認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)-課件

任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)知識目標(biāo):1.掌握工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。2.了解工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要求。3.了解工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)。4.掌握工業(yè)機(jī)器人的控制方式。5.掌握工業(yè)機(jī)器人的控制策略。6.掌握工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)。能力目標(biāo):2.能夠識別工業(yè)機(jī)器人電氣控制柜各個元器件的名稱及功能。1.會辨別工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動器的類別。

機(jī)器人與其他機(jī)械裝置有所不同,其功能和結(jié)構(gòu)方面的要求具有較強(qiáng)的

通用性、柔性和適應(yīng)性。為滿足這些要求,機(jī)器人通常由四部分構(gòu)成,即

操作人員與機(jī)器人之間的通信部分;測量周圍環(huán)境和機(jī)器人自身狀態(tài)的

傳感器部分;對信息進(jìn)行處理的控制部分;根據(jù)決策進(jìn)行動作執(zhí)行的機(jī)器

人本體部分。目前工業(yè)機(jī)器人在指令傳遞和驅(qū)動控制上,更多地依賴其

自身機(jī)構(gòu)所具備的靈活性以及計算機(jī)軟件。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)

一、工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)概述1.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人的控制技術(shù)是在傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展

起來的,因此兩者之間并無根本的不同,但工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)有

其獨(dú)到之處。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)有以下特點(diǎn):1)工業(yè)機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)密切相關(guān)。工業(yè)機(jī)器人手部

的狀態(tài)可以在各種坐標(biāo)下描述,應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要選擇不同的基準(zhǔn)坐標(biāo)系,并

進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。經(jīng)常要求解運(yùn)動學(xué)的正問題和逆問題。除此之

外還要考慮慣性力、外力(包括重力)及哥氏力、向心力等對機(jī)器人控制

的影響。2)比較復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人的自由度較多,每個自由度需要配置一個伺服機(jī)構(gòu)。在工作過程中,各個伺服機(jī)構(gòu)必須協(xié)調(diào)起來,組成一個多變量控制

系統(tǒng)。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)

任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)3)從經(jīng)典控制理論的角度來看,多數(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)中都包含非最小的

相位系統(tǒng),如步行機(jī)器人或關(guān)節(jié)機(jī)器人往往包含有“上擺”系統(tǒng)。由于

上擺的平衡點(diǎn)是不穩(wěn)定的,必須采取相應(yīng)的控制策略。4)把多個獨(dú)立的伺服系統(tǒng)有機(jī)地協(xié)調(diào)起來,使機(jī)器人按照人的意志行動,

甚至賦予其一定的“智能”。這個任務(wù)只能由計算機(jī)來完成。因此,機(jī)

器人控制系統(tǒng)必須是一個計算機(jī)控制系統(tǒng)。同時,計算機(jī)軟件擔(dān)負(fù)著艱

巨的任務(wù)。5)描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型是一個非線性模型,隨著狀態(tài)的不

同和外力的變化,其參數(shù)也在變化,各變量之間還存在耦合。因此,僅僅采

用位置閉環(huán)是不夠的,還要利用速度甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中經(jīng)常使用

重力補(bǔ)償、前饋、解耦或自適應(yīng)控制等方法。6)機(jī)器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成,因此存在一個

最優(yōu)方案的規(guī)劃問題。較高級的機(jī)器人可以用人工智能的方法,用計算

機(jī)建立起龐大的信息庫,借助信息庫進(jìn)行控制、決策、管理和操作;利用

傳感器和模式識別的方法獲得對象及環(huán)境的工況,按照給定的指標(biāo)要求

自動地選擇最佳的控制規(guī)律?？偠灾?機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個與運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)原理密切相關(guān)的、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。由于它的綜合性和特殊性,經(jīng)典

控制理論和現(xiàn)代控制理論都不能照搬使用。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)2.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本功能工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分,用于對操作機(jī),以

完成特定的工作任務(wù),其基本功能如下:(1)記憶功能記憶功能是指存儲作業(yè)順序、運(yùn)動路徑、運(yùn)動方式、運(yùn)

動速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。(2)示教功能示教功能是指離線編程、在線示教、間接示教。在線示

教包括示教器示教和導(dǎo)引示教兩種。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)(3)與外圍設(shè)備聯(lián)系功能聯(lián)系功能是指輸入和輸出接口、通信接口、

