工業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)

1、工業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng),一、 機器人控制系統(tǒng)的特點,1) 機器人的控制與機構(gòu)運動學及動力學密切相關(guān)：坐標變換、運動學正逆問題、慣性力等影響,2) 機器人控制系統(tǒng)是多變量自動控制系統(tǒng)：機器人至少3-5個自由度，每個自由度一個伺服機構(gòu)，這些獨立的伺服系統(tǒng)有機地協(xié)調(diào)起來，完成期望動作 3) 機器人控制系統(tǒng)是非線性的控制系統(tǒng)：描述機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學模型隨狀態(tài)和外力的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還 存在耦合，經(jīng)常使用重力補償、前饋、解

2、耦或自適應(yīng)控制等方法 4) 機器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成，因而存在 一個“最優(yōu)”的問題。智能機器人可以根據(jù)傳感器和模式識別的方法獲得對象及環(huán)境的工況，自動地選擇最佳的控制規(guī)律,5.1.1機器人控制特點,二、機器人的控制方式 ① 、按有無反饋信號 開環(huán)控制：利用機械裝置 閉環(huán)控制：利用傳感器信號 ② 、按控制目標對象 I、位置控制 點位控制：要求準確地控制機器人末端執(zhí)行器的工作位置，而路徑卻

3、無關(guān)緊要，如在印刷電路板上安插元件、點焊、裝配等工作。 連續(xù)軌跡控制：要求機器人末端執(zhí)行器按照示教的軌跡和速度運行，如弧焊、噴漆、拋光等作業(yè)。 II、力控制：輸入量、反饋信號為力（力矩）信號，控制與位置控制基本相同。 III、其它控制：基于傳感器的控制、非線形控制、分解加速度控制、滑模控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、遞階控制及各種智能控制。,5.1.1機器人控制特點,三、主要控制變量 對一臺機器人的控制，本質(zhì)上

4、就是對下列雙向方程式的控制：,其中： 為末端執(zhí)行裝置的狀態(tài)，包括位置、姿態(tài)和開閉狀態(tài)等,為關(guān)節(jié)變量,為作用在各關(guān)節(jié)上的力矩矢量,為各傳動電動機的力矩矢量，經(jīng)過變送器送到各個關(guān)節(jié),為施加在電動機上的電流或電壓矢量,至,5.1.1機器人控制特點,四、 機器人控制層級 ①、第一級：人工智能級 （最高級）——處于研究階段 問題：詞匯和自然語言理解、規(guī)劃、任務(wù)描述，構(gòu)造 ②、第二級：控制模式級 建立

5、 之間的雙向關(guān)系，可建立四種模型： 問題：I、無法知道如何正確地建立各連接部分的機械誤差，如干摩擦和關(guān)節(jié)的擾性等。 II、即使能夠考慮這些誤差，但其模型將包含數(shù)以千計的參數(shù)，而且處理機將無法以適當?shù)乃俣葓?zhí)行所有必須的在線操作。 III、控制對模型變換的響應(yīng)：模型越復(fù)雜，對模型的變換就越困難，尤其是模型具有非線性時，困難將更大。,,關(guān)節(jié)式機械系統(tǒng)的機器人模型,任務(wù)空間內(nèi)的

6、關(guān)節(jié)變量與被控制值間的關(guān)系模型,實際空間內(nèi)的機器人模型,傳動裝置模型,5.1.1機器人控制特點,③、第三級：伺服系統(tǒng)級—— 研究機器人的一般實際問題 解決下列問題： 系統(tǒng)組成：伺服執(zhí)行元件（電動機）、伺服運動控制器、伺服驅(qū)動器（功率放大器）、運動特性（位置、速度、加速度）檢測元件 主要類型：數(shù)字控制伺服系統(tǒng) 基本控制算法：PID控制器，原理簡單、易于實現(xiàn)、魯棒性強、適應(yīng)面廣,5.1.1機器人控制特點,四、 機器

