工业机器人技术与应用-第3章-工业机器人的核心部件.pptx

第3章 工业机器人的核心部件为工业增智 为教育赋能2 23.3 减速器及其安装与维护 本章目录3.1 三大核心零部件3.4 控制系统3.2 电机及其安装与维护3.5 模块化关节3.6 实训：认识AUBO机器人的核心部件3.7 思考与练习为工业增智 为教育赋能3 3 本章要求 知识目标熟悉工业机器人的核心部件；了解工业机器人常用电机的种类及其安装维护方法；熟知工业机器人减速器的种类及其安装维护方法；了解工业机器人控制器的结构为工业增智 为教育赋能4 4 本章要求 技能目标能够拆装工业机器人关节并对其进行维护；能够组装工业机器人的减速器并对其进行维护；能够检修工业机器人的控制柜并对其进行维护为工业增智 为教育赋能5 53.1三大核心零部件工业机器人的核心部件为工业增智 为教育赋能6 63.1 三大核心零部件工业机器人的三大核心零部件为电机、减速器和控制器这三大件直接决定了工业机器人的性能，也是工业机器人的主要技术门槛在目前工业机器人成本的构成中，电机占20%左右，减速器为35左右，控制器为15左右，机械加工15左右，剩下5%是其他方面的成本我国起步较晚，这三大部件的技术水平均与国外存在明显差距。

近年来，国内研究机构和厂商也在不断努力，减少与国外的差距从国内工业机器人市场来看，控制器已能实现自主生产，但在性能上与国际水平有一定差距在伺服电机和减速器方面，国内公司与国外竞争对手相比尚缺乏竞争力，技术差距较为明显，国产化率很低工业机器人使用的电机通常是伺服电机，能对位置和速度进行精确控制伺服电机是工业机器人的动力系统，一般安装在机器人的“关节”处，是机器人运动的“心脏”，是影响机器人负载和运动特性的重要因素之一机器人的关节驱动离不开伺服系统，关节越多，灵活性越大，所使用的伺服电机数量就越多机器人对伺服系统的要求较高，必须满足响应快、起动转矩高、动转矩惯量比大、调速范围宽等特点，还要适应机器人的结构做到体积小、重量轻等条件，并且需要高可靠性和稳定性为工业增智 为教育赋能7 73.1 三大核心零部件电机在高转速下才能保证效率，输出轴的输出力矩通常很小，一般通过减速器对关节进行驱动减速器的输入端与电机的输出端相联，其输出端用于驱动关节运动通过减速器，电机能够保持高速运转状态，而机器人关节的转速降低到任务所需要的级别，并能对电机的输出力矩进行放大，满足负载要求减速器的精度直接影响机器人的定位精度和重复定位精度。

工业机器人要求减速器必须具有精度高、间隙小、噪音低、负载力大、耐冲击等特点，在结构尺寸和重量上同样需要体积小、重量轻，高可靠性和稳定性等条件控制器是机器人控制系统的核心大脑，是最终决定机器人功能和性能的主要因素电机和减速器是机器人性能的基本保障条件，它们的性能越好，并不代表机器人的性能越好机器人是多个关节组成的复杂系统，其性能需要关节的协调运动和控制来保证，这就需要控制器来实现控制器的主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等为了保证响应速度，通常需要对机器人进行重力补偿此外，控制器需为外界操作提供交互界面工业机器人要求控制器必须具有控制周期低、鲁棒性好、稳定可靠、安全防护性能好等特点，在软件交互方面具有界面友好、易操作等特点为工业增智 为教育赋能8 83.2电机及其安装与维护工业机器人的核心部件为工业增智 为教育赋能9 93.2 电机及其安装与维护3.2.1 直流伺服电机直流伺服电机分为有刷电机和无刷电机两类，如图3-1所示有刷直流电机主要由电机轴、换向器、线圈、永久磁铁和外壳等组成有刷电机采用机械式的电刷作为换向器，对电流进行换向；其转子为线圈，定子为永久磁铁。