網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。(4)坐標(biāo)設(shè)置功能坐標(biāo)設(shè)置功能有關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、絕對坐標(biāo)系、工具坐

標(biāo)系、用戶自定義坐標(biāo)系4種。(5)人機(jī)接口人機(jī)接口包括示教器、操作面板、顯示屏。(6)傳感器接口傳感器接口包括位置檢測傳感器接口、視覺傳感器接

口、觸覺傳感器接口、力覺傳感器接口等。(7)位置伺服功能位置伺服功能包括機(jī)器人多軸聯(lián)動、運(yùn)動控制、速

度和加速度控制、動態(tài)補(bǔ)償?shù)取Ｈ蝿?wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)正文(8)故障診斷安全保護(hù)功能故障診斷安全保護(hù)功能主要是指運(yùn)行時系

統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷功能。二、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩個部分。1.硬件部分機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成如圖1-4-1所示。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)正文圖1-4-1機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)正文微處理器有32位、64位等。(2)示教器示教器用于示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定,以及所有人

機(jī)交互操作。它擁有自己獨(dú)立的CPU以及存儲單元,與控制計算機(jī)之間

以總線通信方式實(shí)現(xiàn)信息交互。(3)操作面板操作面板由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成,只完成基本

功能操作。(4)硬盤和軟盤存儲器硬盤和軟盤存儲器用于存儲機(jī)器人工作程序的

外圍存儲器。(5)數(shù)字和模擬量輸入/輸出接口數(shù)字和模擬量輸入/輸出接口用于各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。(1)控制計算機(jī)控制計算機(jī)是控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu),一般為微型機(jī),任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)(6)打印機(jī)接口打印機(jī)接口記錄需要輸出的各種信息。(7)傳感器接口傳感器接口用于接收機(jī)器人所使用的傳感器的數(shù)據(jù),以

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的閉環(huán)控制。傳感器接口一般用于接收力覺、觸覺和視覺

傳感器等的數(shù)據(jù)流。(8)軸控制器軸控制器可完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。(9)輔助設(shè)備控制輔助設(shè)備控制器用于和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制,

如手爪變位器等。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)(10)通信接口通信接口用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換,一般有

串行接口、并行接口等。(11)網(wǎng)絡(luò)接口常用的網(wǎng)絡(luò)接口有以太網(wǎng)接口和現(xiàn)場總線接口。1)以太網(wǎng)接口。可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)臺或單臺機(jī)器人的直接計算機(jī)通

信,數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mbit/s,可直接在計算機(jī)上用Windows庫函數(shù)進(jìn)行

應(yīng)用程序編程之后,支持TCP/IP通信協(xié)議,通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)及程序

裝入各個機(jī)器人控制器中。2)現(xiàn)場總線接口。現(xiàn)場總線接口支持多種流行的現(xiàn)場總線規(guī)格,如Device

net、ABRemoteI/O、Interbus-s、Profibus-DP、M-NE等。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)2.基本結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)分類,通常有三種控制?，F(xiàn)在大部分工業(yè)機(jī)器人

都采用兩級計算機(jī)控制。其中,第一級計算機(jī)擔(dān)負(fù)系統(tǒng)監(jiān)控、作

業(yè)管理和實(shí)時插補(bǔ)任務(wù),由于運(yùn)算工作量大、數(shù)據(jù)多,所以大都采

用16位以上的計算機(jī)。第一級運(yùn)算結(jié)果作為目標(biāo)指令傳輸?shù)降诙?/p>

級計算機(jī),經(jīng)過計算處理后傳輸?shù)礁鲌?zhí)行元件。(1)集中控制系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)中,用一臺計算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能,結(jié)

構(gòu)簡單、成本低,但實(shí)時性差,難以擴(kuò)展。集中控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1-4-2

所示。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-2集中控制系統(tǒng)的構(gòu)成任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)的全部控制功能。其中,主計算機(jī)實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系

統(tǒng)自診斷等;從計算機(jī)實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作控制。主從控制系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖1-4-3所示。主從控制方式系統(tǒng)實(shí)時性較好,適于高精度、高速度控

制,但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差,維修困難。(2)主從控制系統(tǒng)主從控制系統(tǒng)是指采用主、從兩級處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-3主從控制系統(tǒng)的構(gòu)成任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)(3)分散控制系統(tǒng)分散控制系統(tǒng)是指按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)控制

