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第五章机器人驱动系统5.1机器人驱动系统概述【内容提要】本课主要学习机器人驱动系统的主要几个指标:驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构。
知识要点：✓机器人的驱动方式✓机器人的驱动元件✓机器人的传动机构✓机器人的制动机构重点：✓机器人的驱动方式✓机器人的驱动元件难点：✓机器人的传动机构关键字：✓驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构【本课内容】【内容提要】本章主要介绍机器人的驱动系统。
内容包括机器人的直接与间接驱动方式，液压、气压、电动驱动元件与特点，驱动机构与传动机构，制动器；液压系统组成与工作原理，液压系统的主要设各；气压系统组咸与王作原理，气压系统的主要设备；直流电动机与直流伺服电动机的结构原理与参数，交流电动机与交流伺服电动机的结构原理与参数，步进电动机的结构原理与参数，直线步进电动机简介。
学习完本章的内容后，学生应能够；了解机器人的驱动方式，掌握不同类型机器人驱动元件的性能与特点，熟悉驱动机构、传动机构及其传动方式的图例与特点，了解制动器的基本功能；能够熟练地分析实际机器人的驱动机构、驱动方式与制动原理，能够绘制出传动原理图。
掌握机器人的液压驱动系统的组成，熟悉液压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析液压驱动系统的流程，能够找出液压驱动系统的故障环节。
掌握机器人的气压驱动系统的组成，熟悉气压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析气压驱动系统的流程，能够找出气压驱动系统的故障环节。
了解伺服系统与伺服电动机的要点，掌握直流电动机与直流伺服电动机的结构原理与参数，掌握交流电动机与交流伺服电动机的结构原理与参数，掌握步进电动机的结构原理与参数；能够分析电动机驱动系统的工作特性，能够找出电动机驱动系统的控制要点。
5.1机器人驱动系统概述机器人是运动的，各个部位都需要能源和动力，因此设计和选择良好的驱动系统是非常重要的.本节主要介绍机器人驱动系统的主要几个指标；驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构。
工业机器人课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解工业机器人的基本概念、分类及其在各行各业中的应用。
2. 学生掌握工业机器人的基本组成部分、工作原理和关键技术。
3. 学生了解工业机器人编程与控制的基本方法。
技能目标：1. 学生能够运用所学的知识，分析工业机器人在实际生产中的应用场景，并给出合理的解决方案。
2. 学生能够操作模拟软件，进行工业机器人的基本编程与仿真。
3. 学生通过小组合作，培养团队协作能力和问题解决能力。
情感态度价值观目标：1. 学生对工业机器人技术产生浓厚的兴趣，培养科技创新精神。
2. 学生认识到工业机器人在我国经济发展中的重要性，增强国家自豪感。
3. 学生在学习过程中，树立正确的价值观，认识到技术进步对人类社会发展的影响。
课程性质：本课程为选修课，旨在让学生了解工业机器人技术，培养实践操作能力和创新意识。
学生特点：学生为初中生，具有一定的物理和数学基础，对新技术充满好奇。
教学要求：结合实际案例，采用任务驱动法，引导学生动手实践，提高学生的综合运用能力。
在教学过程中，注重培养学生的团队合作精神和创新能力。
通过课程学习，使学生能够达到课程目标所设定的具体学习成果。
