焊接机器人的轴伺服控制系统的结构类型

有关焊接机器人的轴伺服控制系统的结构与类型，四种基本结构类型：开环、闭环、半闭环及混合闭环，对机器人电机伺服系统的要求，机器人伺服电机的类型等。

焊接机器人的轴伺服控制系统

一、轴伺服控制系统的结构

电动机伺服系统，是指速度控制、伺服电动机和检测部件三部分；而且，将速度控制部分称之为伺服单元或驱动器。

按照伺服系统的结构特点，它通常有四种基本结构类型：开环、闭环、半闭环及混合闭环。

伺服单元的硬件一般由五部分构成：

实现轴伺服电机的PID控制、或FUZZY（模糊）控制、或其它控制规律的伺服控制单片机；

伺服控制模板，其功能是实现控制单片机输出数字量的D/A转换与输入到单片机的模拟量的A/D转换；

伺服驱动功放，一般机器人的轴驱动电机的功率多在100W~1000W的范围，多属中等功率，为此，由伺服控制模板给出的控制信号必须经功率放大才能推动电机；

伺服电机是焊接机器人的轴伺服控制系统的控制对象。

伺服电机的转速、位置检测装置（转速、位置传感器）。转速、位置检测装置的功能是实时检测轴伺服电机转速和电机角位移量，并将实时检测结果反馈给电动机伺服系统，以形成电动机伺服的闭环或半闭环控制系统。即便是开环控制系统，一般也需要电动机转速和电机角位移量的实时检测参数。因此，转速、位置检测装置是机器人的轴伺服控制系统极重要的组成环节。

焊接机器人的轴伺服控制系统结构称为主从控制方式：它是采用主、从两级控制计算机实现系统的全部控制功能。主计算机实现轴伺服控制系统的管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从计算机实现所有关节的动作协调控制。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。焊接机器人的轴伺服控制系统结构还可采用所谓"分散控制系统"，限于篇幅，不再阐述。

二、对机器人电机伺服系统的要求

机器人各关节（即各轴）的运动，最终都归结为相应各轴的驱动电机、亦即伺服电机的转动；

而对机器人电机伺服系统提出了很高的要求，大致可概括为以下四个方面:

1、高精度

为了保证焊接零件的加工质量并提高效率，首先要保证焊接机器人的定位精度和加工精度。因此，在机器人各轴位置控制中要求有高的定位精度，即在μm的数量级内。而在速度控制中，要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力，也即要求静态和动态速降尽可能小；

2、快响应

要求系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，位置跟踪误差（位置跟踪精度）要小；

3、宽调速范围

指在额定负载时电动机能提供的最高转速与最低转速之比。对于一般的机器人而言，要求电动机伺服系统能在0～20m/min范围内都能正常工作；

4、低速大转矩

根据焊接机器人加工特点，大都是在中低速负重状态下工作（点焊机器人为甚），这样，既要求在低速时电动机伺服系统有大的转矩输出又要求转动平稳。

为了满足上述四点要求，对电动机伺服系统的执行元件─伺服电动机也提出了相应的要求：

1、电动机在整个转速范围内都能平滑地运转，转矩波动要小，特别在低速时应仍有平稳的速度而无爬行现象；

2、电动机应有一定的过载能力，以满足低速、大转矩的要求；

3、为了满足快速响应的要求,电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩、尽可能小的机─电时间常数和起动电压。

三、机器人伺服电机的类型

机器人伺服系统在经历了开环的步进电动机伺服系统、直流电动机伺服系统两个分阶段之后，已进入了同步电动机伺服系统阶段。

四、有刷直流电动机

直流电动机有优良的控制性能，其机械特性"硬"、调速性能好是各类交流电动机所不具备的。

此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。

直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，复杂的结构限制了直流电动机的体积和重量，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。

电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。

五、交流异步电动机

与直流电动机相比，交流异步电动机具有结构简单、工作可靠、寿命长、成本低、保养维护简便等优点。但它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因数低，轻载时尤甚，这大大增加了线路和配电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，异步电动机占有主导地位，但是自交流电机变频调速系统开发出后，交流异步电动机亦可用于需调速的场合。