉換為電信息，并以數字代碼輸出，可以高精度地測量轉角或直線位移。一般裝在機器人各關節的轉軸上，用來測量各關節轉軸轉過的角度。圖4-43編碼器及內部結構圖工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第68頁。

是一種直接編碼式的測量元件，它可以直接把被測轉角或位移轉化成相應的代碼，指示的是絕對位置而無絕對誤差，在電源切斷時不會失去位置信息。但其結構復雜、價格昂貴，且不易做到高精度和高分辨率。

①絕對式光電編碼器

絕對式光電編碼器主要由多路光源、光敏元件和編碼盤組成。

編碼盤處在光源與光敏元件之間，其軸與電動機軸相連，隨電動機的旋轉而旋轉。圖4-324位絕對式光電編碼器簡圖1-編碼器2-軸3-光敏元件4-光遮斷器5-光源工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第69頁。

編碼盤上有4個同心圓環碼道，整個圓盤又以一定的編碼形式（如二進制編碼等）分為16等份的扇形區段，如圖所示。光電編碼器利用光電原理把代表被測位置的各等份上的數碼轉換成電脈沖信號輸出，以用于檢測。圖4-334位絕對式光電編碼器簡圖

編碼盤每轉一周產生0000-1111共16個二進制數，對應于轉軸的每一個位置均有唯一的二進制編碼，因此可用于確定旋轉軸的絕對位置。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第70頁。

絕對位置的分辨率（分辨角）a取決于二進制編碼的位數，即碼道的個數n。分辨率a的計算公式為圖4-334位絕對式光電編碼器簡圖工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第71頁。

增量式光電編碼器能夠以數字形式測量出轉軸相對于某一基準位置的瞬間角位置，此外還能測出轉軸的轉速和轉向。

②增量式光電編碼器圖4-34增量式光電編碼器簡圖1-編碼盤2-C光敏元件3-AB光敏元件4-光遮斷器5-光源

增量式光電編碼器主要由光源、編碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉換電路組成工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第72頁。

當編碼盤逆時針方向旋轉時，A相光柵先于B相光柵透光導通，A相和B相光電元件接受時斷時續的光；當順時針方向旋轉時，則相反。圖4-35增量式光電編碼器編碼盤

根據A、B相任何一光柵輸出脈沖數的多少就可以確定編碼盤的相對轉角；根據輸出脈沖的頻率可以確定編碼盤的轉速；

采用適當的邏輯電路，根據A、B相輸出脈沖的相序就可以確定編碼盤的旋轉方向。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第73頁。

光電編碼器的分辨率（分辨角）僅是以編碼器軸轉動一周所產生的輸出信號的基本周期數來表示的，即脈沖數每轉(PPR)。圖4-35增量式光電編碼器編碼盤

編碼盤旋轉一周輸出的脈沖信號數目取決于透光縫隙數目的多少。

假設編碼盤的透光縫隙數目為n，則分辨率a的計算公式為工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第74頁。2.速度傳感器

速度傳感器：測量機器人關節速度。---角速度傳感器角速度傳感器：測速發電機、增量光電編碼器。圖4-36直流測速發電機的結構原理1-永久磁鐵；2-轉子線圈；3-電刷；4-整流子1）測速發電機

把機械轉速變換成電壓信號，輸出電壓與輸入的轉速成正比。U:測速發電機的輸出電壓(V)；n:為測速發電機的轉速；K:為比例系數;工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第75頁。2）增量式光電編碼器

增量式光電編碼器既可以用來作為位置傳感器測量關節相對位置，又可作為速度傳感器測量關節速度。(1)模擬方式在這種方式下，必須采用頻率-電壓(f/U)變換器，把編碼器測得的脈沖頻率轉換成與速度成正比的模擬電壓。

(2)數字方式數字方式測速是指基于數學公式，利用計算機軟件計算出速度。若單位時間?

t內編碼器轉過的角度?θ，則編碼器在該時間段內的平均速度為工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第76頁。3）力覺傳感器

力覺傳感器是指工業機器人的指、肢和關節等運動中所受力或力矩的感知。

目前使用最廣泛的是電阻應變片式六維力和力矩傳感器，它能同時獲取三維空間的三維力和力矩信息，廣泛應用于力/位置控制、軸孔配合、輪廓跟蹤及雙機器人協調等機器人控制領域。圖4-37六維力矩傳感器工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第77頁。