二、教学内容1. 工业机器人概述- 机器人的定义、分类与应用领域- 工业机器人发展历程及未来发展趋势2. 工业机器人的基本组成与工作原理- 机器人的机械结构、驱动系统、感知系统- 工业机器人工作原理及关键技术3. 工业机器人编程与控制- 编程语言与编程方法- 控制系统原理及常用控制算法4. 工业机器人在生产中的应用案例分析- 汽车制造、电子组装、食品加工等领域的应用案例- 工业机器人应用场景的分析与解决方案设计5. 工业机器人操作与仿真- 模拟软件的使用方法- 基本编程与仿真操作实践6. 小组项目实践- 设计一个简单的工业机器人应用场景- 完成编程、控制与仿真操作教学内容安排与进度：第1-2周：工业机器人概述第3-4周：工业机器人的基本组成与工作原理第5-6周：工业机器人编程与控制第7-8周：工业机器人在生产中的应用案例分析第9-10周：工业机器人操作与仿真第11-12周：小组项目实践教材章节关联：第1章 工业机器人概述第2章 工业机器人的基本组成与工作原理第3章 工业机器人编程与控制第4章 工业机器人应用案例分析第5章 工业机器人操作与仿真第6章 小组项目实践教学内容确保科学性和系统性，结合课程目标，以实际应用为导向，培养学生的实践操作能力和创新意识。
第五章搬运机器人及其操作应用5.1 搬运机器人的分类及特点5.2 搬运机器人的系统组成5。
3 搬运机器人的作业示教5。
3。
1 冷加工搬运机器人5.3.2 热加工搬运机器人学习目标导入案例课堂认知扩展与提高本章小结思考练习5.4 搬运机器人的周边设备5.4。
1 周边设备5。
4。
1 周边设备课前回顾如何使用在线示教方式进行工业机器人任务编程？如何进行工业机器人离线作业示教再现？学习目标认知目标了解搬运机器人的分类及特点掌握搬运机器人的系统组成及其功能熟悉搬运机器人作业示教的基本流程熟悉搬运机器人的周边设备与布局能力目标能够识别搬运机器人工作站基本构成能够进行搬运机器人的简单作业示教导入案例机器人助力机床上下料，国产高效智能压铸装备研制成功智能压铸岛是以压铸机为核心设备构成的一组智能化生产单元，以无人化生产管理方式自动完成从原材料到合格铸件成品间的工艺生产流程，实现压铸生产的程序化、数字化和远程控制。
高效智能压铸岛以压铸机为核心,配备 3-10 个机器人和多部 AGV 小车，集成多个控制系统、伺服系统、检测系统于一体，包括铝液智能熔化系统、伺服定量浇注系统、炉料回收系统、智能熔体含气量检测系统、真空压铸系统自动模温机、自动三维伺服喷涂机械手、耐高温抗腐蚀的装件取件机器人、镶嵌自动快速加热和均温装置、自动型芯冷却系统、自动余料去除及飞边清理装置、大型精密压铸模具、输送带、冷却装置、在线智能检测系统、激光打标机、智能转运小车、压铸生产信息化管理系统、嵌入式专用控制器、压铸专家系统等设备和系统。
课堂认知5.1 搬运机器人的分类及特点搬运机器人具有通用性强、工作稳定的优点，且操作简便、功能丰富,逐渐向第三代智能机器人发展,其主要优点有。
动作稳定和提高搬运准确性 .提高生产效率，解放繁重体力劳动,实现“无人”或“少人”生产。
改善工人劳作条件，摆脱有毒、有害环境。
柔性高、适应性强，可实现多形状、不规则物料搬运。
定位准确,保证批量一致性。
工业机器人教案一、教学目标通过本节课的学习，学生应能够：1.了解工业机器人的概念、种类和应用领域；2.掌握工业机器人的组成部分和工作原理；3.了解工业机器人在汽车制造、电子制造、物流等行业中的应用案例；4.培养学生的创新思维和动手能力。
二、教学重点工业机器人的概念、种类及其应用案例。
三、教学难点工业机器人的工作原理及其在不同行业中的应用案例。
四、教学准备投影仪、电脑、工业机器人实物模型、工业机器人应用案例图片等。
五、教学过程Step 1 导入与激发兴趣（5分钟）1.引入话题：今天我们要学习的内容是工业机器人，你们能给我说说工业机器人是什么吗？2.激发学生兴趣：让学生观看一段关于工业机器人工作的视频，并进行简要讨论。
Step 2 知识讲解（20分钟）1.概念解释：对工业机器人的定义进行讲解，包括其本质特点和应用方式。
2.种类介绍：介绍常见的工业机器人种类，如焊接机器人、装配机器人、搬运机器人等，并简要介绍其功能和特点。