分成幾個模塊,每個模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略,各模塊之間可

以是主從關(guān)系,也可以是平等關(guān)系。這種控制方式實(shí)時性好,易于實(shí)現(xiàn)高

速度、高精度控制,易于擴(kuò)展,可實(shí)現(xiàn)智能控制,是目前流行的方式。分散

控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1-4-4所示。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-4分散控制系統(tǒng)的構(gòu)成任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)3.軟件部分這里所說的軟件主要是指控制軟件,它包括運(yùn)動軌跡規(guī)劃算法和

關(guān)節(jié)伺服控制算法及相應(yīng)的動作順序。軟件編程可以用多種計算

機(jī)語言來編制,但由于許多機(jī)器人的控制比較復(fù)雜,編程工作的勞

動強(qiáng)度較大,編寫的程序可讀性也較差。因此,通過通用語言的模

塊化,開發(fā)了很多機(jī)器人的專用語言。把機(jī)器人的專用語言與機(jī)

器人系統(tǒng)融合,是當(dāng)前機(jī)器人發(fā)展的主流。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)1.點(diǎn)位控制方式很多機(jī)器人要求準(zhǔn)確地控制末端執(zhí)行器的工作,而路徑卻無關(guān)緊

要。例如,在印制電路板上安插元件、點(diǎn)焊、裝配等工作,都屬于

點(diǎn)位控制方式工作。一般情況下,這種控制方式比較簡單,但是要

達(dá)到2~3μm的定位精度也是相當(dāng)困難的。2.軌跡控制方式在弧焊、噴漆、切割等工作中,要求機(jī)器人末端執(zhí)行器按照示教的軌跡和速度運(yùn)動。如果偏離預(yù)定的軌跡和速度,就會使產(chǎn)品報廢。軌跡控制方式類似于控制原理中的跟蹤控制,可稱之為軌跡伺服控制。三、工業(yè)機(jī)器人的控制方式任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)3.力(力矩)控制方式在裝配、抓放物體時,除要準(zhǔn)確定位之外,還要求使用適度的力或

力矩,這時就要利用力(力矩)伺服控制方式。這種方式的控制原理

與位置伺服控制原理基本相同,只不過輸入量和反饋量不是位置

信號,而是力(力矩)信號,因此系統(tǒng)中必須有力(力矩)傳感器。有時

也利用接近、滑動等功能進(jìn)行適應(yīng)式控制。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)4.智能控制方式工業(yè)機(jī)器人的智能控制是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的信息,并根

據(jù)自身內(nèi)部的知識庫做出相應(yīng)的決策。采用智能控制技術(shù),使工

業(yè)機(jī)器人具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)習(xí)能力。智能控制技術(shù)的

發(fā)展有賴于近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基因算法、遺傳算法、專家系

統(tǒng)等人工智能的迅速發(fā)展。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)四、工業(yè)機(jī)器人的控制策略工業(yè)機(jī)器人的控制策略很多,在此僅介紹一些常見的控制策略1.重力補(bǔ)償在機(jī)器人系統(tǒng),特別是關(guān)節(jié)機(jī)器人中,手臂的自重相對于關(guān)節(jié)點(diǎn)會產(chǎn)生一個力矩,這個力矩的大小隨手臂所處的空間位置而變化。顯然,這個力矩對控制系統(tǒng)來說是不利的。但是,這個力矩的變化是有規(guī)律的,它可以通過傳感器測出手臂的轉(zhuǎn)角,再利用三角函數(shù)和坐標(biāo)變換計算得出。如果在伺服系統(tǒng)的控制量中實(shí)時地加入一個抵消重力影響的量,那么控制系統(tǒng)就會大為簡化。如果機(jī)械結(jié)構(gòu)是平衡的,則不必補(bǔ)償。力矩的計算要在自然坐標(biāo)系中進(jìn)行,重力補(bǔ)償可以是各個關(guān)節(jié)獨(dú)立進(jìn)行的,稱為單級補(bǔ)償。也可以同時考慮其他關(guān)節(jié)的重力進(jìn)行補(bǔ)償,稱為多級補(bǔ)償。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)2.前饋控制和超前控制在軌跡控制方式中,根據(jù)事先給定的運(yùn)動規(guī)律,從給定信號中提取

速度、加速度信號,把它加在伺服系統(tǒng)的適當(dāng)部位上,以消除系統(tǒng)