7、人控制原則,5.1.1機器人控制特點,機器人的伺服控制系統(tǒng)：機構(gòu)簡單、機械強度高、速度快液壓缸伺服傳動系統(tǒng),電—液壓伺服控制系統(tǒng),5.1.1機器人控制特點,機器人的伺服控制系統(tǒng),,5.1.1機器人控制特點,直流傳動系統(tǒng)的建模傳遞函數(shù)與等效方框圖勵磁控制,,J總轉(zhuǎn)動慣量,F總粘滯摩擦系數(shù),K總反饋系數(shù),一、位置控制,5.1.2 控制方法,假設(shè)K=0, 則,勵磁控制（續(xù)）,電樞控制,5.1.2 控制方法,電樞控制（續(xù)）,假設(shè)K=0,

8、則,5.1.2 控制方法,,勵磁控制下的電機轉(zhuǎn)速調(diào)整,5.1.2 控制方法,基于直角坐標的PID控制,5.1.2 控制方法,在PID控制的名稱中，P指proportional(比例），I指integral（積分），D指derivative（微分），這意味著可利用偏差，偏差的積分值，偏差的微分值來控制。,如果用e=(r-y)表示偏差，則PID控制變?yōu)椋?離散形式為,PID控制器的三個參數(shù)有不同的控制作用。,（3）微分控制D規(guī)律能反映輸入信

9、號的變化趨勢，相對比例控制規(guī)律而言具有預(yù)見性，增加了系統(tǒng)的阻尼程度，有助于減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，加快系統(tǒng)的跟蹤速度，但對輸入信號的噪聲很敏感。,（1）P控制器實質(zhì)上是一個具有可調(diào)增益的放大器。在控制系統(tǒng)中，增大kP可加快響應(yīng)速度，但過大容易出現(xiàn)振蕩；,（2）積分控制器I能消除或減弱穩(wěn)態(tài)偏差，但它的存在會使系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)的時間變長，限制系統(tǒng)的快速性；,,5.1.2 控制方法,單關(guān)節(jié)位置控制器單關(guān)節(jié)位置控制器的基本控制結(jié)構(gòu),

10、5.1.2 控制方法,二、速度控制,分解運動的速度控制 機器人運動的控制實際上是通過各軸伺服系統(tǒng)分別控制來實現(xiàn)的 分解運動的速度控制要求各伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器以不同的分速度同時聯(lián)合運行，能保證機器人末端執(zhí)行器沿笛卡兒坐標軸穩(wěn)定地運行 ?？刂茣r先把末端執(zhí)行器期望的笛卡兒位姿分解為各關(guān)節(jié)的期望速度，然后再對各關(guān)節(jié)進行伺服控制,將機器人末端的運動分解為各關(guān)節(jié)的運動,由,求出,5.1.2 控制方法,三、力控制 力控制就是把力偏差信號加至位

11、置伺服環(huán)。對于如下軸孔裝配的作業(yè)任務(wù)：若裝配誤差在公差范圍以外，位置控制則無法完成正常裝配，此時機器人如果能檢測到手爪的受力情況，主動或被動地調(diào)整位置從而完成作業(yè) 通常力控制和位置控制一起構(gòu)成位置/力混合控制或速度/力混合控制，將力偏差信號送至控制器的位置伺服環(huán)和速度伺服環(huán),以便適應(yīng)因作業(yè)結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的位置約束。,5.1.2 控制方法,ⅰ、被動柔順方式：利用機械裝置（彈簧、低橫向剛度結(jié)構(gòu)）自身的彈性來避

12、免作業(yè)過程中的堵塞與咬合等情況發(fā)生，使柔順中心移至工件末端（柔順中 心：若力施與該點，則產(chǎn)生純平移；若純力矩施與該點，則產(chǎn)生純旋轉(zhuǎn)） 特點：結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)靈敏、但位姿調(diào)整范圍有限 ⅱ、主動柔順方式：根據(jù)運行過程中的實際約束情況，調(diào)整機器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，從而通過改變剛性來適應(yīng)變化作業(yè)過程。,J 為機械手末端執(zhí)行裝置的雅可比矩陣；Kp 為定義于末端笛卡兒坐標系的剛性對角矩陣 （剛度），其元素由人為確定。將任務(wù)空間力變換為關(guān)節(jié)