工業機器人如果感知周圍環境，就需要外部傳感器，能使具有自校正能力和反映適應環境變化的能力。4.3.3外部傳感器

1.觸覺傳感器

觸覺是人與外界環境直接接觸時的重要感覺功能，研制滿足要求的觸覺傳感器是機器人發展中的關鍵技術之一。分類：（1）接觸覺傳感器（2）力-力矩覺傳感器（3）壓覺傳感器（4）滑覺傳感器判斷機器人（主要指四肢）是否接觸到外界物體或測量被接觸物體特征工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第78頁。

2.應力傳感器

應力應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器。當被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力矩或壓力等的作用下發生相應的應變或位移，引起應變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量即受力的大小。圖4-38各種電子秤工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第79頁。

3.接近度傳感器接近度傳感器是檢測物體接近程度的傳感器。圖4-40霍耳式傳感器②霍耳式：它由霍耳元件或磁敏二極管、晶體管構成（見半導體磁敏元件）。當磁敏元件進入磁場時就產生霍耳電動勢，從而能檢測出引起磁場變化的物體的接近。①電渦流式：它由線圈、激勵電路和測量電路組成（見電渦流式傳感器）。它的線圈受激勵而產生交變磁場，當金屬物體接近時就會由于電渦流效應而輸出電信號。圖4-39電渦流式傳感器工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第80頁。接近度傳感器應用實例：圖4-41接近傳感器的應用工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第81頁。

4.視覺傳感器

機器視覺系統是一種非接觸式的光學傳感系統，同時集成軟硬件，綜合現代計算機、光學、電子技術，能夠自動地從所采集到的圖像中獲取信息或者產生控制動作。圖4-42機器視覺系統工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第82頁。優點：圖4-40機器視覺系統應用（1）可靠性高非接觸測量不僅滿足狹小空間裝配過程的檢測，同時提高了系統安全性。（2）精度高可提高測量精度，人工目測受測量人員主觀意識的影響，而機器視覺這種精確的測量儀器排除這種干擾，提高了測量結果的準確性。（3）靈活性視覺系統能夠進行各種測量。當使用環境變化以后，只需軟件做相應變化或者升級以適應新的需求即可。（4）自適應性機器視覺可以不斷獲取多次運動后的圖像信息，反饋給運動控制器，直至最終結果準確，實現自適應閉環控制。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第83頁。

5.其他外部傳感器圖4-43滑覺傳感器圖4-41聲音傳感器圖4-42溫度傳感器1.聲覺傳感器：主要用于感受和解釋在氣體（非接觸式感受）、液體或固體（接觸式感受）中的聲波。2.溫度傳感器：主要用于機器人自主運行時、人不在場時、需要知道溫度信號時，對當前環境或物體溫度的檢測。3.溫度傳感器：滑覺傳感器主要檢測物體的滑動。當機器人抓住特性未知的物體時，必須確定最適合的握力值。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第84頁。本章小結工業機器人控制裝置主要硬件和軟件兩部分組成，其控制系統具有示教再現功能、運動控制功能、示教編程功能。工業機器人驅動裝置分為液壓驅動裝置、氣動驅動裝置和電動驅動裝置三大類，分別介紹不同裝置采用的主要設備，以及闡述工業機器人檢測裝置的內部傳感器和外部傳感器。本章主要針對工業機器人的控制系統，主要介紹工業機器人的控制裝置、驅動裝置及檢測裝置三部分內容。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第85頁。二二工業機器人檢測裝置4.3工業機器人驅動裝置4.2工業機器人控制裝置4.1

本章主要內容重點：控制裝置組成及應用第4章工業機器人控制系統工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第1頁。4.1.1工業機器人控制裝置組成和功能通常情況下，工業機器人控制裝置組成如圖4-1所示。4.1工業機器人控制裝置圖4-1工業機器人控制裝置實物圖

工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第2頁。1.工業機器人控制裝置組成工業機器人為完成相應的要求，需要相應的硬件和軟件部分。4.1工業機器人控制裝置圖4-2工業機器人控制裝置硬件組成1）硬件部分工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第3頁。工業機器人主要由以下硬件組成：4.1工業機器人控制裝置（1）控制計算機