的速度和加速度跟蹤誤差,這就是前饋。前饋控制不影響系統(tǒng)的

穩(wěn)定性,控制效果卻是顯著的。同樣,由于運(yùn)動規(guī)律是已知的,可以根據(jù)某一時刻的位置與速度來估計下一時刻的位置誤差,并把這個估計量加到下一時刻的控制

量中,這就是超前控制。超前控制與前饋控制的區(qū)別是:前者是指控制量在時間上提前,后

者是指控制信號的流向是向前的。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)3.耦合慣量及摩擦力的補(bǔ)償解決耦合慣量問題,需要對機(jī)器人進(jìn)行加速度補(bǔ)償。高精度機(jī)器人中還要考慮摩擦力的補(bǔ)償。由于靜摩擦力與動摩擦力的

差別很大,因此系統(tǒng)啟動時刻和啟動后的補(bǔ)償量是不同的。摩擦力的大小可以通過試驗(yàn)測得。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)4.傳感器位置反饋在點(diǎn)位控制方式中,單靠提高伺服系統(tǒng)的性能來保證精度要求有

時是比較困難的。但是,可以在程序控制的基礎(chǔ)上,再用一個位置

傳感器進(jìn)一步消除誤差。位置傳感器可以是簡單的傳感器,其感

知范圍也可以較小。這種系統(tǒng)雖然硬件上有所增加,但軟件的工

作量卻可以大大減少,稱為傳感器閉環(huán)系統(tǒng)或大環(huán)伺服系統(tǒng)。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)在軌跡控制方式中,可以利用計算機(jī)的記憶和計算功能,記憶前一

次的運(yùn)動誤差,據(jù)此來改進(jìn)后一次的控制量,經(jīng)過若干次修正可以

逼近理想軌跡。這種系統(tǒng)稱為記憶-修正控制系統(tǒng),它適用于重復(fù)

操作場合。6.觸覺控制利用機(jī)器人的觸覺可以判別物體的有無,也可以判斷物體的形狀。前者可以用于控制動作的啟停;后者可以用于選擇零件、改變行進(jìn)路線等。人們還經(jīng)常利用滑覺(切向力傳感器)來自動改變機(jī)器人夾持器的握力,使物體不致滑落,同時又不致于破壞物體。觸覺控制可以使機(jī)器人具有某種程度的適應(yīng)性,也可以把它看成是一種初級的“智能”5.記憶-修正控制任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)7.聽覺控制有的機(jī)器人可以根據(jù)人的口頭命令給出回答或執(zhí)行任務(wù),這是利

用了聲音識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先提取所收到的聲音信號的特征,

如幅度特征、過零率、音調(diào)周期、線性預(yù)測系數(shù)、升到共振峰

等,然后將其與事先存儲在計算機(jī)內(nèi)的“標(biāo)準(zhǔn)模板”進(jìn)行比較。

這種系統(tǒng)可以識別特定人的有限詞匯,較高級的聲音識別系統(tǒng)還

可以用句法分析的手段識別較多的語音內(nèi)容。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)8.視覺控制利用視覺控制可以大量獲取外界信息,但由于計算機(jī)容量及處理速度的限制,所處理的信息往往是有限的。機(jī)器人系統(tǒng)常常通過視覺系統(tǒng)判別物體形狀和物體之間的關(guān)系,還可以測量距離、選擇運(yùn)動路徑等。無論是光導(dǎo)攝像管,還是電荷耦合器件,都只能獲取二維圖像信息。為了獲取三維視覺信息,可以使用兩臺或多臺攝像機(jī),也可以從光源上想辦法,如使用結(jié)構(gòu)光,獲得的信息用模式識別的辦法進(jìn)行處理。由于視覺系統(tǒng)結(jié)果復(fù)雜、價格昂貴,一般只用于比較高級的機(jī)器人中,在其他情況下,可以考慮使用簡易視覺系統(tǒng)。光源也不僅限于普通光,還可以使用激光、紅外線、X光、超聲波等。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)9.最佳控制在高速機(jī)器人中,除選擇最佳路徑外,還普遍采用最短時間控制,即

所謂“砰砰”控制。簡單地說,機(jī)械臂的動作分為兩步:先以最大

的能力加速,然后以最大的能力減速,中間選擇一個最佳切換時間,

這樣可以保證速度最快。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)正文很多情況下,機(jī)器人手臂的物理參數(shù)是變化的。例如,夾持不同的

