《工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理(10頁珍藏版)》請?jiān)谌巳宋膸炀W(wǎng)上搜索。

1、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)使機(jī)器20世紀(jì) 80年代以后，由于微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，特別是電力半導(dǎo) 體器件的出現(xiàn)， 使整個機(jī)器人的控制系統(tǒng)發(fā)生了很大的變化， 人控制器日趨完善。 具有非常好的人機(jī)界面， 有功能完善的編程語言 和系統(tǒng)保護(hù)，狀態(tài)監(jiān)控及診斷功能。同時(shí)機(jī)器人的操作更加簡單，但 是控制精度及作業(yè)能力卻有很大的提高。 目前機(jī)器人已具有很強(qiáng)的通信能力，因此能連接到各種網(wǎng)絡(luò)(CAN BUS、 PROFIBUS 或ETHERNET)。形成了機(jī)器人的生產(chǎn)線。特別是汽車的焊接生產(chǎn)線、 油漆生產(chǎn)線、 裝配生產(chǎn)線很多都是靠機(jī)器人工作的。 特別是控制系統(tǒng) 已從模擬式的控制進(jìn)入了全數(shù)字式的控制。90年代以后，計(jì)算機(jī)的性能。

2、進(jìn)一步提高，集成電路(IC)的集 成度進(jìn)一步的提高， 使機(jī)器人的控制系統(tǒng)的價(jià)格逐漸降低， 而運(yùn)算的 能力卻大大提高， 這樣，過去許多用硬件才能實(shí)現(xiàn)的功能也逐漸地使 用軟件來完成。 而且機(jī)器人控制系統(tǒng)的可靠性也由最早幾百小時(shí)提高 到現(xiàn)在的 6 萬小時(shí)，幾乎不需要維護(hù)。控制系統(tǒng)基本原理及分類工業(yè)機(jī)器人的控制器在要求完成特定作業(yè)時(shí)， 需要做下述幾件事： 示教：通過計(jì)算機(jī)來接受機(jī)器人將要去完成什么作業(yè)。 也就是給機(jī)器人的作業(yè)命令，這個命令實(shí)質(zhì)上是人發(fā)出的。計(jì)算：這一部分實(shí)際上就是機(jī)器人控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)來完成的， 它通過獲得的示教信息要形成一個控制策略，然后再根據(jù)這個策略(也稱之為作業(yè)軌跡的規(guī)劃)細(xì)化。

3、成各軸的伺服運(yùn)動的控制 的策略。同時(shí)計(jì)算機(jī)還要擔(dān)負(fù)起對整個機(jī)器人系統(tǒng)的管理，采 集并處理各種信息。因此，這一部分是非常重要的核心部分。伺服驅(qū)動：就是通過機(jī)器人控制器的不同的控制算法將機(jī)器人控制策略轉(zhuǎn)化為驅(qū)動信號，驅(qū)動伺服電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高速、 高精度運(yùn)動，去完成指定的作業(yè)。反饋：機(jī)器人控制中的傳感器對機(jī)器人完成作業(yè)過程中的運(yùn)動狀態(tài)、位置、姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)地反饋，把這些信息反饋給控制計(jì)算機(jī), 使控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況，及時(shí)做出各種決 策。示教鬥控制計(jì)算機(jī)伺服驅(qū)動傳感器圖1機(jī)器人控制基本原理圖控制系統(tǒng)可以有四種不同分類方法：控制運(yùn)動方式、控制系統(tǒng)信 號類型、控制機(jī)器人的數(shù)目以及人機(jī)的。

