簡介: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(xué)及動力學(xué)密切相關(guān)坐標變換、運動學(xué)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35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(xué)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,511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??刂?、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、遞階控制及各種智能控制。,511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,511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,511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,511機器人控制特點,四、機器人控制原則,511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),511機器人控制特點,機器人的伺服控制系統(tǒng),,511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,512控制方法,假設(shè)K0,則,勵磁控制(續(xù)),電樞控制,512控制方法,電樞控制(續(xù)),假設(shè)K0,則,512控制方法,,勵磁控制下的電機轉(zhuǎn)速調(diào)整,512控制方法,基于直角坐標的PID控制,512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ERY表示偏差,則PID控制變?yōu)?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;,,512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),512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,512控制方法,三、力控制力控制就是把力偏差信號加至位置伺服環(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。,512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)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,512控制方法,52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)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。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。,,53關(guān)鍵組成部件,電機及編碼器伺服驅(qū)動器運動控制卡,53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,53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。步進電機的特點1、一般步進電機的精度為步距角的352、步進電機外表允許的最高溫度為攝氏8090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。,53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。,53機器人控制系統(tǒng)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,53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。,53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)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù),53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。,53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RNNMIN/NMAX2定位精度高3有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性,53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,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)15倍以上的過載能力在短時間內(nèi)可以過載46倍而不損壞。6可靠性高,53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控制電源類接線1)RT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2I/O接口3反饋檢測類接線,53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。,53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。,53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;,53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CONTINUOUSPATH,CP控制。,53機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,點位控制,53機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,直線控制,53機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,輪廓CONTINUOUSPATH,CP控制,53機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件,54控制系統(tǒng)硬件設(shè)計,541工業(yè)機器人電控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案542工業(yè)機器人電控系統(tǒng)的硬件組成543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1111MM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RS485RS232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,55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(xué)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)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(xué)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,線程不安全;軟件設(shè)計采用線程安全的VISUALC進行程序設(shè)計,開放性強,非常方便調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)DLL,有效縮短開發(fā)周期。,3開發(fā)平臺,工業(yè)機器人的軟件設(shè)計,,,THANKYOU,
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