物體處于不同的狀態(tài)下,質(zhì)量和慣性矩都是在變化的,因此運(yùn)動方

程式中的參數(shù)也在變化。此外,工作過程中還存在未知的干擾。

實(shí)時地辨別系統(tǒng)參數(shù)并調(diào)整增益矩陣,才能保證跟蹤目標(biāo)的準(zhǔn)確

性,這就是典型的自適應(yīng)控制問題。由于系統(tǒng)復(fù)雜,工作速度快,和

一般過程控制中的自適應(yīng)控制相比,機(jī)器人的自適應(yīng)控制問題要

復(fù)雜得多。11.解耦控制解耦措施,使各自由度相對獨(dú)立。10.自適應(yīng)控制任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)12.遞階控制智能機(jī)器人有視覺傳感器、觸覺傳感器或聽覺傳感器等多種傳感

器,自由度數(shù)目往往較多,各傳感器系統(tǒng)要對信息進(jìn)行實(shí)時處理,各

關(guān)節(jié)都要進(jìn)行實(shí)時控制,它們是并行的,但需要有機(jī)地協(xié)調(diào)起來。

因此控制必然是多層次的,每一層次都有獨(dú)立的工作任務(wù),它給下

一層次提供控制指令和信息;下一層次又把自身的狀態(tài)及執(zhí)行結(jié)

果反饋給上一層次。最低一層是各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng),最高一層是

管理(主)計算機(jī),稱為協(xié)調(diào)級。由此可見,某些大系統(tǒng)控制理論可以

用在機(jī)器人系統(tǒng)之中。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)五、工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)按動力源可分為液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)

動和電動驅(qū)動三種基本驅(qū)動類型。根據(jù)需要,可采用這三種

基本驅(qū)動類型的一種,或者采用合成式驅(qū)動系統(tǒng)。這三種基

本驅(qū)動類型的主要特點(diǎn)見表1-4-1。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)表1-4-1液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電動驅(qū)動的主要特點(diǎn)任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)表1-4-1液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電動驅(qū)動的主要特點(diǎn)任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)1.液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人如圖1-4-5所示,是利用油液作為傳遞力或力

矩的工作介質(zhì)。電動機(jī)帶動液壓泵輸出壓力油,將電動機(jī)輸出的

機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能,壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝

置進(jìn)入液壓缸,推動活塞桿運(yùn)動,從而使機(jī)械臂做伸縮、升降等運(yùn)

動,將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。圖1-4-5液壓驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)(1)液壓系統(tǒng)的組成液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、液動機(jī)(液壓執(zhí)行裝置)、

控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置等部分組成。1)液壓泵。液壓泵是能量轉(zhuǎn)換裝置,它將電動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油

液的壓力能,用壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。2)液動機(jī)(液壓執(zhí)行裝置)。液動機(jī)是壓力油驅(qū)動運(yùn)動部件對外工作的部

分。機(jī)械臂做直線運(yùn)動,液動機(jī)就是機(jī)械臂伸縮液壓缸。也有做回轉(zhuǎn)運(yùn)

動的液動機(jī),一般稱為液壓馬達(dá);回轉(zhuǎn)角度小于360°的液動機(jī),一般稱為擺

動馬達(dá)。3)控制調(diào)節(jié)裝置。控制調(diào)節(jié)裝置指各類閥,如壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥。它們主要用來調(diào)節(jié)控制液壓系統(tǒng)油液的壓力、流量和方向,使機(jī)器人的機(jī)械臂、手腕、手指等能夠完成所要求的動作。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)4)輔助裝置。輔助裝置包括油箱、過濾器、蓄能器、管路和管接頭以及

壓力表等。(2)液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)液壓驅(qū)動分為程序控制驅(qū)動和伺服控制驅(qū)動兩

種類型。前者屬于非伺服型,用于有限點(diǎn)位要求的簡易搬運(yùn)機(jī)器人。液

壓驅(qū)動機(jī)器人中應(yīng)用較多的是伺服控制驅(qū)動類型。在此主要介紹液壓

伺服驅(qū)動系統(tǒng)。液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)由液壓源、驅(qū)動器、伺服閥、傳感器和控制回路組成,如圖1-4-6所示。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-6液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)2.氣動驅(qū)動氣動驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人如圖1-4-7所示,以壓縮空氣為工作介質(zhì),工作