13、力矩矢量。 如果希望在某個方向上遇到實際約束，那么這個方向的剛性應(yīng)當降低，以保證有較低的結(jié)構(gòu)應(yīng)力；反之，在某些不希望碰到實際約束的方向上，應(yīng)加大剛性，這樣可使機械手緊緊跟隨期望軌跡。 于是就能夠通過改變剛性來適應(yīng)變化的作業(yè)要求。,三、力控制,5.1.2 控制方法,5.2 機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),機器人單元技術(shù)特點及先進性機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)構(gòu)成方案比較分析,機器人單元技術(shù)特點及先進性,,機器人控制系統(tǒng)

14、的基本結(jié)構(gòu),從基本機構(gòu)上看一個典型的機器人電氣控制系統(tǒng)，主要由上位計算機、運動控制器、驅(qū)動器、電動機、執(zhí)行機構(gòu)和反饋裝置構(gòu)成。,工業(yè)機器人控制系統(tǒng)構(gòu)成方案比較,基于PLC的運動控制基于PC+運動控制卡的運動控制純PC機控制,,工業(yè)機器人控制系統(tǒng)構(gòu)成方案比較,基于PLC的運動控制,PLC進行運動控制有兩種：1、利用PLC的某些輸出端口使用脈沖輸出指令來產(chǎn)生脈沖驅(qū)動電機，同時使用通用I/O或者計數(shù)部件來實現(xiàn)電機的閉環(huán)位置控制;

15、2、使用PLC外部擴展的位置模塊來進行電機的閉環(huán)位置控制,,,工業(yè)機器人控制系統(tǒng)構(gòu)成方案比較,基于PLC的運動控制,,,,,,,,,工業(yè)機器人控制系統(tǒng)構(gòu)成方案比較,基于PC+運動控制卡的運動控制,,工業(yè)機器人控制系統(tǒng)構(gòu)成方案比較,單純的PC控制,完全采用PC機的全軟件形式的機器人系統(tǒng)。在高性能工業(yè)PC和嵌入式PC（配備專為工業(yè)應(yīng)用而開發(fā)的主板）的硬件平臺上，可通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)PLC和運動控制等功能，實現(xiàn)機器人需要的邏輯控制和運動控制

16、。在通過高速的工業(yè)總線進行PC與驅(qū)動器的實時通訊，顯著的提高機器人的生產(chǎn)效率和靈活性。不過，在提供靈活的應(yīng)用平臺的同時，也大大提高了開發(fā)難度和延長了開發(fā)周期。由于其結(jié)構(gòu)的先進性這種結(jié)構(gòu)代表了未來機器人控制結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。,,5.3 關(guān)鍵組成部件,電機及編碼器 伺服驅(qū)動器 運動控制卡,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,電機及編碼器電機是機器人系統(tǒng)的一個重要組成部分，同時又要靠電機驅(qū)動被控對象，是機器人系統(tǒng)與被控對象相聯(lián)系的一個

17、關(guān)鍵部件。作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，應(yīng)能方便地實現(xiàn)連續(xù)地、平滑地、可逆(正、反向)調(diào)速，對控制信號反應(yīng)快捷，才能保證整個系統(tǒng)帶動被控對象按所需要的規(guī)律運動。,應(yīng)用電機的分類,步進電機 直流伺服電機 交流伺服電機,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,步進電機,步進電機是一種將電脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件。每當輸入一個電脈沖，電機將轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。脈沖一個個輸入，電機便一步一步轉(zhuǎn)動，“步進電機”即由此得名。

