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机器人热潮中的伺服系统

日期:2019-01-29   人气:  来源:库卡机器人维修  作者:admin
简介:若说当下的热门科技,机器人绝对算一个。机器人作为典型的机电一体化技术密集型产品,它是如何实现运作的呢? 机器人的控制分为机械本体控制和伺服机构控制两大类,伺服控制系统则是实现机器人机械本体控制和伺服机构控制的重要部分。因而要了解机器人的运……

若说当下的热门科技,机器人绝对算一个。机器人作为典型的机电一体化技术密集型产品,它是如何实现运作的呢?

机器人的控制分为机械本体控制和伺服机构控制两大类,伺服控制系统则是实现机器人机械本体控制和伺服机构控制的重要部分。因而要了解机器人的运作过程,必然绕不过伺服系统。

伺服系统

伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品,是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外,还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。

广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统,也可称作随动系统。

狹义伺服系统又称位置随动系统,其被控制量(输出量)是负载机械空间位置的线位移或角位移,当位置给定量(输入量)作任意变化时,系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。

伺服系统的结构组成

机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。

伺服系统组成原理框图

1、比较环节

比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较,以获得输出与输入间的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现。

2、控制器

控制器通常是计算机或PID(比例、积分和微分)控制电路,其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作。

3、执行环节

执行环节的作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。

4、被控对象

被控对象指被控制的物件,例如一个机械手臂,或是一个机械工作平台。

5、检测环节

检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置,一般包括传感器和转换电路。

伺服系统的特点和功用

伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别,它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置。伺服系统是数控装置和机床的联系环节,是数控系统的重要组成,具有以下特点:

必须具备高精度的传感器,能准确地给出输出量的电信号。

功率放大器以及控制系统都必须是可逆的。

足够大的调速范围及足够强的低速带载性能。

快速的响应能力和较强的抗干扰能力。

伺服系统的类型

按控制原理分:有开环、闭环和半闭环三种形式

按被控制量性质分:有位移、速度、力和力矩等伺服系统形式

按驱动方式分:有电气、液压和气压等伺服驱动形式

按执行元件分:有步进电机伺服、直流电机伺服和交流电机伺服形式

伺服系统的执行元件

1、执行元件的种类及其特点

(1)电气式执行元件

电气执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流(AC)伺服电机、步进电机以及电磁铁等,是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外,一般还要求动态性能好,适合于频繁使用,便于维修等。

(2)液压式执行元件

液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等,其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下,液压元件具有重量轻、快速性好等特点。

(3)气压式执行元件

气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外,与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度,但由于空气粘性差,具有可压缩性,故不能在定位精度要求较高的场合使用。

三种类型的区别

种类

特点

优点

缺点

可用商业电源;信号与动力传送方向相同;有交流直流之分;注意使用电压和功率。

操作简便;编程容易;能实现定位伺服控制;响应快、易与计算机(CPU)连接;体积小、动力大、无污染。

瞬时输出功率大;过载差;一旦卡死,会引起烧毁事故;受外界噪音影响大。

气体压力源压力5~7×Mpa;要求操作人员技术熟练。

气源方便、成本低;无泄露而污染环境;速度快、操作简便。

功率小、体积大、难于小型化;动作不平稳、远距离传输困难;噪音大;难于伺服。

液体压力源压力20~80×Mpa;要求操作人员技术熟练。

输出功率大,速度快、动作平稳,可实现定位伺服控制;易与计算机(CPU)连接。

设备难于小型化;液压源和液压油要求严格;易产生泄露而污染环境。

2、常用的控制用电机

控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。机电一体化产品中常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电机。

控制用电机有回转和直线驱动电机,通过电压、电流、频率(包括指令脉冲)等控制,实现定速、变速驱动或反复启动、停止的增量驱动以及复杂的驱动,而驱动精度随驱动对象的不同而不同。

(1)伺服驱动电机一般是指:步进电机(SteppingMotor)、直流伺服电机(DCServoMotor)、交流伺服电机(ACServoMotor)

(2)常用伺服控制电动机的控制方式主要有:开环控制、半闭环控制、闭环控制三种。

闭环系统的驱动系统具有位置(或速度)反馈环节;开环系统没有位置与速度反馈环节。

a、开环数控系统

没有位置测量装置,信号流是单向的(数控装置→进给系统),故系统稳定性好。

无位置反馈,精度相对闭环系统来讲不高,其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。

这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点,在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。

b、半闭环数控系统

半闭环数控系统的位置采样点如图所示,是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出,采样旋转角度进行检测,不是直接检测运动部件的实际位置。

半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节,因此可获得稳定的控制性能,其系统的稳定性虽不如开环系统,工业机器人维修,但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此,其精度较闭环差,较开环好。但可对这类误差进行补偿,因而仍可获得满意的精度。

半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高,因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。

c、全闭环数控系统

全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示,直接对运动部件的实际位置进行检测。

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