原理與液壓驅(qū)動相似。工業(yè)機(jī)器人氣動驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-4-8所示。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-7氣動驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人(用于沖壓)任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-8工業(yè)機(jī)器人氣動驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)氣動驅(qū)動系統(tǒng)由以下4部分組成。(1)氣源系統(tǒng)壓縮空氣是保證氣動系統(tǒng)正常工作的動力源。一般工廠

均設(shè)有壓縮空氣站。壓縮空氣站的設(shè)備主要是空氣壓縮機(jī)和氣源凈化

輔助設(shè)備。由于壓縮空氣中含有水氣、油氣和灰塵,這些雜質(zhì)如果被直接帶入氣罐

、管道及氣動元件和裝置中,會引起腐蝕、磨損、阻塞等一系列問題,從

而造成氣動系統(tǒng)效率和壽命降低、控制失靈等嚴(yán)重后果。因此,壓縮空

氣需要凈化。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)器、氣罐和過濾器等。1)后冷卻器。后冷卻器安裝在空氣壓縮機(jī)出口處的管道上,它的作用是

使壓縮空氣降溫。一般的工作壓力為8kg/cm2的空氣壓縮機(jī)排氣溫度高

達(dá)140~170℃,壓縮空氣中所含有的水和油(氣缸潤滑油混入壓縮空氣)均

為氣態(tài)。經(jīng)后冷卻器降溫40~50℃后,水氣和油氣凝聚成水滴和油滴,再

經(jīng)油水分離器析出。2)油水分離器。油水分離器用于將油、水分離出去。3)氣罐。氣罐用于存放大量的壓縮空氣,以供給氣動裝置連續(xù)和穩(wěn)定的

壓縮空氣,并可減少由于氣流脈動所造成的管道振動。(2)氣源凈化輔助設(shè)備氣源凈化輔助設(shè)備主要有后冷卻器、油水分離任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)4)過濾器。過濾器用于過濾壓縮空氣。一般氣動控制元件對空氣的過濾

要求比較嚴(yán)格,常采用簡易過濾器過濾后,再經(jīng)分水過濾器二次過濾。(3)氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)有氣缸和氣動馬達(dá)兩種。氣缸和氣動馬達(dá)是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置

。氣缸輸出力,驅(qū)動工作部分做直線往復(fù)運(yùn)動或往復(fù)擺動;氣動馬達(dá)輸出

力矩,驅(qū)動機(jī)構(gòu)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。(4)空氣控制閥和氣動邏輯元件空氣控制閥是氣動控制元件,它的作用

是控制和調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)中壓縮空氣的壓力、流量和方向,從而保證氣動

執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定的程序正常工作。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)空氣控制閥有壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥三類。氣動邏輯元件是通過可動部件的動作,進(jìn)行元件切換而實(shí)現(xiàn)邏輯功能的

。采用氣動邏輯元件給自動控制系統(tǒng)提供了簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠和壽命

長的新途徑。圖1-4-9電動驅(qū)動的弧焊機(jī)器人任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)3.電動驅(qū)動電動驅(qū)動也稱電氣驅(qū)動,是利用電動機(jī)產(chǎn)生的力或力矩直接或通

過減速機(jī)構(gòu)等間接地驅(qū)動機(jī)器人的各個運(yùn)動關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式。電

動驅(qū)動系統(tǒng)一般由電動機(jī)及其驅(qū)動器組成。圖1-4-9所示為電動驅(qū)

動的弧焊機(jī)器人。(1)電動機(jī)工業(yè)機(jī)器人常用的電動機(jī)有直流伺服電動機(jī)、交流伺服電

動機(jī)和步進(jìn)伺服電動機(jī)。1)直流伺服電動機(jī)(DC伺服電動機(jī))。直流伺服電動機(jī)的控制電路比較簡

單,所構(gòu)成的驅(qū)動系統(tǒng)價格比較低廉,但是在使用過程中直流伺服電動機(jī)任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)的電刷有磨損,需要定時調(diào)整以及更換,既增加了工作負(fù)擔(dān),又影響機(jī)器人

的性能,且電刷易產(chǎn)生火花,在噴霧、粉塵等工作環(huán)境中容易引起火災(zāi)等,

存在安全隱患。2)交流伺服電動機(jī)(AC伺服電動機(jī))。交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡單,