3.组成部分：详细说明工业机器人的组成部分，包括机械臂、控制系统、传感器等，并进行实物模型展示和解释。
4.工作原理：对工业机器人的工作原理进行讲解，包括输入指令、信息处理、执行动作等过程。
Step 3 应用案例分享（20分钟）1.汽车制造业：展示工业机器人在汽车制造业中的应用案例，如焊接、涂装、组装等环节。
2.电子制造业：展示工业机器人在电子制造业中的应用案例，如半导体生产、组装等。
3.物流行业：展示工业机器人在物流行业中的应用案例，如货物搬运、仓储管理等。
Step 4 创新思维培养（15分钟）1.小组探究：学生分小组进行讨论，思考如何将工业机器人应用于其他行业。
2.组内展示：每个小组从讨论中提炼出一个创新的应用方案，并向全班展示并讨论。
Step 5 动手实践（30分钟）1.实物体验：学生分组操作工业机器人实物模型，体验其操作过程和控制方式。
2.编程体验：通过编写简单的指令，让学生学会如何控制工业机器人完成一定的动作。
第五章机器人驱动系统5.2机器人气压驱动 5.3 机器人液压驱动【内容提要】本课主要学习机器人气压驱动系统，气源装置、气动控制元件、气动执行元件和辅助元件；液压驱动系统及其特性。
知识要点：✓气压驱动系统的组成✓气源装置、气动控制元件、气动执行元件和辅助元件的功能✓液压驱动系统的组成和作用重点：✓掌握气压驱动系统的组成和元件功能✓掌握液压驱动系统的作用难点：✓气压驱动和液压驱动的对比关键字：✓气压驱动、气动三大件、液压驱动【本课内容】5.2机器人气压驱动系统气压驱动系统是以压缩空气为工作介质进行能量和信号传递的技术.气压系统的工作原理是利用空压机把电动机或其他原动机输出的机槭能转换为空气的压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种动作，并对外做功。
由此可知，气压驱动系统和液压驱动系统类似，也是由四部分组成的，分别为气源装置、气动控制元件、气动执行元件和辅助元件。
5.2.1 气源装置气源装置是获得压缩空气的装置。
其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能。
气压驱动系统中的气源装置是为气动系统提供满足一定质量要求的压缩空气，它是气压传动系统的重要组咸部分。
由空气压缩机产生的压缩空气，必须经过降温、净化、减压、稳压等一系列处理后`才能供给控制元件和执行元件使用。
而用过的压缩空气排向大气时，会产生噪声，应采取措施，降低噪声，改善劳动条件和环境质量。
1 压缩空气站的设备组成压缩空气站的设备一般包括产生压缩空气的空气压缩机和使气源洚化的辅助设备。
图5.16是压缩空气站设各组成及布置示意图。
在图中，空气压缩机用以产生压缩空气，一般由电动机带动。
其吸气口装有空气过滤器以减少进入空气压缩机的杂质量，后冷却器用以降温冷却压缩空气，使净化的水凝结出来.油水分离器用以分离并排出降温冷却的水滴、油滴、杂质等，贮气罐用以储存压缩空气，稳定压缩空气的压力并除去部分油分和水分。
干燥器用以进一步吸收或排除压缩空气中的水分和油分，使之成为干燥空气。
过滤器用以进一步过滤压缩空气中的灰尘、杂质颗粒，贮气罐4输出的压缩空气可用于一般要求的气压传动系统，贮气罐7输出的压缩空气可用于要求较高的气动系统(如气动仪表及射流元件组成的控制回路等)。
1-空压机 2-后冷却器 3-油水分离器 4，7-储气罐 5-干燥器 6-过滤器图5.16 压缩空气站设备组成及布置示意图2 空气过滤减压器空气过滤减压器也叫做调压阀，由空气过滤器、减压阀和油雾器组成，称为气动三大件，减压阀是其中不可缺少的-部分.它是将较高的进口压力调节并降低到要求的出口压力，并能保证出口压力稳定，即起到减压和稳压作用。
气动减压阀按压力调节方式，有直动式减压阀和先导式减压阀，后者适用于较大通径的场合，直动式减压阀用得最多。
空气过滤减压器是最典型的附件.它用于净化来自空气压缩机的气源，并能把压力调整到所需的压力值，具有自动稳压的功能。