控制系統的調度指揮機構。一般為微型機、微處理器有32位、64位等，如酷睿系列CPU以及其他類型CPU。（2）示教盒

示教機器人的工作軌跡和參數設定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現信息交互。（3）操作面板

由各種操作按鍵、狀態指示燈構成，只完成基本功能操作。（4）硬盤和軟盤存儲存

儲機器人工作程序的外圍存儲器。（5）數字和模擬量輸入輸出

各種狀態和控制命令的輸入或輸出。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第4頁。4.1工業機器人控制裝置（6）打印機接口

記錄需要輸出的各種信息。（7）傳感器接口

用于信息的自動檢測，實現機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。（8）軸控制器

完成機器人各關節位置、速度和加速度控制。（9）輔助設備控制

用于和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。（10）通信接口

實現機器人和其他設備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第5頁。4.1工業機器人控制裝置（11）網絡接口1）Ethernet接口

可通過以太網實現數臺或單臺機器人的直接PC通信，數據傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數進行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協議，通過Ethernet接口將數據及程序裝入各個機器人控制器中。2）Fieldbus接口

支持多種流行的現場總線規格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第6頁。4.1工業機器人控制裝置

軟件主要是指控制軟件，它包括運動軌跡規劃算法和關節伺服控制算法及相應的動作順序。控制軟件可以用任何語言來編制，但通用語言模塊化編制形成的專用工業語言越來越成為工業機器人控制軟件的主流。2）軟件部分工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第7頁。4普通3~6個自由度，復雜10個以上；123控制與機構運動學及動力學密切相關；動作通過信息庫處理找出最優路徑完成；2.工業機器人控制裝置功能4.1工業機器人控制裝置1）主要特點：工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第8頁。4.1工業機器人控制裝置2）主要功能：控制裝置主要任務是控制工業機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡、操作順序及動作的時間等以完成特定的工作任務，主要功能如下：（1）示教在線功能

指控制系統通過示教器或手把手進行示教，將動作順序、運動速度、位置等信息預先教給機器人，由機器人的記憶裝置自動記錄在存儲器，當需要再現操作時，重放內容即可。更改內容需重新示教。4-3示教器工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第9頁。4.1工業機器人控制裝置（2）運動控制功能指工業機器人的末端操作器從一點移動到另一點的過程中，對其位置、速度和加速度的控制。（3）示教編程功能

用機器人代替人進行作業時，必須預先對機器人發出指示，規定機器人進行應該完成的動作和作業的具體內容。這個過程就稱為對機器人的示教或對機器人的編程。

一般分為直接示教和離線示教，隨著計算機虛擬技術的發展，還出現了虛擬示教編程系統。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第10頁。4.1工業機器人控制裝置3.工業機器人的控制方式(1)點位控制方式--PTP(PointToPoint)只控制起始點和終止點的位姿,控制時只要求快速、準確地實現各點之間的運動，而對兩點之間的運動軌跡不作任何規定。(2)連續軌跡控制方式--CP（ContinuousPath）連續地控制工業機器人末端操作器在作業空間中的位姿，要求其嚴格按照預定的軌跡和速度在一定的精度范圍內運動，而且速度可控，軌跡光滑，運動平穩，以完成作業任務。(a)點位控制；(b)連續軌跡控制4-4點位控制與連續軌跡控制應用:上下料、搬運點焊、電路板上安插元件主要技術:定位精度運動所需的時間主要技術:末端操作器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩性應用:弧焊、噴漆、去毛邊檢測作業機器人工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第11頁。4.1工業機器人控制裝置(3)力（力矩）控制方式在完成裝配、抓放物體等工作時，除要準確定位之外，還要求使用適度的力或力矩進行工作，這時就要利用力（力矩）伺服方式。(4)智能控制方式工業機器人的智能控制是通過傳感器獲得周圍環境的知識，并根據自身內部的知識庫做出相應的決策。反饋量不是位置信號，是力（力矩）信號4-5軸式扭矩傳感器4-6工業機器人常用相機工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第12頁。4.1.2工業機器人控制器通常情況下，工業機器人控制裝置如下圖組成。4.1工業機器人控制裝置4-7工業機器人控制系統基本構成4-8工業機器人控制器工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第13頁。工業機器人控制器特點：4.1工業機器人控制裝置4-9工業機器人控制系統基本構成1)多任務功能。2)網絡功能。3)操作歷史記錄功能。4)海量存儲。5)用戶接口豐富。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第14頁。工業機器人控制器特點：4.1工業機器人控制裝置4-10工業機器人控制器1)多任務功能。2)網絡功能。3)操作歷史記錄功能。4)海量存儲。5)用戶接口豐富。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第15頁。