4、相互關(guān)系等分類。(1)、按控制運(yùn)動方式進(jìn)行分類可分為程序控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控 制系統(tǒng)和組合控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)：絕大多數(shù)商品機(jī)器人是屬于這種控制系統(tǒng)， 主要用于搬運(yùn)、裝配、點(diǎn)焊等點(diǎn)位控制，以及弧焊、噴涂機(jī)器人的輪廓控制。程序控制可以使各關(guān)節(jié)的運(yùn)動是連續(xù)的， 也可以是離散的， 通過 各個關(guān)節(jié)的連續(xù)運(yùn)動的合成，實(shí)現(xiàn)輪廓控制，也可用點(diǎn)位控制，用不B、連續(xù)的點(diǎn)位實(shí)現(xiàn)連續(xù)輪廓控制。自適應(yīng)控制系統(tǒng)： 自適應(yīng)是根據(jù)環(huán)境的變化， 不斷地給出后續(xù)運(yùn)動軌跡的控制。環(huán)境的變化是通過傳感器來感知，也就是根據(jù)檢測到的信息來決策。這個決策是控制系統(tǒng)中的核心問題。要有很復(fù)雜的計(jì)算方法。對環(huán)境的感知是實(shí)時(shí)的，要求是高精度和高。

5、速度的運(yùn)算處理。硬件邏輯復(fù)雜。這一類控制系統(tǒng)也是以程序控制為基礎(chǔ)， 僅是根據(jù)外界環(huán)境的變 化來及時(shí)修改原有的程序。 目前對于這一類智能機(jī)器人的各種感覺的 研究尚處于探索階段， 特別是視覺， 要求靈敏度高的視覺裝置且可對C、圖象處理和識別能力。組合控制系統(tǒng)： 它兼有程序控制和自適應(yīng)控制兩種功能， 它具有利用已知的基本上由工作性質(zhì)和環(huán)境條件決定的信息實(shí)現(xiàn)程序控制，還可以在執(zhí)行過程中根據(jù)工作條件的變化而改變控制過程并保證最佳的控制品質(zhì)。所以，這是應(yīng)用最廣的控制系統(tǒng)。2)、按控制系統(tǒng)的信號形式分類： 可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制 系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)貫穿系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入 /輸出信號量是時(shí)間的連 續(xù)函數(shù)。。

6、離散控制系統(tǒng)全部或部分信號是以離散形式出現(xiàn)和產(chǎn)生所需 要的控制。 通常系統(tǒng)既有連續(xù)又有離散的信息， 根據(jù)一個一定的閥值 來進(jìn)行兩類信號的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)這種控制。例如：a弧焊控制：對焊接電流的控制是連續(xù)控制，當(dāng)發(fā)生短路時(shí), 立刻切斷電源這又是離散控制。b、生產(chǎn)線加工部件由傳送帶送到固定加工位置，同時(shí)發(fā)出到位 信號，用來啟動機(jī)器人控制程序的連續(xù)控制，從而由離散到連續(xù)。一 般離散信號是繼電器的動作，脈沖或數(shù)字信號。3)、根據(jù)控制機(jī)器人的數(shù)目分類：可分為單機(jī)系統(tǒng)和群控系統(tǒng)。單機(jī)就是指控制系統(tǒng)僅對本機(jī)進(jìn)行自主的控制。 集中或分散的或 兩者結(jié)合的， 同時(shí)控制多個機(jī)器人的控制系統(tǒng)稱之為群控系統(tǒng)。 群控 系統(tǒng)也容許。

7、每個機(jī)器人有自己獨(dú)立的控制系統(tǒng)， 但每一個機(jī)器人的控 制系統(tǒng)要接受總的控制系統(tǒng)的命令， 或在系統(tǒng)之間有通信， 以便能使 所有機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。實(shí)際上群控系統(tǒng)是一個多級系統(tǒng)， 每一級系統(tǒng)或者模塊要接受上 一級系統(tǒng)下達(dá)的指令與任務(wù)命令， 使本級機(jī)器人執(zhí)行上述的命令， 并 要向上一級反饋執(zhí)行的結(jié)果的信息。4)、按人機(jī)關(guān)系分類：自動控制系統(tǒng)完全自治操作，操作人員不必 干予。但有一些系統(tǒng)要求部分控制功能由操作人員來完成。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)： 集中控制、主從控制和分布式控制。集中控制就是用一臺功能較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能， 這是 早期機(jī)器人來用的一種結(jié)構(gòu)。 因?yàn)楫?dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)造價(jià)較高， 。