无刷电机主要由电机轴、霍尔元件、线圈、永久磁铁和外壳等组成与有刷电机不同，无刷电机通过霍尔元件控制电流的换向，采用永久磁铁作为转子，电枢则作为定子，这与有刷电机正好相反图3-1有刷直流电机和无刷直流电机为工业增智 为教育赋能10103.2 电机及其安装与维护直流无刷电机优势较明显由于有刷电机采用机械式换向开关，随着时间的推移，电刷会磨损，需要进行更换另外，高速回转下电刷也会导致火花的产生，影响电机的转矩范围无刷电机则没有此类情况，具有维护性好、功率密度高、控制容易、运行温度低、噪音小等优点，可用于各种环境，现在大多用的是无刷直流电机直流无刷电机具有体积小、重量轻、响应快、速度高、惯量小、转动平滑、力矩稳定等特点，但电机的功率有局限，做不到很大，一般用于轻型或中型的工业机器人电机的基本原理是电流切割磁场线会产生力的作用，如图3-3所示以单匝线圈为例，设磁场强度为B，电流为i，线圈的长度为l，则单侧导线受到的力为F=Bli图3-2电机的工作原理为工业增智 为教育赋能11113.2 电机及其安装与维护3.2.2 交流伺服电机交流伺服电动机驱动器具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花、维护性好、鲁棒性高、速度范围广、输出功率大等优点，在工业机器人中得到广泛应用，尤其在重载工业机器人领域应用的比较多。

但其控制特性为非线性，控制比较困难，而且转子电阻大，存在损耗大、效率低等问题；与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重图3-3交流伺服电机内部结构图3-3为交流伺服电机的内部结构，主要分为定子和转子两部分伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器将反馈值与目标值比较后再调整转子转动的角度，因此伺服电机的精度决定于编码器的精度为工业增智 为教育赋能12123.2 电机及其安装与维护交流伺服电机的基本原理3相绕组U、V、W之间的相位差为120，则各自的磁通B为：给各绕组通电，电流I与磁通相位有相移，于是3相绕组的电流分别为：电机产生的转矩为：交流电机的，转矩与电机电流成正比，严格控制电流就可得到与直流电机相同的特性在交流电机高速运转情况下，电流的频率变快，即使相位滞后变大，只要速度不变，就能保持一定，转矩就不会产生脉动，从而获得整个速度范围内的平滑运转为工业增智 为教育赋能13133.2 电机及其安装与维护3.2.3 步进电机步进电机由电子线路驱动，如图3-4所示步进电机以脉冲序列作为控制信号，每给一个脉冲，电机就旋转一定的角度，这个角度称为步距角。

步距角决定步进电机的控制精度当用低频脉冲电流驱动步进电机时，电机将完成阶梯状运动无载荷时电机的停止点称为稳定点，每转一周产生的稳定点数称为步数步进电机的结构与同步电机相似，有单相或多相绕组若步进电机的步数为S，相数为m，齿数为时，则S=m图3-4步进电机原理为工业增智 为教育赋能14143.2 电机及其安装与维护3.2.4 直线驱动器直线电机的结构主要为定子、动子和直线运动的支撑轮三部分，如图3-5所示为了保证在行程范围内定子和动子之间具有良好的电磁场耦合，定子和动子的铁心长度不等定子可制成短定子和长定子两种形式由于长定子结构成本高、运行费用高，所以很少采用直线电动机与旋转磁场一样，定子铁心由硅钢片叠成，表面开有齿槽，槽中嵌有三相、两相或单相绕组单相直线异步电动机可制成罩极式，也可通过电容移相图3-5直线电机为工业增智 为教育赋能15153.2 电机及其安装与维护旋转电机的种类很多按其作用分为发电机和电动机，按电压性质分为直流电机与交流电机，按其结构分为同步电机和异步电机异步电动机按相数不同，可分为三相异步电动机和单相异步电动机；按其转子结构不同，又分为笼型和绕线转子型，其中笼型三相异步电动机因其结构简单、制造方便、价格便宜、运行可靠，在各种电动机应用最广、需求量最大。

