机器人系统设计人员应该为作业选择合适的电源。通常,选择电动机而不考虑液压或气动的益处。对于需要精确控制大型力和平滑运动的应用,或者需要在运动中的“宽恕”的应用,与机电运动相比,流体动力可以提供显着的益处。

电源

典型的液压系统示意图,显示了系统组件的位置。

传统的电动机非常适合于以旋转为主要运动形式的应用场合。它们易于控制,可以是小型系统中最便宜的能源,因为这些系统有很少的轴或轻负荷。直线电机,虽然更昂贵,有优势的定位应用的运动是直线和快速方向改变需要。液压马达和执行器几乎可以做任何电机可以做的事情,并且在重型机械应用中有几个优势。

液压执行器可以在不制动的情况下抬起并保持重载,并且可以在慢速速度下移动重物或施加扭矩,而无需齿轮,同时消耗更少的空间,并且在致动器比电动机在致动器中产生更少的热量。电动机必须大小适用于所施加的最大负荷;液压泵需要仅适用于平均负载。液压执行器也相对较小。当运动中出现断裂时,液压优势是最大的,因为蓄能器在系统不移动时储存能量。电动机在具有连续运动的应用中有意义。

电动机通常位于运动轴附近或直接在运动轴上。在流体动力系统中,空气泵或液压泵可能位于远程。只有蓄能器和控制阀需要位于执行器附近。这使得流体动力成为多轴机器人应用的理想动力。泵可以安装在一个底座位置,保持机器人手臂的重量低。在多轴执行器之间共用一个泵,每个轴的成本比使用电动机的同等系统要低。使用水力学,压力可以保持恒定,而无需应用更多的能量。驱动电机施加恒定扭矩可能会导致过热。在材料传输应用中,由于对材料的错误处理而容易产生粘结,流体动力可能比机电动力更能避免堵塞。

气动夹持器和旋转器,以及真空装置,是许多工业机器人系统的常见部件-气动运动轴需要的精确定位较少。气动运动技术的自然“给予”,虽然不利于快速采摘和放置应用,但可以在其他地方受益,如物理治疗。内在的“给予”是一种安全利益。加速度限制算法(主动阻尼)可以使电轴和液压轴模仿这种行为,但这取决于各种传感器和算法的正常功能。如果发生故障,轴可能会突然全速移动。液压有优势时,沉重或不可预知的负载可以超载执行器;当需要更柔和的运动时,气动技术具有优势。电动执行器在这两种情况下都不能做得很好,它的动作可能比气动系统更严厉,处理过载的能力可能比液压系统差。

流体动力与设计

流体动力最常见的用途是直线运动和最重要的因素,在规划直线运动系统是大小执行器气缸。显然,所选的气缸需要足够长以满足所需的冲程。气缸的选择是至关重要的,因为系统的固有频率大致与气缸的直径成正比。固有频率是决定系统在控制下所能达到的最大加速度的基础。如果系统需要以两倍的速度加速,则系统的固有频率必须是两倍高。要做到这一点,圆柱体的直径必须是两倍大。

在选择活塞/气缸直径作为加速度后,必须计算泵的尺寸,以提供所需的速度和加速度所需的空气或流体流量。如果泵太大,流体和泵所需的动力可能会浪费。液压系统所需的油流量必须与随时间变化的油缸内部容积相匹配。要实现两倍的加速度,需要两倍的直径或四倍的表面积。四倍的面积和两倍的速度,油的流量必须是八倍高。

在确定泵的尺寸后,下一步是确定蓄能器的尺寸。流体动力系统中的蓄能器有两个用途。它作为一个缓冲器,允许泵的功率需求被时间平均,并允许系统压力保持相对恒定,从而使运动控制输入的效果保持相对恒定。这避免了持续改变运动控制器所使用的控制输入-响应关系以保持精确控制的需要。一个好的经验法则是使蓄能器足够大,以便在系统运行周期内压力变化不超过10%。此外,需要考虑蓄能器的物理位置,以减少系统压力损失-它应该位于靠近阀门,而不是泵。

