机器人的应用日渐广泛，对工业生产与提高效能有重要作用。工业机器人主要利用伺服电机进行运动控制，从而实现移动和抓取工具。本文将详细讨论伺服电机的特点以及不同类型伺服电机相应的控制原理。

运动控制原理

运动控制与机器人密切相关。工业应用中的机器人必须透过由多款电机所构成的致动器才能自行移动，以执行任务或透过机器手臂抓取工具。

机器人的运动控制系统通常由电机控制器、电机驱动、电机本体(多为伺服电机)组成。电机控制器具备智能运算功能，并可传送指令以驱动电机。驱动可提供增压电流，根据控制器指令以驱动电机。电机可以直接移动机器人，也可通过传动系统或链条系统让机器人移动。

图1：机器人的运动控制系统。

输出类型

移动机器人往往用于探索大范围面积的土地，并能够使用各种螺旋桨、机器脚、轮子、轨道或机器臂移动。例如各种NI展示平台，包括VINI、VolksBot与Isadora。这些机器人分别使用了全向轮(Mecanum wheel)、一般轮以及机器手臂。而针对嵌入式控制，则可通过NI CompactRIO等嵌入式平台，并整合实时控制器与FPGA。CompactRIO亦包含可重配置机箱，能够容纳多样化的I/O配置，包含传感器输入与电机控制。

VINI是使用全向轮的机器人平台，能以多方向行进。除了像传统轮子般的前进与后退，全向轮亦可将轮轴旋转为相反方向，以任何方向行进。此款车轮已普遍用于必须能在狭小空间中移动的自动堆高机等应用。

VINI还是一款地图描绘机器人，通过NI工业级控制器与CompactRIO执行路径规划与数据处理作业。嵌入式的工业级控制器提供雷射扫描地图，并执行机器视觉处理，让CompactRIO接收传感器数据，并在摄像机系统上控制伺服电机。

图2：VINI机器人。

VolksBot搭载的车轮是由德国的弗劳恩霍夫研究所(Fraunhofer Institute)所开发的。

图3：德国Fraunhofer Institute研究机构开发的RT3 VolksBot。

Isadora则是一种会跳舞的人形机器人，经由人类操作缩小版的机器人以取得输入数据。接着开始移动自己的机器手臂与躯干，以模仿缩小版机器人的运动。Isadora采用2组CompactRIO，其中1组用于仿真已记录的运动，另1组则是让机器人重现运动轨迹。

图4：Isadora跳舞机器人。

伺服电机控制原理及其类型

伺服电机是机器人应用中常见的一种电机，其基本控制原理是利用控制回路、结合必要的电机反馈，从而协助电机进入所需的状态，如位置与速度等。由于伺服电机必须通过控制回路了解目前状态，因此其稳定性高于步进电机。

伺服电机有不同种类——带刷式与无刷式。有刷伺服电机与无刷伺服电机之间的差异在于其通讯机制。伺服电机的工作原理是根据反向磁力，进而移动或建立转矩。最简单的例子有固定磁场与旋转磁场。只要改变流过磁场的电流方向，即可变更磁极，并让磁极(转子)开始旋转。变更线圈的电流方向，即所谓的“换相”(commutation)。

有刷伺服电机

有刷伺服电机(brushed motor)的控制原理即是通过机械式电刷，改变电机线圈中的电流。由于有刷电机能改变流入的电流方向，因此可由直流电源(DC)供电。有刷伺服电机可分为2组零件：

• 电机机壳即具有场磁铁(Field magnet)，即定子(Stator)
• 转子(Rotor)是由线圈所构成，中间具有铁制核心，并连接至电流变换器

电刷则接触电流变换器，将电流导入线圈中。在使用一段时间之后，电刷即可能磨耗并对系统产生摩擦力；但在无刷伺服电机中则不会发生此种情况。

无刷伺服电机

大多数的无刷伺服电机均使用交流电源(AC)。无刷伺服电机的控制原理是将铁制核心置于外部。当转子成为暂时性的磁铁，定子则成为绕铁线圈。外部电路的电流将会在既定的转子位置进行反转。所以，此款伺服电机是由交流电所驱动的。当然亦有无刷DC伺服电机。这些电机一般均具备某些电子切换电路，可针对流入的DC进行变换。无刷伺服电机的价位较高，但较无磨损问题。