轉(zhuǎn)子由磁體構(gòu)成,直徑較小,定子由三相繞組組成,可通過大電流,無電刷,

運(yùn)行安全可靠,適用于頻繁起動、停止工作,而且過載能力、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣

量比、定位精度等優(yōu)于直流伺服電動機(jī)。但是,交流伺服電動機(jī)的控制

電路比較復(fù)雜,所構(gòu)成的驅(qū)動系統(tǒng)價格相對較高。3)步進(jìn)伺服電動機(jī)。步進(jìn)伺服電動機(jī)是以電脈沖驅(qū)動使其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生

轉(zhuǎn)角值的動力裝置。其中輸入的脈沖數(shù)決定轉(zhuǎn)角值,脈沖頻率決定轉(zhuǎn)子任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)的速度。其控制電路較為簡單,且不需要轉(zhuǎn)動狀態(tài)的檢測電路,因此所構(gòu)

成的驅(qū)動系統(tǒng)價格比較低廉。但是,步進(jìn)伺服電動機(jī)的功率比較小,不適

用于大負(fù)荷的工業(yè)機(jī)器人使用。(2)驅(qū)動器伺服驅(qū)動器也稱伺服控制器或伺服放大器,是用來控制、驅(qū)

動伺服電動機(jī)的一種控制裝置,大多采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)進(jìn)行控制,

驅(qū)動機(jī)器人完成動作。為了滿足實(shí)際工作中對機(jī)器人的位置、速度和

加速度等物理量的要求,通常采用圖1-4-10所示的驅(qū)動原理,由位置控制

構(gòu)成的位置環(huán)、速度控制構(gòu)成的速度環(huán)和轉(zhuǎn)矩控制構(gòu)成的電流環(huán)組成

。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-10工業(yè)機(jī)器人電動驅(qū)動原理任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)算機(jī)控制系統(tǒng)電路等。根據(jù)控制對象(電動機(jī))的不同,驅(qū)動器一般分為直

流伺服電動機(jī)驅(qū)動器、交流伺服電動機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)伺服電動機(jī)驅(qū)動

器。1)直流伺服電動機(jī)驅(qū)動器。直流伺服電動機(jī)驅(qū)動器一般采用PWM伺服

驅(qū)動器,通過改變脈沖寬度來改變加在電動機(jī)電樞兩端的電壓,實(shí)現(xiàn)電動

機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。PWM伺服驅(qū)動器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好、響應(yīng)

快、效率高等特點(diǎn)。2)交流伺服電動機(jī)驅(qū)動器。交流伺服電動機(jī)驅(qū)動器通常采用電流型PWM變頻調(diào)速伺服驅(qū)動器,將給定的速度與電動機(jī)的實(shí)際速度進(jìn)行比較,產(chǎn)生速度偏差,根據(jù)速度偏差產(chǎn)生的電流信號控制交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度。交流伺服電動機(jī)驅(qū)動器具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量比大的優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動器的電路一般包括功率放大器、電流保護(hù)電路、高低壓電源、計任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)3)步進(jìn)伺服電動機(jī)驅(qū)動器。步進(jìn)伺服電動機(jī)驅(qū)動器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化

為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu),主要由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器和過濾放大器等

部分組成。它通過控制供電模塊對步進(jìn)電動機(jī)的各相繞組按合適的時

序進(jìn)行供電;驅(qū)動器發(fā)送一個脈沖信號,驅(qū)動步進(jìn)伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動一個固

定的角度(也稱步距角)。因此,通過控制所發(fā)送的脈沖個數(shù)實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的

轉(zhuǎn)角位移量控制,通過控制脈沖頻率實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度和加速度的

控制,達(dá)到定位和調(diào)速的目的。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)正文

一、任務(wù)準(zhǔn)備實(shí)施本任務(wù)教學(xué)所使用的實(shí)訓(xùn)設(shè)備及工具材料見表1-4-2。表1-4-2實(shí)訓(xùn)設(shè)備及工具材料任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-11IRC5控制柜任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)二、認(rèn)識機(jī)器人控制柜本任務(wù)采用ABB公司生產(chǎn)的IRC5控制柜,如圖1-4-11所示。

IRC5控制柜以先進(jìn)動態(tài)建模技術(shù)為基礎(chǔ),對機(jī)器人性能實(shí)施

自動優(yōu)化,大幅提升了ABB機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的效率。IRC5控