工業機器人驅動系統按動力源可分為液壓驅動、氣動驅動和電動驅動三種基本驅動類型。液壓驅動氣壓驅動電動驅動4.2工業機器人驅動裝置4.2.1驅動裝置類型和組成4-11工業機器人驅動類型工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第16頁。液壓、氣動、電動驅動的主要特點驅動裝置優點缺點應用領域液壓響應快速，結構易于標準化，節流效率較高，負載能力大液壓密封易出現問題，在一定條件下有火災危險常用于噴涂T業機器人和大負載工業機器人中氣動響應快速，結構簡單，易于標準化，安裝要求不太高，成本低高于10個大氣壓有爆炸的危險多用于點位控制的搬運機器人中電動結構簡單，控制靈活，精度高直流有刷電動機防爆性能較差應用于各類精度較高的弧焊、裝配工業機器人中工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第17頁。組成氣源、控制調節元件、輔助元件與裝置、動力機構、制動器及限位器元件等氣動驅動結構圖1）氣壓驅動圖4-12氣動驅動裝置工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第18頁。①氣源。可直接使用壓縮空氣站的氣源或自行設置氣源，使用的氣體壓力約為0.5-0.7MPa，流量為200~500L/h。②控制調節元件。控制調節元件包括氣動閥、快速排氣閥、調壓器、制動器、限位器等。③輔助元件與裝置。包括分水濾氣器、油霧器、儲氣罐、壓力表及管路等。通常把分水濾氣器、油霧器和調壓器做成組裝式結構，稱為氣動三聯件。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第19頁。④動力機構。機器人中常用直線氣缸和擺動氣缸。直線氣缸常用于手爪機構。擺動氣缸主要用于回轉關節，如腕關節。⑤制動器。由于氣缸活塞的速度較高，因此要求機器人準確定位時，需采用制動器制。制動方式有反壓制動，常用的制動器有氣動節流裝置、液壓阻尼或彈簧式阻尼機構。⑥限位器。限位器包括接觸式和非接觸式限位開關、限位擋塊式鎖緊機構。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第20頁。組成油源、執行機構、控制調節裝置、輔助元件液壓伺服驅動系統2）液壓驅動4-13工業機器人電液伺服驅動系統工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第21頁。①油源。通常把由油箱、濾油器和壓力表等構成的單元稱為油源。通過電動機帶動液壓泵，把油箱中的低壓油變為高壓油，供給液壓執行機構。機器人液壓系統的油液工作壓力一般為7~14MPa。②執行機構。分為直線液壓缸和回轉液壓缸。工業機器人運動部件的直線運動和回轉運動，絕大多數都直接由直線液壓缸和回轉液壓缸驅動產生，稱為直接驅動方式；有時由于結構安排的需要，也可以用直線液壓缸或同轉液壓缸經轉換機構而產生回轉或直線運動。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第22頁。③控制調節元件。控制調節元件有控制整個液壓系統壓力的溢流閥，控制油液流同的電磁閥、單向閥，調節油液流量（速度）的單向節流閥、單向行程節流閥。④輔助元件。輔助元件包括蓄能器、管路、管接頭等。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第23頁。組成

位置比較器、速度比較器、信號和功率放大器、驅動電動機、減速器以及構成閉環伺服驅動系統不可缺少的位置和速度檢測元件。電動驅動結構圖3）電動驅動圖4-14電動動力系統的動力裝量工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第24頁。電機優點缺點直流伺服電動機控制電路較簡單，價格較低廉電動機電刷有磨損，需定時調整及更換，既麻煩又影響性能，電刷還能產生火花，易引爆可燃物質，有時不夠安全步進電動機控制電路較簡單，也不需要檢測反饋環節，因此價格較低廉功率不大，不適用于大負荷的工業機器人交流伺服電動機結構較簡單，無電刷，運行安全可靠控制電路較復雜，價格較高

常用的驅動電動機有直流伺服電動機、步進電動機和交流伺服電動機，其優缺點如下：工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第25頁。4.2.2交流伺服驅動裝置