18、步進電機的特點：1、一般步進電機的精度為步距角的3-5%;2、步進電機外表允許的最高溫度為攝氏80-90度;3、步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降;4、步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便、可靠性高、制造成本低等一系列的優(yōu)點，步進電機常被廣泛應(yīng)用于開環(huán)結(jié)構(gòu)、精度要求不十分高的機電一體化系統(tǒng)中。,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,直流伺服電機,直流伺服電機伺服系統(tǒng)中使用

19、最早也是應(yīng)用最廣的執(zhí)行元件。它具有良好的啟動、制動、機械特性和調(diào)速特性，可方便地在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的調(diào)速。有如下特點：（1）穩(wěn)定性好；（2）可控性好；（3）響應(yīng)迅速；（4）控制功率低，損耗??；,直流伺服電機的缺點是：有換向器和電刷之間的滑動接觸，接觸電阻的變化會是工作性能的穩(wěn)定性受到影響；電刷下的火花使換向器需要經(jīng)常維護，使其不能在易爆炸的地方使用，且產(chǎn)生無線干擾，又因控制電源是直流，使得放大元件變得復(fù)雜。,5.3 機器人控制系統(tǒng)

20、關(guān)鍵組成部件,交流伺服電機,主要優(yōu)點：機械特性比較硬連續(xù)工作區(qū)范圍更大；，無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低；定子繞組散熱比較方便；慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)；同功率下有較小的體積和重量,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,編碼器,閉環(huán)控制是提高運動控制系統(tǒng)運動精度的重要手段，而位置檢測傳感器則是構(gòu)成閉環(huán)控制必不可少的重要元件。位置檢測傳感器對控制對象的實際位置進行檢測，并將位置信息

21、傳送給運動控制器，由運動控制器根據(jù)控制對象的實際值調(diào)整輸出信號。常用的位置傳感器有電位器、編碼器、光柵尺、差動變壓器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。以輸出信號來分，有增量型編碼器和絕對型編碼器。工業(yè)機器人有電機都是應(yīng)用的絕對編碼器。,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,交流伺服電機驅(qū)動器交流伺服的組成：永磁同步交流伺服電動機；全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器有兩個部分組成：驅(qū)動器硬件和控制算法；控制算法是決定交流伺服系統(tǒng)性能

22、好壞的關(guān)鍵技術(shù),5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,交流伺服驅(qū)動器主要有：伺服控制單元；功率驅(qū)動單元；通信接口單元。,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,伺服進給系統(tǒng)的要求1. 調(diào)速范圍寬rn = n min / n max2 定位精度高3 有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,4. 快速響應(yīng)，無超調(diào)為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，

23、即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，因為機器人在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小重復(fù)誤差。5. 低速大轉(zhuǎn)矩，過載能力強一般來說，伺服驅(qū)動器具有數(shù)分鐘甚至半小時內(nèi)1.5倍以上的過載能力在短時間內(nèi)可以過載4-6倍而不損壞。6. 可靠性高,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,伺服驅(qū)動器的接線：? 1. 主回路接線：1）驅(qū)動器R、S、T電源線的連接；2）驅(qū)動器與電動機電源線之間的接線；? 2. 控

24、制電源類接線：1）R T控制電源接線；2）I/O接口控制電源接線；? 3. 信號指令線1)指令接口2)I/O接口3)反饋檢測類接線,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,交流伺服驅(qū)動器工作模式選擇,伺服驅(qū)動器有三種控制方式：1)速度控制方式；2)轉(zhuǎn)矩控制方式；3)位置控制方式。速度控制和轉(zhuǎn)矩控制都是用模擬量來控制的。位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的。,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,運動控制卡運動控制卡是根據(jù)運動控制

25、的要求和傳感器的信號，進行必要的邏輯、數(shù)字運算，為電機或其他動力和執(zhí)行裝置提供正確的控制信號，以實現(xiàn)預(yù)定運動軌跡的裝置。運動控制卡在機器人運動控制系統(tǒng)中處于核心地位，它的性能好壞對整個控制系統(tǒng)有決定性作用。,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,主要性能指標：插補功能；伺服控制功能；最大控制軸數(shù)；采樣周期；安全性能；,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,控制軌跡分為：點位控制(PTP)；直線控制；輪廓(Continuo