如图5.17所示为空气过滤减压器的结构。
它是以力平衡原理完成动作。
当来自空气压缩机的空气输入到过滤减压器的输入端后，进入过滤器室A。
由于旋风盘5的作用，使气流旋转并将空气中的水分分离出一部分，在壳体底部沉降下来。
当气流经过过滤件4时，进行除水、除油、除尘，空气得到净化后输出。
1-给定弹簧2-膜片3-球体阀瓣4-过滤件5-旋风盘 A、B-气室图5.17 空气过滤减压器结构图当调节手轮按逆时针方向拧到不动的时候，过滤减压器没有输出压力，气路被球体阀瓣3所切断。
如果按顺时针方向转动手轮`则活动弹簧痤把给定弹簧1往下压，弹簧力通过膜片2，把球体阀姗打开，使气流经过球体阀瓣而流到输出管路。
与此同时，气压通过反馈小孔进入反馈气室B，压力作用在膜片⊥，将产生一个向上的力。
此力如果与给定弹簧所产生的力相等时，过滤减压器达刭力平衡，输出压力就稳定下来。
给定弹簧的作用力越大，输出的压力就越高。
所以，调节手轮就可以调节给定值。
在安装过滤减压器时，必须按箭头方向或“输入”“输出”方向，分别与管道连接.减压器正常工作时，一般不需特殊维护。
使用半年之后检修-次，当过滤元件阻塞时，可将其拆下，放在10%的稀盐酸中煮沸，用清水漂洚，烘干之后继续使用。
5.2.2气动控制元件气动控制元件是用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向的，以便使执行机构完成预定的工作循环，它包括各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等。
1 压力控制阀(1)压力控制阀的作用及分类气压系统不同于液压系统，一般每一个液压系统都自带液压源(液压泵)；而在气压系统中，一般来说由空气压缩机先将空气压缩，储存在贮气罐内，然后经管路输送给各个气动装置使用。
而贮气罐的空气压力往往比各台设各实际所需要的压力高些，同时其压力波动值也较大，因此需要用减压阀(调压阀〉将其压力减到每台装置所需的压力，并使减压后的压力稳定在所需压力值上。
有些气动回路需要依靠回路中压力的变化来实现控制两个执行元件的顺序动作，所用的这种阀就是顺序阀。
顺序阀与单向阀的组合称为单向顺序阀。
所有的气动回路或贮气罐为了安全起见，当压力超过允许压力值时，需要实现自动向外排气，这种压力控制阀叫做安全阀(溢流阀)。
(2)减压阀图5.17所示，直动式减压阀结构图。
其工作原理是:当阀处于工作状态时，调节手柄I、调压弹簧2、3及膜片5，通过阀杆6使阀芯8下移，进气阀口被打开，有压气流从左端输入，经阀口节流减压后从右端输出.输出气流的一部分由阻尼管7迸入膜片气室，在膜片5的下方产生一个向上的推力，这个推力总是企图把阀口开度关小，使其输出压力下降。
当作用于膜片上的推力与弹簧力相平衡后，减压阀的输出压力便保持一定。
当输入压力发生波动时，如输入压力瞬时升高，输出压力也随之升高，作用于膜片5上的气体推力也随之增大，破坏了原来力的平衡，使膜片5向上移动，有少量气体经溢流口4、排气孔11排出。
在膜片上移的同时，因复位弹簧10的作用，使输出压力下降，直到新的平衡为止。
重新平衡后的输出压力又基本上恢复至原值。
反之，输出压力瞬时下降，膜片下移，进气口开度增大，节流作用减小，输出压力又基本上田升至原值。
1-手柄2、3-调节弹簧4-溢流口5-膜片6-阀杆7-阻尼管8-阀芯9-阀座10-复位弹簧11-排气孔图5.18直动式减压阀结构调节手柄1使调压弹簧2、3恢复自由状态，输出压力降至零，阀芯8在复位弹簧10的作用下，关闭进气阀口，这样，减压阀便处于截止状态，无气流输出。
安装减压阀时，要按气流的方向和减压阀上所示的箭头方向，依照空气过滤器→减压阀→油雾器的次序进行安装。
调压时应由低向高调，直到规定的调压值为止。
阀不使用时应把手柄放松，以免膜片经常受压变形。
(3)顺序阀顺序阀是依靠气路中压力的作用而控制执行元件桉顺序动作的压力控制阀，如图 5.19所示，它根据弹簧的预压缩量来控制其开启压力。
