（机械制造及其自动化专业论文）氩弧焊工业机器人驱动控制技术研究.pdf

摘要 i ：业机器人已成为现代i ：业生产中不可或缺的机电一体化设备。高精度驱动控制技术的研究 及应h j 使得i ：业机器人不仅在1 ：业领域本身被j - 泛应川，而且还涉及到如军川、医疗、服务和娱 乐等领域，可高效地完成预定的运动控制任务。冈此，对：i ：业机器人驱动技术的研究十分重要。 本文在研究、分析。i ：业机器人发展现状的基础上，针对i ：业机器人的运动控制系统进行了详 细论述，主要包括以。i - ) l 点：i ：业机器人的组成、控制系统的特点、控制方式、控制系统结构和 典型控制方案。其后，分析了m o t o m a n h p 2 0 1 ：业机器人控制系统的组成及特点，说明了 m o t o m a ni ：业机器人与其他i ：业机器人的不同之处。 其次，在阐明1 ：业机器人伺服驱动系统一般组成的前提下，分析了永磁同步电机的久量控制 系统的三环控制策略；对伺服驱动系统中的关键调制技术( s p w m 与s v p w m ) 进行了对比研究， 并在m a t l a b s l m u l i n k 环境- 卜分别建立了基于s p w m 的三相逆变器仿真模型和基。- 1 - - s v p w m 的三相逆变器仿真模型。通过频域特性分析，选择性能优良的s v p w m 作为永磁同步电机伺服驱 动控制系统的调制策略。 最后，研究了m o t o m a n h p 2 0 机器人的任务型编程驱动技术及远程控制的实现：以平面 直线和圆弧焊接为例，在离线编程环境_ 卜进行了模拟仿真，并在实验室环境一卜通过氩弧焊接实验 予以验证。远程控制方法的实现不仅可以实现机器人的异地操作，而且可以对机器人现场进行实 时监控。 整体而言，在典型的控制结构的支持。f ，优良调制策略( s v p w m ) 的应用，使m o t o m a n h p 2 0 机器人在给定任务下，能够按照所要求的轨迹准确无误的运行。在运行过程中，操作者可 以实时的观测到机器人在完成作业任务时各关：肖的脉冲及角度值，方面操作者对其轨迹进行分 析。与此同时，机器人的异地操作，使整个控制系统达到了高效、高精度、安全的控制。 关键字：m o t o m a n h p 2 0 ，伺服控制，s p w m ，s v p w m ，氩弧焊，远程控制 a b s t r a c t i n d u s t r i a lr o b o t sh a v eb e c o m ea ni n t e g r a lp a r to fe l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o ne q u i p m e n ti n m o d e m i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n r o b o ti sn o to n l yal o to fp o p u l a r i t yi nt h ei n d u s t r y , b u ta l s oi n v o l v e s m i l i t a r y , m e d i c a l ，s e r v i c ea n de n t e r t a i n m e n ta 麟，a n dc a nc o m p l e t e st h ep r e d e t e r m i n e dt r a j e c t o r ya n d f u n c t i o ne f f i c i e n c y , o w i n gt or e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fh i g h - p r e c i s i o nd r i v ec o n t r o lt e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h er o b o t f i r s t l y , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ei n f o r m a t i o no ft h er o b o tf r o mt h ea s p e c t s o ft h er o b o t s d e v e l o p m e n ts t a t u s ，c l a s s i f i c a t i o nt ot e c h n i c a lp a r a m e t e r so fi n d u s t r i a lr o b o t s o nt h i sb a s i s ，s t u d yt h e i n d u s t r i a lr o b o tc o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n g ：t h e c o m p o s i t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c so fc o n t r o l s y s t e m ，c o n t r o lm o d e ，t h ea r c h i t e c t u r eo fc o n t r o ls y s t e ma n d at y p i c a lc o n t r o ls c h e m eo ft h ei n d u s t r i a l r o b o t t h e n ，a n a l y z et h ec o m p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fm o t o m a n h p 2 0i n d u s t r i a lr o b o tc o n t r o l s y s t e m a sw e l la si l l u m i n a t et h ed i f f e r e n tb e t w e e nm c l l d m a ni n d u s t r