步进电机

在机器人运动应用中，步进电机不如伺服电机普及，但仍为电机的重要范例，而且使用方式较为简易。与伺服电机相比，步进电机的速度较慢亦较为精确。步进电机中具有一系列内建的无刷齿(Brushless teeth)，可在电流通过而改变电磁电荷后，由下一组刷齿拉动转子，前一组刷齿推动转子，从而为步进电机通电。

相较于伺服电机，由于步进电机可通过刷齿的数量(即等于所移动的距离)进而精确进行控制，因此一般情况下并不需要反馈。但可能因为障碍物而遗漏刷齿，因此可用编码器做为反馈。

运动控制器与软件架构

许多制造商均建立了自家的驱动系统，以操控机器人。在考虑机器人应用中的运动控制系统时，可先了解初阶的网状循环，如下图所示。

图5：运动控制软件架构。

至于机器人任务规划的较高阶功能，则是让机器人的行动达到最终的目标。它可能是以单一指令囊括多组目标，或可让机器人进入特定位置。若机器人采用遥控(Tele-operated)架构，那么这些指令最可能通过连接板外(off-board)的计算机而传送的，而且可在此人为操作选择机器人的后续动作或行为。在完全自动化的机器人中，根据决策用算法的不同，任务规划亦可能直接在板上执行。

在规划路径时，往往会产生“我应该如何到目的地以完成此任务？”或是“我应如何让机器手臂移动到该位置？”等问题。而此种问题均可由机器人运动控制器完成。

一旦清楚目的地与行进速度之后，伺服电机控制器将发出控制信号(PWM或电流等)至实际的电机驱动，使其得以到达目的地。一般均以PID建构控制功能。另请注意，此时亦应建置安全性功能。举例来说，若高速行进中的机器人在目前的路径上侦测到人类，则应发出紧急信号以停止电机或立刻煞车。

齿轮是互相啮合的有齿的机械零件，它在机械传动乃至整个机械行业，日常生活中都有着很广泛的应用，齿轮的应用历史悠久，至今也是机械行业中不可或缺的重要零件。

01

齿轮齿条工作原理

齿轮齿条工作原理是将齿轮的回转运动转变为齿条的往复直线运动，或将齿条的往复直线运动转变为齿轮的回转运动。

02

齿轮分类

平行轴齿轮

正齿轮&齿条

内齿轮&斜齿齿轮

斜齿齿条&人字齿轮

交错轴齿轮

直齿锥齿轮

弧齿锥齿轮&零度锥齿轮

交错轴齿轮

圆柱蜗杆副&交错轴斜齿齿轮

其他特殊齿轮

鼓型蜗杆副&准双曲面齿轮

面齿轮

03

齿轮齿条机构

齿轮齿条机构是由齿轮和齿条构成的，齿轮前面我们有很详细的讲解。齿条分直齿齿条和斜齿齿条， 齿条的齿廓为直线而非渐开线，相当于分度圆半径为无穷大圆柱齿轮。

齿条的主要特点

• 由于齿条齿廓为直线，所以齿廓上各点具有相同的压力角，且等于齿廓的倾斜角，此角称为齿形角，标准值为20°。
• 与齿顶线平行的任一条直线上具有相同的齿距和模数。
• 与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线（中线），它是计算齿条尺寸的基准线。

齿轮齿条传动的应用范围

1、适用于快速、精准的定位机构

2、适用于重负荷、高精度、高刚性、高速度和长行程的CNC机床、加工中心、切割机械、焊接机械等

3、适用于工厂自动化快速移栽机械、工业机器人手臂抓取机构等

工业炉是在工业生产中，利用燃料燃烧或电能转化的热量，将物料或工件加热的热工设备。工业炉的主要组成部分有：工业炉砌体、工业炉排烟系统、工业炉预热器和工业炉燃烧装置等。

工业炉砌体

砌体的作用是使工业炉在加热或熔炼过程中承受高温负荷，减少热量损失，抵抗化学侵蚀并具有一定的结构强度，以保证炉内热交换过程的进行。

砌体由耐火层和绝热层组成。为了保证砌体的强度和气密性，在砌体外围还用钢结构（称为炉架）将砌体紧固（如上图）。耐火层直接承受高温负荷和机械冲击，同时承受炉气或熔液的化学侵蚀，多用具有规定尺寸的标准型耐火砖砌成。

