機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用(已修改)
2025-05-13 00:47 本頁面
【正文】 第五章 機(jī)器人的控制基礎(chǔ) 第一節(jié) 概 述 一、機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 1）機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。 2）機(jī)器人有多個(gè)自由度。每個(gè)自由度一般包含一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。 3）機(jī)器人控制系統(tǒng)必須是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟件擔(dān)負(fù)著艱巨的任務(wù)。 4）描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性模型，隨著狀態(tài)的不同和外力的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合。 5）機(jī)器人的動(dòng)作往往可以通過不同的方式和路徑來完成，因此存在一個(gè)“最優(yōu)”的問題。 二、機(jī)器人的控制方式 1. 點(diǎn)位式 很多機(jī)器人要求能準(zhǔn)確地控制末端執(zhí)行器的工作位置，而路徑卻無關(guān)緊要。例如，在印刷電路板上安插元件、點(diǎn)焊、裝配等工作，都屬于點(diǎn)位式工作方式。 2. 軌跡式 在弧焊、噴漆、切割等工作中，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器按照示教的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)。如果偏離預(yù)定的軌跡和速度，就會(huì)使產(chǎn)品報(bào)廢?？煞Q之為軌跡伺服控制。 3. 力（力矩）控制方式 在完成裝配、抓放物體等工作時(shí)，除要準(zhǔn)確定位之外，還要求使用適度的力或力矩進(jìn)行工作，這時(shí)就要利用力（力矩）伺服方式。 4. 智能控制方式 詳見第六章。 三、機(jī)器人控制的基本單元 機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要素包括電動(dòng)機(jī)、減速器、運(yùn)動(dòng)特性檢測的傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、控制系統(tǒng)的硬件和軟件。 1．電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，常見的有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 2．減速器 減速器是為了增加驅(qū)動(dòng)力矩，降低運(yùn)動(dòng)速度 3．驅(qū)動(dòng)電路 由于直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)的流經(jīng)電流較大，機(jī)器人常采用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 4．運(yùn)動(dòng)特性檢測的傳感器 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的特性傳感器用于檢測機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的位置、速度、加速度等參數(shù)。 5．控制系統(tǒng)的硬件 機(jī)器人的控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的，機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)采用的是二級結(jié)構(gòu) —— 協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級。 6．控制系統(tǒng)的軟件 對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的計(jì)算、機(jī)器人的智能控制和機(jī)器人與人的信息交換等功能。 第二節(jié) 伺服電機(jī)的原理與特性 一、直流電機(jī)的工作原理 二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和額定值 1．直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 1－電樞繞組； 2－電樞鐵心； 3－機(jī)座； 4－主磁極鐵心； 5－勵(lì)磁繞組； 6－換向極繞組； 7－換向極鐵心； 8－主磁極極靴； 9－機(jī)座底腳； 直流電機(jī)橫剖面示意圖 2．直流電機(jī)的額定值 （ 1） 額定功率 ：是指軸上輸出的機(jī)械功率，單位為 kW。 （ 2） 額定電壓 ：安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為 V(伏 )。 （ 3） 額定電流 ：允許流過的最大電流，單位為A(安 )。 （ 4） 額定轉(zhuǎn)速 ：額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為 rpm(轉(zhuǎn) /分 )。 三、直流伺服電機(jī) 機(jī)器人對直流伺服電機(jī)的基本要求： ?寬廣的調(diào)速范圍 ?機(jī)械特性和調(diào)速特性均為線性 ?無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象（控制電壓降到零時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)能立即自行停轉(zhuǎn)） ?快速響應(yīng)好 直流伺服電機(jī)： 傳統(tǒng)型和低慣量型 兩種類型。 傳統(tǒng)型按定子磁極的種類分為兩種， 永磁式和電磁式 。永磁式的磁極是永久磁鐵；電磁式的磁極是電磁鐵，磁極外面套著勵(lì)磁繞組。 低慣量分為盤形電樞直流伺服電機(jī)、空心杯電樞永磁式直流伺服電機(jī)及無槽電樞直流伺服電機(jī)。 1一定子； 2一轉(zhuǎn)子 圖 5－ 3 盤型直流電機(jī)結(jié)構(gòu) ? 1一轉(zhuǎn)子 (導(dǎo)線繞 6空心杯 1)； 2一內(nèi)定子；3一外定子； 4一磁極； 5一氣隙； 6— 導(dǎo)線； 7一內(nèi)定子中的磁路 ? 圖 5－ 4 杯型直流電機(jī)結(jié)構(gòu) 在電樞控制方式下，直流伺服電機(jī)的主要靜態(tài)特性是機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。 1．機(jī)械特性 直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性公式， TCCRnCCRCUnTeTeTa202 ??? ????0neCTC?—— 電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速； R—— 電樞電阻； —— 直流電機(jī)電動(dòng)勢結(jié)構(gòu)常數(shù)； —— 轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)常數(shù)； —— 磁通； T—— 轉(zhuǎn)矩。 當(dāng) 一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)矩 T的增加，轉(zhuǎn)速 n成正比下降。隨著控制電壓 的降低，機(jī)械特性平行地向低速度、小轉(zhuǎn)矩方向平移，其斜率保持不變。 (a) 機(jī)械特性 aUaU2．調(diào)節(jié)特性 當(dāng) T一定時(shí)，控制電壓高則轉(zhuǎn)速也高，轉(zhuǎn)速的增加于控制電壓的增加成正比，這是理想的調(diào)節(jié)特性。 調(diào)節(jié)特性 1TT ?1U時(shí)，始動(dòng)電壓為 一般把調(diào)節(jié)特性曲線上橫坐標(biāo)從零到始動(dòng)電壓這一范圍稱為失靈區(qū)。在失靈區(qū)以內(nèi)，即使電樞有外加電壓，電機(jī)也不能轉(zhuǎn)動(dòng)。 四、交流伺服電機(jī) 直流電機(jī)本身存在不足 ?機(jī)械接觸式換向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜； ?在運(yùn)行中容易產(chǎn)生火花； ?換向器的機(jī)械強(qiáng)度不高； ?電刷易于磨損； ?不適于有粉塵、腐蝕性氣體和易燃易爆氣體的場合； ?對于一些大功率的輸出要求不能滿足要求。 交流伺服電機(jī) ? 結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，價(jià)格低廉，而且堅(jiān)固耐用，慣量小，運(yùn)行可靠，很少需要維護(hù)，可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，目前在機(jī)器人領(lǐng)域逐漸有代替直流伺服電機(jī)的趨勢。 1. 交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 交流伺服電機(jī)為兩相異步電動(dòng)機(jī)，一相為勵(lì)磁繞組，另一相為控制繞組，轉(zhuǎn)子為鼠籠型。
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