直线电机是将传统圆筒型旋转电机的初级展开拉直，变初级封闭磁场为开放磁场而旋转电机的定子部分变为直线电机的初级，旋转电机的转子部分变为直线电机的次级图3-6为旋转电机和直线电机的对比图直线电机初级是固定不动，其次级就能沿着行波磁场运动的方向做直线运动图3-6直线电机与旋转电机的对比为工业增智 为教育赋能16163.2 电机及其安装与维护直线电机具有以下优点：（1）结构简单直线电机不需要中间转换机构而直接产生直线运动，结构简化，运动惯量减少，动态响应性能、定位精度和可靠性得到大幅度提高，节约了成本，使制造和维护更加简便2）高加速度与丝杠、同步带和齿轮齿条驱动相比，这是直线电机驱动的一个显著优势3）适合高速直线运动由于无离心力约束，普通材料亦可达到较高的速度如果初、次级间用气垫或磁垫保存间隙，则运动时无机械接触，因而运动部分无摩擦和噪声4）易于调节和控制调节电压或频率，或更换次级材料，可得到不同的速度、电磁推力，适用于低速往复运行场合5）适应性强直线电机的初级铁芯可用环氧树脂封成整体，具有较好的防腐、防潮性能，便于在潮湿、粉尘和有害气体的环境中使用，且可设计成多种结构形式，满足不同需求为工业增智 为教育赋能17173.2 电机及其安装与维护液压缸或气压缸是另一种十分常见的直线驱动器。

液压缸以液体为介质，主要用于高负载场合气压缸则以气体为介质，适合轻载场合两者原理是相同，在使用时都需要配置相应的液体或气体回路图3-7液压缸结构与电机相比，液压/气压缸的系统往往比较复杂以液压缸为例，液压缸主要由活塞杆、活塞、缸体、进油口和出油口等组成，如图3-7所示液压系统有以下优点：（1）体积小，重量轻；（2）刚度大、精度高、响应快；（3）驱动力大，适合重载直接驱动；（4）调速范围宽，速度控制方式多样；（5）自润滑、自冷却和长寿命；（6）易于实现安全保护为工业增智 为教育赋能18183.2 电机及其安装与维护液压系统的原理：液体不可压缩；液体的压强处处相等据这两条原理，对于如图3-9所示的液压系统，当无杆腔进油时，活塞的运动速度和推力分别为：其缺点也十分明显：（1）抗工作液污染能力差；（2）对温度变化敏感；（3）存在泄漏隐患；（4）制造难，成本高；（5）不适于远距离传输且需液压能源其中为进油口的流量，为活塞无杆一侧的表面积为活塞有杆一侧的表面积（去除活塞杆截面积后的面积），为进油口的压强，为出油口的压强当有杆腔进油时，活塞的运动速度和推力分别为：图3-8气缸工作原理图为工业增智 为教育赋能19193.2 电机及其安装与维护另一种直线驱动器采用旋转电机驱动，通过传动机构将旋转运动转换为直线运动。

通常采用的传动机构有齿轮齿条机构、丝杠机构在机器人应用中，滚珠丝杠因效率和精度高的优点被广泛应用滚珠丝杠主要由丝杠轴、钢球和螺母组成，如图3-9所示螺母内部开有循环槽，用于钢珠的循环滚珠丝杠的传动效率很高，能达到90%以上除将旋转运动转换为直线运动，滚珠丝杠也可把直线运动转换为旋转运动，但前者的应用较多图3-9滚珠丝杠的结构丝杠转速N、丝杠导程l和进给速度V之间的关系为V=60lN其中V的单位为m/s，l的单位为cm，N的单位为rpm当回转运动变换为直线运动时，轴向载荷F和驱动力矩T之间的关系为其中F的单位为kgf，T的单位为kgfcm，为传动效率（约0.90.95）为工业增智 为教育赋能20203.2 电机及其安装与维护3.2.5 电机的安装与维护电机的安装：（1）电机须安装在平稳的底座上，若电机安装不平稳，则电机运转时会造成内部零件振动，进而受损；（2）电机传动中心轴线要对中，不能超过允许的误差范围，这样才能获得理想的传动效率；（3）在安装传动件时，使用螺栓压入，不可敲击，以免造成电机配件的损坏在拆卸电机时也不能随意敲打，这点必须注意；（4）操作人员要经过专业培训，持证上岗后才能进行安装；（5）安装过程中逐步检查，确保安装正确、无误，最后检查密封连接件是否拧紧。

确定无误后才可开始试运行为工业增智 为教育赋能21213.2 电机及其安装与维护3.2.5 电机的安装与维护电机的维护保养：1）起动前的检查（1）检查机器人关节外表有无损坏；（2）检查电源线、控制线是否连接可靠，接地线是否接触。