砌体的砖缝一般要相互错开，在一定间距内留出适当大小的膨胀缝。砌砖用耐火泥的化学成分和热性能，要与耐火砖相适应，并具有合适的稠度和可塑性等，以满足施工要求。

耐火层的外部是绝热层，用以对耐火层进行保温，以减少炉壁散热损失和降低炉壁外表面温度，多用密度小、热导率低的标准型绝热砖或棉、毡等纤维材料组成。

工业炉排烟系统

工业炉排烟系统是利用烟囱或机械装置将工业炉炉膛内的烟气排出炉外的系统。保证排烟通畅是工业炉正常使用的重要条件，排烟不通畅时，炉膛压力升高，从炉膛四周的缝隙会逸出大量烟气而增加炉子的热损失，影响炉内气流的均匀分布，降低炉温均匀性，恶化操作环境。

排烟系统是由产生抽力的排烟装置和排送烟气的烟道所组成。常用的排烟装置有烟囱（图1 烟囱排烟装置）、引风机或喷射管（图2 机械排烟装置）等。

烟囱排烟是靠流入烟囱内热烟气密度小于烟囱外空气密度所产生的浮力，以克服烟道的阻力。利用引风机也可将烟气排出，或在排烟系统中某一部位装设一个喷射管，用高速喷射气体所产生的负压排出烟气。烟囱排烟不消耗动力，排烟温度不受限制。当排烟阻力很大而工业炉又间断运行时，可用引风机或喷射管排烟。喷射管适用于排除高温烟气；引风机适用于排除低温烟气。

烟囱分为砖砌烟囱、混凝土烟囱和钢板烟囱。烟道有地下烟道和架空烟道两种。地下烟道多用砖砌，架空烟道宜采用衬有耐火材料的钢板制成。

为了减少烟气对环境的污染，或因节能需要而在烟道内设置预热器时，都需要尽量提高烟囱高度并增加烟囱出口处的烟气流速，使之大于当地最大风速或至少不低于3米/秒,以避免烟气中的有害气体和烟尘向地面扩散。

工业炉预热器

利用工业炉排出的烟气余热对助燃空气和气体燃料加热的装置。在工业炉上装设预热器以后，由于回收了热量，可以节约燃料并易于提高炉温以加快升温速度。工业炉预热器分换热式和蓄热式两类。

1、换热式预热器

换热式预热器分为金属预热器和陶瓷预热器两类。它们都是利用炉子排出的烟气余热通过辐射换热和对流换热方式将预热器壁加热，再对流经器壁另一侧的空气或煤气以同样方式进行加热，即预热。

金属预热器的器壁热导率大，器壁可以很薄，密封性好，可将空气预热到600℃左右，是广泛使用的预热器。陶瓷预热器的器壁热导率较小，但能承受较高的烟气温度，也能将空气预热到600℃左右。

20年代初，工业炉多采用铸铁管状或针状预热器，40年代以后才较多地使用钢材制造的管状预热器（图1a）、圆筒辐射预热器（图1b）、喷流预热器（图1c）和铸铁块内埋有钢管的块状预热器等。

烟气与空气在预热器内的流动方式分顺流、逆流和错流3种。从提高传热性能的角度来说，采用逆流方式好，可获得较高的预热温度；从降低壁温、提高预热器使用寿命的角度来说，采用顺流方式好；错流方式介于顺流和逆流之间。喷流预热器具有独特的流动方式，被预热气体由内管上密布的小孔中高速喷出，冲刷外管热交换面，使流体边界层具有紊流性质，从而产生强烈的热交换。

2.蓄热式预热器

蓄热式预热器即蓄热室（上图）， 是用耐火砖砌成的格子砖体。为了使空气能连续预热，一台炉子需要设有两个蓄热室，分别处于蓄热或预热工作状态。

其传热过程是：烟气引入蓄热室，烟气的部分热量为格子砖所吸收（蓄热），经10～30分钟后，通过换向装置自动切断烟气，改将空气引入，用砖体的蓄热加热空气（预热）；同样经10～30分钟后，切断空气，再将烟气引入，这就是一个换向周期。加热炉用的蓄热室可将空气预热到600～700℃，使用寿命长。