在工業機器人驅動裝置中，電動驅動裝置是應用最廣泛的一種驅動類型。采用交流伺服電動機作為執行元件的伺服驅動稱為交流伺服驅動裝置。因交流伺服電動機具備十分優良的低速性能，調速廣，動態特性和效率都很高，所以已經成為伺服系統的主流之選。4-15伺服驅動機工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第26頁。4-16異步電動機

異步伺服電動機雖然結構堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性和效率上與交流伺服電動機存在差距，只在大功率場合得到重視，多用于機床主軸轉速和其他調速系統。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第27頁。交流大多數情況下按照系統是否閉環分類，交流伺服系統分為開環伺服系統、半閉環伺服系統和全閉環伺服系統三種。1.交流伺服系統分類4-17工業機器人驅動類型1）開環伺服系統

是一種沒有位置或速度反饋的控制系統，伺服機構按照指令裝置發來的移動指令，驅動機械做相應的運動，系統的輸出位移與輸入指令脈沖個數成正比，所以在控制整個系統時，只要精確地控制輸入脈沖的個數，就可以準確地控制系統的輸出，但是這種系統精度比較低，運行不是很平穩。伺服機構工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第28頁。4-18工業機器人驅動類型2）半閉環伺服系統

屬于閉環系統，具有反饋環節，在原理上它具有閉環系統的一切特性和功能。它的檢測元件與伺服電動機同軸相連，通過直接測出電動機軸旋轉的角位移或角速度可推知執行機械的實際位移或速度，它對實際位置移動或運行速度采用的是間接測量的方法工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第29頁。4-18工業機器人驅動類型缺點：存在測量轉換誤差，而且環外的節距誤差和間隙誤差也沒有得到補償。優點：在閉環中非線性因素少，容易整定，并且執行機械與電氣自動控制部分相對獨立，系統的通用性增強，因此這種結構是當前國內外伺服系統中最普遍采用的方案。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第30頁。4-11工業機器人驅動類型3）全閉環伺服系統

是一種真正的閉環伺服系統。全閉環伺服系統在結構上與半閉環伺服系統是一樣的，只是它的檢測元件直接安裝在系統的最終運動部件上，系統反饋的信號是整個系統真正的最終輸出。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第31頁。不同系統對比工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第32頁。2.交流伺服驅動裝置組成4-18異步交流伺服電動機原理圖1）交流伺服電動機（1）感應異步交流伺服電動機

結構分為定子部分和轉子部分。在定子鐵心中安放著空間成90°的兩相定子繞組，其中一相為勵磁繞組，始終通以交流電壓；另一相為控制繞組，輸入同頻率的控制電壓，改變控制電壓的幅值或相位可實現調速。轉子的結構通常為籠型。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第33頁。主要由定子、轉子及測量轉子位置的傳感器構成。定子和一般的三相感應電機類似，采用三相對稱繞組結構，它們的軸線在空間彼此相差120度。轉子上有特殊形狀高性能永磁體，產生恒定磁場。在電機的非負載端安裝速度傳感器和位置傳感器，檢測電機實際運行速度，或者進行位置控制（2）永磁同步交流伺服電動機4-19同步交流伺服電動機原理圖4-20永磁同步電動機結構工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第34頁。4-21異步交流伺服電動機原理圖

交流永磁同步伺服驅動器主要由伺服控制單元、功率驅動單元、伺服電動機、相應反饋檢測器件及通信接口單元組成，如圖4-21所示。伺服控制單元反饋檢測器件伺服電動機功率驅動單元通信接口單元2）永磁同步交流伺服驅動器工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第35頁。

功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。整流后的直流電再通過三相正弦PWM電壓型逆變器逆變為所需頻率的交流電來驅動三相永磁式同步交流伺服電動機。（1）功率驅動單元4-22三相橋式電路原理圖簡言之，

功率驅動單元的整個過程就是AC-DC-AC的過程。整流單元(AC-DC)主要的拓撲電路是三相全橋整流電路。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第36頁。（2）控制單元

控制單元是整個交流伺服系統的核心，實現系統位置控制、速度控制、轉矩和電流控制。位置控制分為模擬式位置控制和數字式位置控制。

其根本任務就是使執行機構對位置指令進行精確跟蹤。被控量一般是負載的空間位移，當給定量隨機變化時，系統能使被控量無誤地跟蹤并復現給定量，給定量可能是角位移或直線位移。位置控制必然是一個反饋控制系統，組成位置控制回路，即位置環。工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第37頁。a.模擬式位置控制4-23模擬式位置控制系統原理檢測元件：一般為旋轉變壓器或光電編碼器輸入量：模擬量特點：控制精度不高