i a lr o b o t sa n do t h e ri n d u s t r i a l r o b o t s s e c o n d ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ec o m p o s i t i o no fs e r v od r i v es y s t e mo ft h ei n d u s t r i a lr o b o t s ，a n d a n a l y s e sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo ft h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r i n t r o d u c et h em o d u l a t i o n ( p w mc o n t r 0 1 ) o fs e r v os y s t e m ，a n ds h o wt h et r a d i t i o n a ls p w ma n ds v p w mt e c h n o l o g yw h i c hh a sa c h o i c e n e s sc o n t r 0 1 t h e ne s t a b l i s ht h es i m u l a t i o nm o d e lw h i c hb a s e do nt h es p w ma n ds v p w m t h r e e - p h a s ei n v e r t e ri nm a t l 八b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t a f t e rt h a t c o m p a r et h et w om o d u l a t i o n t e c h n o l o g yi n t h e f r e q u e n c yd o m a i n ，s e l e c ts v p w mc o n t r o ls t r a t e g y a sap e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rs e r v od r i v ec o n t r o ls y s t e ma l g o r i t h m s f i n a l l y , s t u d yt h et a s kp r o g r a m m i n go fd r i v et e c h n o l o g ya n dr e m o t ec o n t r o li m p l e m e n t a t i o no ft h e m o t o m a n h p 2 0r o b o t t a k et h ef i a tl i n ea n da r ca sa ne x a m p l e ，s i m u l a t ei t sm o d ei nt h eo f f - l i n e p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t ，a n dt h e nt a k et h ea c t u a lw e l d i n g t a s ki nt h el a b o r a t o r y r e m o t ec o n t r o lc a n n o to n l yr e a l i z eo f f - s i t ec o n t r o lb u ta l s oc a nm o n i t o rt h er o b o tr e a l t i m e o v e r a l l ，m o t o m a nh p 2 0r o b o tc a no p e r a t ea c c u r a t e l ynt h eg i v e nt a s kt r a j e c t o r y , s u p p o r t e db y t h et y p i c a lc o n t r o ls t r u c t u r e sa n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ee x c e l l e n tm o d u l a t i o ns t r a t e g y ( s v p w m ) d u r i n g o p e r a t i o n ，t h ep o i s ea n da n g l ev a l u e so ft h ej o i n tc a l lb eo b s e r v a t e dr e a l t i m eb yo p e r a t o r a tt h es a m e t i m e ，t h er e m o t eo p e r a t i o no ft h er o b o tm a k e st h ew h o l ec o n t r o ls y s t e me f f i c i e n t l y , h i g hp r e c i s e l ya n d s e c u r e l y k e yw o r d s ：m o t o m a n h p 2 0 ，s e r v oc o n t r o l ，s p w m ，s v p w m ，a r g o na r cw e l d i n g ，r e m o t ec o n t r o l 第一章绪论 机器人是集多学科为一体的现代制造业重要的自动化装备，代表了机电一体化的最高成就。 机器人技术的研究、制造和应用程度，是一个国家或企业科技水平的象征。机器人技术不仅在制 造领域广泛应用及发展，而且拓展到了如军用、娱乐、医疗等领域。因此，对机器人的研究有着 重要的意义。 本章就：i ：业机器人的发展现状、组成、技术参数、伺服系统及远程控制进行介纠。 1 1 工业机器人概述 1 1 1 工业机器人的发展现状 机器人从诞生到现在，经历了一个漫长的过程。