工業(yè)機(jī)器人常用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類與要求

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(duì)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(guò)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。

一、機(jī)器人對(duì)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(hào)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(hào)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(lái)說(shuō)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(hào)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(hào)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(guò)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(duì)精度、速度要求不高的小型簡(jiǎn)易機(jī)器人開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中。交流伺服電動(dòng)機(jī)由于采用電子換向，無(wú)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)。

二、電機(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(cè)速發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器；位置傳感器多用光電碼盤(pán)和旋轉(zhuǎn)變壓器。近年來(lái)，國(guó)外機(jī)器人制造廠家已經(jīng)在使用一種集光電碼盤(pán)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(cè)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。

三、常用的減速機(jī)構(gòu)

1．RV減速機(jī)構(gòu)；
2．諧波減速機(jī)械；
3．?dāng)[線針輪減速機(jī)構(gòu)；
4．行星齒輪減速機(jī)械；
5．無(wú)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(guó)外許多電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家均開(kāi)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(guò)對(duì)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(guò)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。

四、驅(qū)動(dòng)器種類

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(guò)改變脈沖寬度來(lái)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(guò)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(wú)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(duì)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(wú)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(wú)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(hào)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(zhǎng)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(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)制動(dòng)。作為一種開(kāi)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(guò)載能力差、調(diào)速范圍相對(duì)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(jiǎn)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(guò)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(jiǎn)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(lái)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)小：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(chǎng)能把幾微米到幾百微米的位移控制在高于微米級(jí)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。