制柜包括開關(guān)按鈕、模式切換按鈕、I/O輸入/輸出板、動力

電纜、編碼器電纜、示教器電纜、通信電纜等。機(jī)器人的

運(yùn)動算法全部集成在控制柜里面,可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和

各種運(yùn)行邏輯的控制。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)表1-4-3IRC5控制柜部件的功能說明任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)1.示教器的組成機(jī)器人示教器是一種手持式操作員裝置,用于執(zhí)行與操作機(jī)器人

系統(tǒng)有關(guān)的許多任務(wù),如編寫程序、運(yùn)行程序、修改程序、手動

操縱、參數(shù)配置、監(jiān)控機(jī)器人狀態(tài)等。示教器包括使能器按鈕、

觸摸屏、觸摸筆、急停按鈕、操縱桿和一些功能按鈕,如圖1-4-12

所示。各主要部件的功能說明見表1-4-4。三、認(rèn)識示教器任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)表1-4-4示教器主要部件的功能說明任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)表1-4-4示教器主要部件的功能說明示教器的功能按鍵如圖1-4-13所示,其功能說明見表1-4-5。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-12示教器結(jié)構(gòu)示意任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-13示教器的功能按鍵任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)表1-4-5示教器按鍵的功能說明任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)示教器的手持方式如圖1-4-14所示,用左手握持,四指穿過張緊帶,

指頭觸摸使能器按鈕,用掌心與大拇指握緊示教器。圖1-4-14示教器的手持方式操作機(jī)器人示教器時,一般用左手持設(shè)備,手指握住使能器按鈕。2.示教器的手持方式任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)器人使能按鈕有兩個檔位,一檔為伺服上電,二檔為使機(jī)器人處

于防護(hù)裝置停止?fàn)顟B(tài)。使用適當(dāng)?shù)牧Χ任兆∈鼓芷鞑拍芙o機(jī)器人

使能上電。四、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的啟動1.工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的連接按照圖1-4-15所示的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的接線圖連接工業(yè)機(jī)器人系

統(tǒng)。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-15工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的接線圖任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)2.系統(tǒng)的啟動1)系統(tǒng)接線無誤后,在指導(dǎo)教師的許可下接通系統(tǒng)電源,如圖1-4-16所示。2)將操作控制柜的“4P斷路器”往上打,開啟電源,控制柜的兩個散熱風(fēng)

扇轉(zhuǎn)動;再將控制柜的“關(guān)機(jī)/開機(jī)”旋鈕旋轉(zhuǎn)到右邊開機(jī)狀態(tài)。電柜電

源已經(jīng)啟動完畢,如圖1-4-17所示。3)將機(jī)器人控制柜背面的電源開關(guān)

從水平旋轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)(即從OFF旋轉(zhuǎn)到ON),機(jī)器人系統(tǒng)開機(jī)完成。將“自動/手動”鑰匙旋鈕旋轉(zhuǎn)到右

邊手形圖案,使機(jī)器人進(jìn)入手動模式,如圖1-4-18所示。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-16配電系統(tǒng)電源操作面板任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-17操作控制柜電源操作面板任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-18控制柜電源操作面板(背面)任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)五、手動操縱工業(yè)機(jī)器人1.單軸運(yùn)動控制1)左手握持機(jī)器人示教器,右手單擊示教器功能按鈕

,打開ABB菜單欄;單擊“手動操縱”,進(jìn)入手動操縱界面,如圖1-4-19所示。任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)圖1-4-19進(jìn)入手動操縱界面任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)動作模式設(shè)置成“軸1-3”,如圖1-4-20所示。圖1-4-20設(shè)置動作模式為“軸1-3”2)單擊“動作模式”,進(jìn)入模式選擇界面。選擇“軸1-3”,單擊“確定”,任務(wù)四認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動系統(tǒng)3)移動圖1-4-20中的操縱桿,左右搖動操縱桿可控制1軸左右運(yùn)動,前后搖

動操縱桿可控制2軸上下運(yùn)動,逆時針或順時針旋轉(zhuǎn)操縱桿可控制3軸上

下運(yùn)動。4)單擊“動作模式”,進(jìn)入模式選擇界面。選擇“軸4-6”,單擊“確定”,

動作模式設(shè)置成“軸4-6”,如圖1-4-21所示。5)移動圖1-4-21中的操縱桿,