当遵循致动器的精确控制时,液压系统中使用的两种类型的阀门:伺服和比例。通过伺服阀,通过阀线圈的电流的线性增加直接移动线轴,导致通过阀门的油流量的线性增加。比例阀在阀芯上具有位置反馈,阀放大器用于线性化阀门的行为。比例阀通常比伺服阀更便宜,更容忍污染物,但这些益处以牺牲性能为代价。精确的液压运动控制需要使用伺服质量的比例阀。为了最大限度地控制输入的系统响应,阀门应尺寸为匹配圆柱的流量需求,通过提供所需的流量加上另外10%至20%。如果与圆柱体的尺寸相比,阀门太大,则阀门的控制将粗糙,因为仅使用控制范围的一小部分。

为了控制压力,传感器应该放置在两端的气缸底部,在那里他们不受困的空气和有较少的油运动的影响。一个常见的错误是将压力传感器安装在歧管中,在那里,移动油的文丘里效应会降低压力读数的准确性。油流中的湍流可能会降低文丘里效应,但歧管处的压力可能与气缸内的压力不一样。

位置信息通常在由传统电机驱动的直线运动系统中计算,使用连接到电机轴的正交编码器的输入。虽然这是方便的,但如果系统中存在间隙,它可能导致不精确的运动。使用线性磁致伸缩位移传感器(lmdt或mdt)避免了这一点。mdt测量绝对位置,不需要导引,并具有压力和温度规格,允许它们直接插入液压缸。

控制器和流体电力

在机器人应用中使用流体动力的关键是使用为该工作设计的运动控制器。系统设计者应该寻找一种电子运动控制器,它可以通过将一个轴的运动“啮合”到另一个轴上来同时协调多个轴,这样随着吞吐量的增加,就可以保证精确的、可重复的运动。控制器应支持与比例阀直接连接,以产生精确的液压运动。控制器应该有能力执行平滑位置和压力控制模式之间的转换,这样避免不连续的运动,否则影响性能和质量的输出,它应该支持高层的执行命令,如高阶函数插入,平滑的运动,而不需要复杂和耗时,低级的编程。控制器应该具有运动模拟能力和使用图形进行诊断和设置的自动调优工具,以便使用控制算法的可选择版本来优化运动。

控制器还应轻松直接通信给工厂或现场总线网络,因为希望将机器集成到更大的植物环境中,并可提供企业质量和生产控制系统的生产信息。这款也可用于组合流体和电动运动的混合控制系统。

调整运动

调谐流体电力系统类似于调谐机电系统。电动伺服有两个主要的操作模式。在速度模式下,速度与从运动控制器到驱动放大器的控制输出成比例。在扭矩模式下,伺服的扭矩或加速度大致与放大器的控制输出成比例。速度模式比扭矩模式更直观,并且通过使用开环控件运行系统更易于设置。在扭矩模式下,系统必须始终处于闭环控制,因为恒定的开环电压将导致伺服电机加速。发送零控制输出不会导致伺服停止,它只是允许伺服到海岸到停止。

电动伺服和流体动力执行器之间的另一个区别是,电动伺服通常只需要一组增益。流体动力运动控制器需要两套增益用于线性气缸的应用,一套用于扩展,一套用于收缩。这是因为缸筒活塞两侧的表面积因缸筒杆的不同而不同。这种面积上的差异导致最大的力——因此系统的增益——在活塞伸入时比缩回时更大。电动伺服控制器很难控制液压系统,因为它通常只有一组增益,因此只能在一个方向上正常工作。流体动力运动控制器中有两组定向增益,这在垂直应用中也很方便,因为负载会根据系统的上下移动而发生很大变化。

液压系统在速度模式下工作,因为油的流量是,理想情况下,成比例的控制输出从运动控制器;因此,它们具有速度模式电机控制更简单的调整优点。流体动力运动控制器受益于电液执行器、传感器和运动控制器性能的最新进展。机器人机器设计者提供了丰富的选择,包括动力来源的选择来驱动他们的设计。使用最好的电源可以提高机器的生产率和降低生命周期的成本。

本文由Delta计算机系统公司的地区应用专家Richard Meyerhoefer撰写。欲了解更多信息,请与Meyerhoefer先生联系此电子邮件地址正在受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript来查看它。;或访问http://info.hotims.com/10970 - 399。


运动控制技术杂志

本文首次发表于2007年6月号运动控制技术杂志。

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