当输入压力达到或超过开启压力时，顶开弹簧，于是P到A才有输出；反之z无输出。
a)关闭 b)开启 c)图形符号图5.19 顺序阀工作原理图顺序阀很少单独使用，往往与单向阀配合在一起，构咸单向顺序阀。
如图5.20所示为单向顺序阀的工作原理图。
当压缩空气由左端进入阀腔后，作用于活塞3上的气压力超过压缩弹簧2上的力时，将活塞顶起，压缩空气从P经A输出，如图5.20a所示，此时单向阀4在压差力及弹簧力的作用下处于关闭状态。
反向流动时，输入侧变威排气口，输出侧压力将顶开单向阀4由O口排气，如5.20b所示。
调节旋钮就可改变单向顺序阀的开启压力，以便在不同的开启压力下，控制执行元件的顺序动作。
a)关闭 b)开启 c)图形符号图5.20 单向顺序阀的工作原理图2 流量控制阀在气压传动系统中，有时需要控制气缸的运动速度，有时需要控制换向阀的切换时间和气动信号的传递速度，这些都需要调节压缩空气的流量来实现。
流量控制阀就是通过改变阀的通流截面积来实现流量控制的元件。
流量控制阀包括节流阀、单向节流阀、排气节流阀和怏速排气阀等。
(1)节流阀如图5.21所示为圆柱斜切型节流阀的工作原理图.压缩空气由P口进入，经过节流后，由z口流出。
旋转阀芯螺杆，就可改变节流口的开度，这样就调节了压缩空气的流量。
由于这种节流阀的结构简单、体积小，故应用范围较广。
图5.21 圆柱斜切型节流阀的工作原理图(2)单向节流阀单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的组合式流量控制阀，如图5.22所示。
当气流沿着一个方向，例如P-A方向流动时，如图5.22a所示，经过节流阀节流；如图5.22b 所示，气流反方向沿A-P方向流动时，单向阀打开，不节流，单向节流阀常用子气缸的调速和延时回路.图5.22单向节流阀的工作原理图(3)排气节流阀排气节流阀是装在执行元件的排气口处，确节进入大气中气体流量的一种控制阀，它不仅能调节执行元件的运动速度，还常带有消声器件，所以也能起降低排气噪声的作用。
如图5.23所示，排气节流阀工作原理图。
其工作原理和节流涡类似，靠调节节流口1处的通流面积来调节排气流量，由消声套2来减小排气噪声。
1-节流口 2-消声套图5.23排气节流阀工作原理应当指出，用流量控制的方法控制气缸内活塞的运动速度时，采用气压控制比采用液压困难。
特别是在极低速控制中，要按照预定行程变化来控制速度，只用气动很难实现。
在外部负载变化很大时，仅用气动流量阀也不会得到满意的调速效果.为提高摹运动平稳性，建议采用气液联动。
(4)快速排气阀图5.24所示，快速排气阀工作原理图。
图5.24a是进气口P进入压缩空气，并将密封活塞迅速上推，开启阔口2，同时关闭排气口O，使进气口P和工作口Z相通。
图5.24b是P口没有压缩空气进入时，在A口和P口压差作用下，密封活塞迅速下降，关闭P口，使A 口通过0口快速排气。
a)进气 b)排气 c)图形符号图5.24 快速排气阀工作原理快速排气阀常安装在换向阀和气缸之间。
图5.25所示，表示了快速排气阀在回路中的应用，它使气缸的排气不用通过换向阀而快速排出，从而加速了气缸的往复运动速度，缩短了工作周期。
图5.25 快速排气阀的应用回路3 方向控制阀方向控制阀是气压传动系统中通过改变压缩空气的流动方向和气流的通断，来控制执行元件启动、停止及运动方向的气动元件。
根据方向控制阀的功能、控制方式、结构方式、阀内气流的方向及密封形式等，主要包括以下几类：（1）气压控制换向阀气压控制换向阀是以压缩空气为动力切换气阀，使气路换向或通断的阀类。
气压控制换向阀的用途很广，多用于组成全气阀控制的气压传动系统或易燃、易爆以及高净化等场合。
如图5.26所示，单气控加压截止式换向阀的工作原理，图5.26a是无气控信号Κ时的状态(即常态)，此时，阀芯1在弹簧2的作用下处于上端位置，使阀口A与0相通，A口排气。
