若說當下的熱門科技，機器人絕對算一個(ge) 。機器人作為(wei) 典型的機電一體(ti) 化技術密集型產(chan) 品，它是如何實現運作的呢？

機器人的控製分為(wei) 機械本體(ti) 控製和伺服機構控製兩(liang) 大類，伺服控製係統則是實現機器人機械本體(ti) 控製和伺服機構控製的重要部分。因而要了解機器人的運作過程，必然繞不過伺服係統。

伺服係統

伺服係統是以變頻技術為(wei) 基礎發展起來的產(chan) 品，是一種以機械位置或角度作為(wei) 控製對象的自動控製係統。伺服係統除了可以進行速度與(yu) 轉矩控製外，還可以進行精確、快速、穩定的位置控製。

廣義(yi) 的伺服係統是精確地跟蹤或複現某個(ge) 給定過程的控製係統，也可稱作隨動係統。狹義(yi) 伺服係統又稱位置隨動係統，其被控製量（輸出量）是負載機械空間位置的線位移或角位移，當位置給定量（輸入量）作任意變化時，係統的主要任務是使輸出量快速而準確地複現給定量的變化。
 

一、伺服係統的結構組成
機電一體(ti) 化的伺服控製係統的結構、類型繁多，但從(cong) 自動控製理論的角度來分析，伺服控製係統一般包括控製器、被控對象、執行環節、檢測環節、比較環節等五部分。
 

伺服係統組成原理框圖

 

1比較環節

比較環節是將輸入的指令信號與(yu) 係統的反饋信號進行比較，以獲得輸出與(yu) 輸入間的偏差信號的環節，通常由專(zhuan) 門的電路或計算機來實現。

2控製器控製器通常是計算機或PID（比例、積分和微分）控製電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控製執行元件按要求動作。

3執行環節

執行環節的作用是按控製信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作。機電一體(ti) 化係統中的執行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。

4被控對象

被控對象指被控製的物件，例如一個(ge) 機械手 臂，或是一個(ge) 機械工作平台。

5檢測環節

檢測環節是指能夠對輸出進行測量並轉換成比較環節所需要的量綱的裝置，一般包括傳(chuan) 感器和轉換電路。

二、伺服係統的特點和功用

伺服係統與(yu) 一般機床的進給係統有本質上差別，它能根據指令信號精確地控製執行部件的運動速度與(yu) 位置。伺服係統是數控裝置和機床的聯係環節，是數控係統的重要組成，具有以下特點：

 * 必須具備高精度的傳感器，能準確地給出輸出量的電信號。* 功率放大器以及控製係統都必須是可逆的。* 足夠大的調速範圍及足夠強的低速帶載性能。* 快速的響應能力和較強的抗幹擾能力。

三、伺服係統的類型

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按控製原理分：有開環、閉環和半閉環三種形式。

按被控製量性質分：有位移、速度、力和力矩等伺服係統形式。

按驅動方式分：有電氣、液壓和氣壓等伺服驅動形式。

按執行元件分：有步進電機伺服、直流電機伺服和交流電機伺服形式

四、伺服係統的執行元件

按所采用的執行元件的不同，可將伺服係統分成電氣式、液壓式、氣壓式及其他伺服係統。電氣伺服係統采用伺服電動機作為(wei) 執行元件，在機電一體(ti) 化產(chan) 品中應用比較廣泛。

1電氣式執行元件

電氣執行元件包括直流（DC）伺服電機、交流（AC）伺服電機、步進電機以及電磁鐵等，是最常用的執行元件。對伺服電機除了要求運轉平穩以外，一般還要求動態性能好，適合於頻繁使用，便於維修等。

2液壓式執行元件
液壓式執行元件主要包括往複運動油缸、回轉油缸、液壓馬達等，其中油缸最為(wei) 常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點。

3氣壓式執行元件

氣壓式執行元件除了用壓縮空氣作工作介質外，與液壓式執行元件沒有區別。氣壓驅動雖可得到較大的驅動力、行程和速度，但由於空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。

五、三種類型的區別

 

常用的控製電機



控製用電機是電氣伺服控製係統的動力部件。它是將電能轉換為(wei) 機械能的一種能量轉換裝置。機電一體(ti) 化產(chan) 品中常用的控製用電機是指能提供正確運動或較複雜動作的伺服電機。控製用電機有回轉和直線驅動電機，通過電壓、電流、頻率（包括指令脈衝(chong) ）等控製，實現定速、變速驅動或反複啟動、停止的增量驅動以及複雜的驅動，而驅動精度隨驅動對象的不同而不同。伺服驅動電機一般是指：步進電機（Stepping Motor）、直流伺服電機（DC Servo Motor）、交流伺服電機（AC Servo Motor）。
 

