工业机器人驱动和传动系统分析

王翠婷

摘 要：随着工业自动化技术的发展，可编程控制器PLC逐渐普及，工业机器人的应用越来越广泛，在工业发展中也贡献出巨大的力量。本文在论述工业机器人驱动系统的基础上，分析了工业机器人的传动控制系统。

关键词：工业机器人；驱动系统；传动控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.022

0 引言

工业机器人可以通过PLC编程实现自动控制，可以完成工业制造过程中的多个操作任务，具有较高的自由度，工业机器人的设计和开发水平，标志着一个国家的整体自动化水平。在科学技术进步的同时，工业机器人正向第三代智能工业机器人发展，将具有更高的自适应性和自学习能力。工业机器人系统中主要包含控制系统、驱动系统、执行系统、感知系统和软件系统。其中驱动系统是为执行系统提供动力的重要部分。

1 工业机器人的驱动系统

1.1 工业机器人的驱动方式

（1）液压驱动。在液压驱动方式中，由发动机带动液压泵，液压泵旋转产生较高压力的液流动力，高压液体通过液压管路与液压马达相连，带动液压马达转动，形成驱动力。

应用液压驱动方式，可以为系统提供低速平稳的动力，但是系统特性会受到油性的影响，成本 较高，常将液压驱动应用于易爆工作环境中。

（2）气动驱动。与液压驱动相似，只是传动介质不同，主要应用气体的抗挤压能力实习点驱动动力的传递， 采用启动驱动方式，驱动力较小，噪声大，很难准确地控制位置和运行速度。但是成本低廉，控制系统简单，一般应用于驱动力较小的工业环境中[1]。

（3）电动驱动。电动驱动方式中，将电信号转换成角位移或者线位移，例如利用步进电动机将工作过程中的电脉冲信号转换为角位移进行驱动。采用电动驱动的方式，系统的调速性能较强，功率较大，成本较低，成为工业机器人的主要驱动方式，可广泛应用于工业制造领域中，但系统中有些部件需要加强维护，例如换向器。电动驱动的方式不得应用于易爆和多粉尘的环境中。

1.2 驱动系统设计的选用原则

工业机器人驱动系统设计中需要重点考虑控制方式、作业环境要求和机器操作运行速度三方面的内容。在控制方式的选择中，如果工业要求为低速重负载，可以选用液压驱动方式，为中等负载时可以选用电动驱动方式，为轻负载时可以选用气动驱动方式。针对具体的作业环境，例如喷涂作业的工业机器人，工作环境中必须考虑到防爆的因素，一般采用电液伺服驱动系统或者具有防爆功能的交流电动伺服驱动系统。如果工业环境中存在腐蚀性物质、依然易爆气体或者放射性物质，工业机器人一般采用交流伺服驱动系统，如果工业作业中对环境的清洁要求较高，可以采用电动机直接驱动。针对具体的操纵系统，如果对点位重复精度和运行速度的要求较高，可以采用交流、直流或者步进电动机伺服驱动系统，如果对运行速度和操作精度都较高，大多采用电动机直接驱动系统。

2 工业机器人的运动控制分析

2.1 工业机器人的运动控制原理

图1为一个典型工业机器人的传动示意图。

在图1所示的机器人系统中，功能更包含三条传动链，不同的驱动链负责对一个关节进行驱动。例如关节1实现升降臂的上下移动，电机安装与底座下方，输出轴经过减速器相连，减速器将电机的动力传送到丝杆，通过螺杆穿动机后实现升降臂的上升和下降。关节2实现大臂的旋转，电机安装于升降臂的上方，输出轴经过减速器相连，减速后促使大臂旋转。关节3主要实现小臂旋转，电机安装于大臂左方，输出轴经过减速器相连，通过齿形带传动，带动小臂旋转。在这个机器人系统中，不同轴之间的运动时相对独立的，不同轴之间也可以进行协调运作，实现不同轴的独立运动。

2.2 工业机器人的运动控制

工业机器人的运动控制是指从末端执行器控制点位移动的过程中，实现运动位置、运动速度和运动加速度的控制。由于关节运动带动末端操作器，在运动控制的过程中实际上就是实现关节的控制。

工业机器人关节运动控制分为两步，第一步生成关节运动的伺服指令，将末端执行器在工作空间位置转变为可以反映出运动特点的时间序列，并将其通过函数反映出来，这一步可以离线完成。第二部是关节运动的伺服控制，对生成的关节变量伺服指令进行可靠的跟踪，这一步往往需要在线完成[2]。在工业机器人的实际应用中，常见的控制方式有以下几种。

（1）点位控制方式。对机器人末端执行器在空间中离散点进行控制，控制过程中要求机器人在不同点位之间进行快速准确地运动，对运动精度和运动时间有较高的要求。由于控制方式简单，一般应用上下料和搬运等工作环境中；（2）连续轨迹控制方式。对机器人末端执行器作业空间中的运动轨迹进行连续控制，要求机器人在预定的轨迹中运行，有较高的精度和速度要求，不同的关节可以实现同步运行，末端执行器可以实现连续的轨迹，这种控制方式一般应用于弧焊、喷漆和检测作业中；（3）力矩控制方式。在装配和抓放物体的工作中，需要机器人准确定位，并且要求有适当的力矩，不得损坏产品，这时就需要应用力矩伺服方式，在这种控制方式中，以力矩信号为主要的输入量和反馈量，系统中包含较多的力矩传感器。

3 结束语

工业机器人自问世以来，被广泛地应用于工业领域，成为自动化生产过程中重要的设备。本文在论述工业机器人驱动方式的基础上，提出了驱动系统设计的选用原则，通过对运动控制原理的分析，提出了常用的运动控制方式，可以为机器人的生产和制造提供理论研究依据。

参考文献：

[1]王天然，曲道奎.工业机器人控制系统的开放体系结构[J].机器人，2011，24（03）：25.

[2]龚星如，沈建新，田威等.工业机器人的绝对定位误差模型及其补偿算法[J].南京航空航天大学学报，2012，44（z1）：60.