8、當(dāng)時(shí)機(jī)器人 功能也不多， 所以采用這種方案來控制還是比較經(jīng)濟(jì)的， 也是可以實(shí) 現(xiàn)的。但由于計(jì)算非常復(fù)雜，所以控制的速度就很慢。目前由于對機(jī)器人的功能要求愈來愈多，且控制的精度愈來愈高，集中控制已不可能滿足這些要求，所以采用主從式控制和分布式 控制，70年代的MOTORMAN弧焊機(jī)器人就是屬于這種結(jié)構(gòu)。圖2 主叢式輕制系銃站期一級計(jì)算機(jī)(一級機(jī))為主機(jī)，擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理，機(jī)器人語言的編 譯和人機(jī)接口功能，同時(shí)也利用它的運(yùn)算能力完成坐標(biāo)變換， 軌跡插補(bǔ)，并定時(shí)地把運(yùn)算結(jié)果作為關(guān)節(jié)運(yùn)動的增量值送到公共內(nèi)存，供二 級計(jì)算機(jī)(二級機(jī))讀取它。二級機(jī)完成全部關(guān)節(jié)位置的數(shù)字控制，它從公共內(nèi)存中讀取給定 值，也把。

9、各關(guān)節(jié)的實(shí)際位置值送回到公共內(nèi)存中去，供一級機(jī)使用。公共內(nèi)存是容量為幾KB的雙口 RAM或普通靜態(tài)RAM加上總線控 制邏輯電路組成。由于功能分散，控制質(zhì)量較集中式控制明顯提高。這類系統(tǒng)的控制速率較快，一般可達(dá)到15ms,即每隔15ms刷新一次 給定，并實(shí)現(xiàn)位置控制一次。這類系統(tǒng)在兩個 CPU之間僅通過公共的內(nèi)部存貯器來交換信息，這種耦合是很松散的，因此采用這種方式來耦合更多的CPU是很能困難的?，F(xiàn)代機(jī)器人控制系統(tǒng)中幾乎無例外地采用分布式結(jié)構(gòu),由上一級報(bào)警信號報(bào)警繼電器下一主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)管理以及坐標(biāo)變換和軌跡的插補(bǔ)運(yùn)算。級由多個微處理器組成，每一個微處理器控制一個關(guān)節(jié)運(yùn)動，它們并 行的完。

10、成控制任務(wù)，因而提高了工作速度和處理能力。 這些微處理器與主控級聯(lián)系是通過總線形式緊密耦合。繼電接觸器鐵磁穩(wěn)壓器三相交流電源一一保險(xiǎn)絲一送到伺服系統(tǒng)， 作為高壓交流電 的電源24伏交流整流、濾波*穩(wěn)壓電路電壓分配器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)(1)、電源部件:電源為三相交流電源和內(nèi)部電源兩大部分組成降壓變壓器一一送到直流系統(tǒng), 作為交流電源110伏/24伏+15伏三相交流電源首先提供給變壓器(也不能沒有變壓器)轉(zhuǎn)換或控 制器各檔電壓的電源，伺服驅(qū)動系統(tǒng)，直流電源，繼電接觸器操作電 源。三相交流電源有如下保護(hù)：過載保護(hù)、短路保護(hù)，并有濾波器來 吸收浪涌電壓。并有時(shí)采用電子(或者是鐵磁的)穩(wěn)壓器對電源。

11、進(jìn)行 穩(wěn)壓。報(bào)警是直流電路的過壓、過載保護(hù)，這時(shí)自動切除直流電源。防止故障擴(kuò)大。直流電源多為 5V、 12V、 15V、24V 等種類的直源，目前 較多的為+5伏及 24伏，其他已少見。它們有熔絲保護(hù)，當(dāng)集成電路 短路，電容出現(xiàn)擊穿，或三極管基極與發(fā)射極短路均靠這個熔絲保護(hù)， 所以熔絲要注意電流值。2)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主CPU整個系統(tǒng)的管理，數(shù)據(jù)處理和軌跡運(yùn)算。協(xié)處理器：協(xié)助主CPL數(shù)值的處理和提高實(shí)時(shí)性能。從處理器：機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動控制。I/O 處理器：控制外部存貯器。ROM中主要是引導(dǎo)程序，程序系統(tǒng)監(jiān)控程序，診斷程序以及一般 不變的參數(shù)。RAM中主要存放從硬盤中裝入的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)控制程序，。