工业炉燃烧装置

在以燃料为热源的工业炉内用以实现燃料燃烧过程的装置。根据火焰炉加热要求,各种燃烧装置应保证：

①在规定的热负荷条件下保证燃料的完全燃烧；

②燃烧过程稳定，能向炉子连续供热；

③火焰的方向、外形、刚性和铺展性符合炉型及加热工艺的要求;

④结构简单,使用维修方便。

各种燃料的燃烧过程不同，因而燃烧装置的结构也各不相同。燃烧装置可分为气体、液体、固体燃料的几类。

1、气体燃料燃烧装置

通常称烧嘴，它的主要作用是按一定比例和一定的混合条件将煤气和空气送到炉内燃烧（也有在烧嘴内部燃烧的），并满足炉内加热过程对火焰的要求。根据煤气和空气在烧嘴内的混合情况，分为有焰和无焰烧嘴。

有焰烧嘴的特点是：煤气和空气在烧嘴内不进行混合或仅部分混合，喷到炉内后再边混合边燃烧，因而火焰较长并有明显的轮廓。采用有焰烧嘴时，强化燃烧和组织火焰的主要手段是改变煤气和空气的混合条件，如将煤气和空气分成许多细流，使煤气流和空气流按一定角度相交，或利用旋流装置促使气流加速混合等。图1就是一种带单管式煤气烧嘴。

图1 单管式煤气烧嘴

无焰烧嘴的特点是：煤气和空气在烧嘴内部即达到均匀混合，喷出烧嘴后能立即着火燃烧，火焰很短，没有明显的火焰轮廓。工业炉中常用的无焰烧嘴是喷射式烧嘴（图2）, 它是靠煤气的喷射作用直接从大气中按比例吸入所需要的助燃空气，在混合管内混合均匀后再在耐火材料制成的燃烧道中完成燃烧反应。

60年代开始，为了适应新的加热工艺的需要，先后出现了气体出口速度达100米／秒以上的高速烧嘴、火焰形状成圆盘形的平焰烧嘴和烧嘴与预热器、排烟装置组成一个整体的自身预热烧嘴。为了减少有害气体NOX对环境的污染，还研制出低氧化氮烧嘴等各种新型燃烧装置。

2、液体燃料燃烧装置

通常称油嘴，或喷嘴。燃料油需要经过雾化后再燃烧，因此油嘴除具有一般燃烧装置的基本性能外，还应具有良好的雾化能力，以保证燃料的完全燃烧。根据雾化方法，油嘴可分为低压油嘴、高压油嘴、机械油嘴和转杯油嘴，其中低压油嘴和高压油嘴应用较广。

低压油嘴是用全部助燃空气作为雾化介质，靠气流的动量将油雾化，雾化粒径80～100微米,空气压力一般为2940～7840帕，燃烧时的火焰一般为 600～1400毫米。

高压油嘴是用蒸汽或压缩空气作雾化介质，压力一般高达(3～12)×105帕，由于雾化介质压力高，喷出速度能达到或超过声速，所以高压油嘴的雾化能力比低压油嘴强，雾化粒径可达20～30微米，但需要附加一条输送助燃空气用的通道和相应的气流导向设施。

3、固体燃料燃烧装置

使用固体燃料的工业炉，常用块煤层状燃烧法和粉煤喷流燃烧法。采用块煤层状燃烧法的燃烧装置简称燃烧室，分为人工加煤燃烧室和机械加煤燃烧室。块煤靠人工或机械装置堆放在炉排上，助燃空气从炉排下部自下而上地穿过煤层，完成燃烧反应。图3是往复炉排的机械加煤燃烧室。

图3 往复炉排的机械加煤燃烧室

图4 常用的简易煤粉烧嘴示意图

煤粉喷流燃烧法是将煤粉破碎到50～60微米的粒度，用空气喷到炉内，在运动过程中通过煤粉烧嘴完成燃烧反应，形成具有一定形状的火焰。图4为常用的简易煤粉烧嘴示意图。