常用伺服控製電動機的控製方式主要有：開環控製、半閉環控製、閉環控製三種。閉環係統的驅動係統具有位置（或速度）反饋環節；開環係統沒有位置與(yu) 速度反饋環節。

一、開環數控係統

沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數控裝置→進給係統），故係統穩定性好。
 

無位置反饋，精度相對閉環係統來講不高，其精度主要取決(jue) 於(yu) 伺服驅動係統和機械傳(chuan) 動機構的性能和精度。一般以功率步進電機作為(wei) 伺服驅動元件。這類係統具有結構簡單、工作穩定、調試方便、維修簡單、價(jia) 格低廉等優(you) 點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用於(yu) 經濟型數控機床。

二、半閉環數控係統

半閉環數控係統的位置采樣點如圖所示，是從(cong) 驅動裝置（常用伺服電機）或絲(si) 杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。

 

半閉環環路內(nei) 不包括或隻包括少量機械傳(chuan) 動環節，因此可獲得穩定的控製性能，其係統的穩定性雖不如開環係統，但比閉環要好。由於(yu) 絲(si) 杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環差，較開環好。但可對這類誤差進行補償(chang) ，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環數控係統結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現代CNC機床中得到了廣泛應用。

三、全閉環數控係統

全閉環數控係統的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。
 

從(cong) 理論上講，可以消除整個(ge) 驅動和傳(chuan) 動環節的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控製精度。由於(yu) 位置環內(nei) 的許多機械傳(chuan) 動環節的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成係統的不穩定，使閉環係統的設計、安裝和調試都相當困難。
該係統主要用於(yu) 精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數控機床等。


機器人的伺服係統

通常情況下，我們(men) 所說的機器人伺服係統是指應用於(yu) 多軸運動控製的精密伺服係統。一個(ge) 多軸運動控製係統是由高階運動控製器與(yu) 低階伺服驅動器所組成，運動控製器負責運動控製命令譯碼、各個(ge) 位置控製軸彼此間的相對運動、加減速輪廓控製等，其主要作用在於(yu) 降低整體(ti) 係統運動控製的路徑誤差；伺服驅動器負責伺服電機的位置控製，其主要作用在於(yu) 降低伺服軸的追隨誤差。

機器人的伺服係統由伺服電機、伺服驅動器、指令機構三大部分構成。伺服電機是執行機構，就是靠它來實現運動的，伺服驅動器是伺服電機的功率電源，指令機構是發脈衝(chong) 或者給速度用於(yu) 配合伺服驅動器正常工作的。

機器人對伺服電機的要求比其它兩(liang) 個(ge) 部分都高。

首先要求伺服電機具有快速響應性。電機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態的時間應短。響應指令信號的時間愈短，電伺服係統的靈敏性愈高，快速響應性能愈好，一般是以伺服電機的機電時間常數的大小來說明伺服電機快速響應的性能。其次，伺服電機的起動轉矩慣量比要大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉矩大，轉動慣量小。最後，伺服電機要具有控製特性的連續性和直線性，隨著控製信號的變化，電機的轉速能連續變化，有時還需轉速與控製信號成正比或近似成正比。當然，為了配合機器人的體形，伺服電機必須體積小、質量小、軸向尺寸短。還要經受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，並能在短時間內承受數倍過載。

伺服驅動器是可利用各種電機產生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執行機構，具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等優點，在機器人中應用比較廣泛。


伺服係統的發展趨勢



隨著伺服係統的應用越來越廣，用戶對伺服驅動技術的要求也越來越高。總的來說，伺服係統的發展趨勢可以概括為以下幾個方麵：集成化：伺服控製係統的輸出器件越來越多地采用開關頻率很高的新型功率半導體器件，這種器件將輸入隔離、能耗製動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成於一個不大的模塊之中，構成高精度的全閉環調節係統。高度的集成化顯著地縮小了整個控製係統的體積。智能化：伺服係統的智能化表現在以下幾個方麵：係統的所有運行參數都可以通過人機對話的方式由軟件來設置;它們都具有故障自診斷與分析功能;參數自整定的功能等。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行，自動將係統的參數整定出來，並自動實現其最優化。網絡化：伺服係統網絡化是綜合自動化技術發展的必然趨勢，是控製技術、計算機技術和通信技術相結合的產物。簡易化：這裏所說的“簡”不是簡單而是精簡，是根據用戶情況，將用戶使用的伺服功能予以強化，使之專而精，而將不使用的一些功能予以精簡，從而降低了伺服係統成本，為客戶創造更多的收益。機器人的工作表現受伺服係統影響極大，因而精密伺服係統的關鍵性能指標永遠都是先進性比較的首要因素。國外先進伺服係統已經能夠很好地適應絕大多數應用的需求，其研發資源集中在個別高端應用及整體性能提升方麵，處於精雕細刻階段。在工業4.0的大背景下，國產伺服任重而道遠，還需努力追趕。

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