26、us Path,CP)控制。,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,點位控制,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,直線控制,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,輪廓(Continuous Path,CP)控制,5.3 機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,5.4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計,5.4.1 工業(yè)機器人電控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案5.4.2 工業(yè)機器人電控系統(tǒng)的硬件組成5.4.3 工業(yè)機器人電控系統(tǒng)的軟件開發(fā),工業(yè)機器人的電控系統(tǒng)總體設(shè)計方案,工業(yè)機

27、器人的電控系統(tǒng)總體設(shè)計方案,工業(yè)機器人的電控系統(tǒng)硬件組成,工業(yè)機器人的電控系統(tǒng)硬件組成,,工業(yè)機器人的電控系統(tǒng)硬件組成,伺服驅(qū)動器開伺服時序圖分析,機器人示教盒設(shè)計,按功能將示教盒分為三個部分，即顯示單元、傳輸單元和鍵盤及開關(guān)信號處理單元。以單片機為核心開發(fā)示教盒的鍵盤信號處理單元； 利用RS485總線實現(xiàn)輸入信號傳輸；利用VGA信號傳輸圖形和圖像； 充分利用PC系統(tǒng)資源，開發(fā)圖形化操作界面，具有良好的人機交互功能。,工

28、業(yè)機器人的電控系統(tǒng)硬件組成,工業(yè)機器人的電控系統(tǒng)硬件組成,VGA視頻線的選擇,工業(yè)機器人的電控系統(tǒng)硬件組成,控制板功能,掃描方式，8路輸出，7路中斷接收尺寸：11*11mm面積：Φ7mm,工業(yè)機器人的電控系統(tǒng)硬件組成,數(shù)據(jù)傳輸方式（工控機串口）? RS485的傳輸,工業(yè)機器人的電控系統(tǒng)硬件組成,電纜接頭的選擇及結(jié)構(gòu)分解,工業(yè)機器人的電控系統(tǒng)硬件組成,鍵盤布局,工業(yè)機器人的電控系統(tǒng)硬件組成,示教盒的上殼布局,工業(yè)機器人的

29、電控系統(tǒng)硬件組成,示教盒的下殼布局,工業(yè)機器人的電控系統(tǒng)硬件組成,元件一覽,主要元件： LCD顯示器 VGA液晶板 RS485-RS232轉(zhuǎn)換器鍵盤貼膜 主控板與按鍵板 急停、使能開關(guān)及電纜插座,工業(yè)機器人的電控系統(tǒng)硬件組成,5.5 工業(yè)機器人系統(tǒng)軟件設(shè)計,工業(yè)機器人的軟件設(shè)計,1.功能分析,,,參數(shù)設(shè)置狀態(tài)監(jiān)控示教運動學分析文件管理程序控制與管理錯誤提示,參數(shù)設(shè)置,主要包括各關(guān)節(jié)的起點、終點位置設(shè)置、速度設(shè)

30、置以及加減速度設(shè)置,工業(yè)機器人的軟件設(shè)計,狀態(tài)顯示,各關(guān)節(jié)運行、停止、報警、左右限位以及系統(tǒng)總的運行模式顯示,工業(yè)機器人的軟件設(shè)計,示教,記錄運行的數(shù)據(jù)，存入文件，以備調(diào)用,,工業(yè)機器人的軟件設(shè)計,運動學分析,,給定手抓抓取的位姿，求得各關(guān)節(jié)的角度,工業(yè)機器人的軟件設(shè)計,2.軟件實現(xiàn)流程,樹狀圖,DLL運動函數(shù)庫,工業(yè)機器人的軟件設(shè)計,系統(tǒng)軟件流程圖,單軸運行流程,綜合考慮機械本體、目標要求、開發(fā)周期等各種因素：VB的代碼運行速度慢，線