12、語言 編輯，調(diào)試和修改的信息， 用戶編寫的運(yùn)動控制程序，傳感器檢測信 息。存貯空間分配根據(jù)實(shí)際需要，由CPL提供可尋址空間以及初始化 條件來決定。 一般把操作系統(tǒng)， 機(jī)器人語言解釋程序， 用戶運(yùn)動程序，般軟件工具都存放在硬盤中，在需要時(shí)，從中取入。(3) 、伺服控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制的伺服系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)的速度， 位置指令轉(zhuǎn)化為機(jī) 器人的各關(guān)節(jié)的驅(qū)動信號，它是一個三環(huán)系統(tǒng)，即電流環(huán)、速度環(huán)與位置環(huán)，由光電子編碼器反饋回來的信號作為位置及速度的檢測，與 給定信號進(jìn)行比較，進(jìn)行誤差校正。(4) 、傳感/檢測部件常用的傳感/檢測部件包括有限位開關(guān)，壓力，加速度，速度, 溫度等信號，其中的模擬信號須經(jīng)放大。

13、整形，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存貯或處理，對于觸覺、聽覺和 視覺等更高級的傳感/檢測設(shè)備，需要更精確的檢測手和復(fù)雜的識別 和處理算法，通常也由一個單獨(dú)的微處理器對信息進(jìn)行處理。(5) 、人機(jī)交互部件工業(yè)機(jī)器人有多種人機(jī)交互的通信手段，用于編程和顯示的鍵 盤，示教盒等，它們都是通過 RS-232C串行接口與系統(tǒng)CPU遠(yuǎn)程通 信。液晶顯示器及鍵盤有單獨(dú)的微處理器進(jìn)行處理，其中 ROM存放示教盒本身的操作監(jiān)控程序和通訊處理程序。RAM是用以存放通信 顯示和掃描鍵盤的采樣數(shù)據(jù)。6)、接口部件主要是主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)， 外部設(shè)備的工作環(huán)境通信聯(lián)系 通道。磁盤、CRT、。

14、鍵盤、打印機(jī)等，標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)與計(jì)算機(jī)的通信都是 通過計(jì)算機(jī)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行的。與伺服系統(tǒng)通信則是采用專用接 口，將主 CPU 的運(yùn)動命令的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻率和數(shù)量的脈沖。還 要采用一些帶有 A/D 或 D/A 接口。7)、軟件系統(tǒng)管理程序或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)； 用以對整個機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件進(jìn) 行任務(wù)的調(diào)度和管理， 以滿足機(jī)器人控制的實(shí)時(shí)性能。 系統(tǒng)控制程序： 根據(jù)用戶編制的運(yùn)動控制程序解釋執(zhí)行，進(jìn)行運(yùn)動執(zhí)行的插補(bǔ)運(yùn)算， 各坐標(biāo)位置和速度的分配， 外部事件的響應(yīng)與處理， 實(shí)時(shí)信息和出錯 信息的處理和顯示。 運(yùn)動控制程序， 這是由用戶特定的機(jī)器人語言編 制的運(yùn)動控制程序，在運(yùn)動控制程序中，通過語句(或指令)指定機(jī) 器人的工作方式、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度、坐標(biāo)位置、定時(shí) /計(jì)數(shù)及輸 入/輸入通信要求，程序控制路徑的選擇等信息，在系統(tǒng)控制程序的 解釋下執(zhí)行。機(jī)器人控制器是使機(jī)器人執(zhí)行各種操作的核心部分， 分析機(jī)器人 控制器的組成及工作原理， 是更好地使用機(jī)器人進(jìn)行工作的基礎(chǔ)。 因 此深入研究控制原理及控制程序是很有必要的。

總結(jié)

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