工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第38頁。b.數字式位置控制4-24數字式位置控制系統原理工作原理：檢測元件的反饋信號輸入電路，經轉換電路得到二進制數字信號，與給定的二進制數字信號同時送入計算機或可逆計數器進行比較并確定出誤差，按一定控制規律運算后（通常為比例放大），構成數字形式的校正信號，再經數/模轉換器變成電壓信號，作為速度控制器的給定信號。

工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第39頁。4-24數字式位置控制系統原理檢測元件：一般為光電編碼器或其他數字反饋發生器輸入量：數字量特點：系統控制規律通過軟件改變，具有很高的靈活

性

工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第40頁。

液壓傳動是以液體作為工作介質來進行工作的，一個完整的液壓傳動系統由以下幾部分組成：

（l）動力元件（5）工作介質（4）輔助元件（3）控制元件（2）執行元件

將原動機的機械能轉化成液壓能的裝置。如：液壓泵

將壓力能轉換為機械能的裝置。如：缸、馬達

控制工作介質的流動方向、壓力和流量，以保證執行元件和工作機構按要求工作。

在液壓系統中傳遞運動和動力能量的液體，即液壓油。其它裝置，如：控制閥、油箱、管道等。4.2.3液壓氣動裝置的主要設備1.液壓系統的主要設備工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第41頁。4-25直線液壓缸液壓缸是液體壓力能轉變為機械能的、做直線往復運動（或擺動運動）的液壓執行元件。1）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，通過受控節流口調節流量，可以在到達運動終點時實現減速，使停止過程得到控制。工作原理：基于高壓油對活塞或葉片的作用工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第42頁。

又稱旋轉液壓馬達，是液壓系統的旋轉式執行元件。殼體由鋁合金制成，轉子是鋼制的。密封圈和防塵圈分別用來防止油的外泄和保護軸承。2）液壓馬達1、20-齒輪2-防塵罩3、30-電位器4-防塵器5、11-密封圈6、10-端蓋7、13-輸出軸8、25-殼體9、22-鋼盤12-防塵圈14、17-滾針軸承15、19-泄油孔16、18-O型密封圈21、29-解算器23、26-轉子24-轉動葉片27-固定葉片28-進出油孔4-26液壓馬達工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第43頁。工作原理：在電液閥的控制下，液壓油經進油口進入，并作用于同定在轉子的葉片上，使轉子轉動。4-26液壓馬達

隔板用來防止液壓油短路。通過一對由消隙齒輪帶動的電位器和一個解算器給出轉子的位置信息。電位器給出粗略值，而精確位置由解算器測定。

整體的精度不會超過驅動電位器和解算器的齒輪系精度。1、20-齒輪2-防塵罩3、30-電位器4-防塵器5、11-密封圈6、10-端蓋7、13-輸出軸8、25-殼體9、22-鋼盤12-防塵圈14、17-滾針軸承15、19-泄油孔16、18-O型密封圈

21、29-解算器23、26-轉子24-轉動葉片27-固定葉片28-進出油孔工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第44頁。4-27單向閥（1）單向閥主要性能要求：油液通過時壓力損失要小，反向截止時密封性要好。工作原理：

液壓油從P1進入，克服彈簧力推動閥芯，使油路接通，液壓油從P2流出。當液壓油從反向進入時，油液壓力和彈簧力將閥芯壓緊在閥座上，油液不能通過。

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4-27所示。3）液壓閥工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第45頁。①滑閥式換向閥是靠閥芯在閥體內做軸向運動，而使相應的油路接通或斷開的換向閥。其換向原理如圖4-16所示。圖4-28換向閥換向原理（2）換向閥

當閥芯處于圖4-28a所示位置時，P與B連通，A與T連通，活塞向左運動；

當閥芯向有移動處于圖4-28b所示位置時，P與A連通，B與T連通，活塞向右運動。a）

b）工業機器人控制系統全文共85頁，當前為第46頁。②機動換向閥用于機械運動中，作為限位裝置限位換向，如圖4-29所示。4-29機動換向閥1-彈簧2-閥芯3-閥體