在国外，6 0 年代到7 0 年代，机器人技术取 得了巨大发展。8 0 年代到9 0 年代间，机器人技术不仅在发达国家的工业中大量普及应用，如焊 接机器人、装配机器人等，还涉及到如军用、医疗、娱乐、服务等领域，并产生第二代感知型机 器人和第三代智能机器人。 我国工业机器人起步晚，大致经历了三个阶段：7 0 年代的萌芽期，8 0 年代的开发期和9 0 年 代的实用化期。在8 6 3 计划的支持下，机器人基础理论与基础元器件研究全面展开。并建立了“机 器人示范工程中心”和“机器人国家开放实验室”。 1 1 2 工业机器人的分类 工业机器人的分类方法繁多，是从不同的角度取其某些特性作为划分的依据。现根据我国在 机器人技术领域中应用较多的分类法，介绍如下。 按作业用途分为点焊、弧焊机器人，搬运机器入，喷漆机器人、涂( 密封) 胶机器人、装配和 测量机器人等；按操作机的运动坐标分为：直角坐标式机器人，极( 球) 坐标式机器人，圆柱坐标 式机器人和关节式机器人；按机器人的负荷和工作范围分为：超大型机器人一负荷为1 0 k n 以上； 大型机器人一负荷l 1 0 k n ，工作空间为1 0 m 3 以上；中型机器人一负荷为1 0 肚1 0 0 0 n ，工作空间 为1 1 0 m 3 ；小型机器人一负荷为l 1 0 0 n ，工作空间为0 1 1 m 3 ：超小型机器人一负荷小于l n ， 工作空间小于0 1 m 3 ；按机器人具有的运动自由度数分类：一般为2 7 个，简易型的2 4 个自由 度，复杂型的5 7 个自由度；按控制方式分为点位控制机器人和连续轨迹控制机器人；按动力源 的种类分为气动机器人、液压机器人、电动机器人。 1 2 工业机器人系统的组成及技术参数 1 2 1 工业机器人系统的组成 工业机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同构成的，其中包括机器人机械系统、驱动 系统、控制系统和感知系统四大部分，它们之间的关系如图l 一1 所示。 立兰型王塑茎! 三兰垡笙茎 第一章绪论 ：控制系统： 图卜1 机器人系统组成及各部分之间的关系 ( 1 ) 机械系统 工业机器人的机械系统包括机身、臂部、手腕、末端操作器和行走机构等部分。该部分的作 朋相当于人的身体( 骨骼、手、臂、腿等) 。 ( 2 ) 驱动部分 驱动系统主要指驱动机械系统动作的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可以分为电气、 液压、气压三种以及把它们结合起来应用的综合系统。该部分的作用相当于人的肌肉。 ( 3 ) 控制系统 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行 机构，使其完成规定的运动和功能。该部分主要由计算机硬件和控制软件组成。软件主要由人与 机器人进行联系的人机交互系统和控制算法等组成。该部分的作用相当于人的大脑。 ( 4 ) 感知系统 感知系统由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机器人内部和外部环境信息，并把 这些信息反馈给控制系统。该部分的作用相当于人的五官。 从图l l 中可以看出，机器人系统实际上是一个典型的机电一体化系统，其工作原理为：控 制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端操作器到达空间某一 位置和实现某一姿态，实施一定的作业任务。末端操作器在空问的实时位姿由感知系统反馈给控 制系统，控制系统把实际位姿与目标位姿相比较，发出下一个动作指令，如此循环，直到完成作 业任务为止。 1 2 2 工业机器人的技术参数 技术参数是机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据，是选择、设计、应用机器人时必 须考虑的数据。机器人的主要技术参数一般有自由度、定位精度、重复定位精度、工作范围、承 载能力及最大速度等。 ( 1 ) 自由度 自由度( d e g r e eo f f r e e d o m ，d o f ) 是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。自由度越 多越灵活，但结构也越复杂，控制难度越大，所以机器人的自由度要根据其用途设计，一般在3 宁夏人学硕上学位论文 第一章绪论 6 个之间。 ( 2 ) 定位精度雨i 重复定位精度 定位精度是指机器人末端操作器的实际位置与目标位置之问的偏差。重复定位精度是指在同 一环境、同一条件、同一目标动作、同一命令之一卜，机器人连续重复运动若干次时，其位置的分 散情况，是关丁 精度的统计数据。因重复定位精度不受i ：作载荷变化的影响，故通常用重复定位 精度这一指标作为衡量示教一在线方式ji ：业机器人水平的重要指标。 ( 3 ) 工作空间 i ：作空间表示机器人的1 ：作范围，它是机器人运动时手臂末端或手腕中心所能到达的所有点 的集合，也称为丁作区域。图l 一2 是m o t o m a n h p 2 0 机器人的l ：作范围。 t 0 0 0 m 黼瑗t o o q m m 毅上 图卜2n 0 1 0 m a n h p 2 0 机器人工作范围 ( 4 ) 最大工作速度 生产机器人的厂家不同，其所指的最大工作速度不同，通常都会在技术参数中加以说明。 ( 5 ) 承载能力 承载能力指机器人在工作范围内处于任意的位置和姿态时承受的最大质量。它与负载的质量 及机器人运行时的速度和加速度的大小、方向有关。为了安全，把高速运行时的承载能力定义为 描述机器人所能承受的载荷。 ( 6 ) 机器人的技术参数 m 0 1 o m a n h p 2 0 工业机器人的技术参数如表1 1 【1 3 1 所示。 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 表卜1 基本规格一览表 名 项 称m o t o m a n h p 2 0 目 机构形态垂直多关节型 自由度6 町搬质量 2 0 k g 重复定位精度 0 0 6 r a m s 轴( 嘲转1 】8 0 。 l 轴( 下臂)+ 1 5 5 。，1 1 0 。 u 轴( 上臂) + 2 5 5 。，一1 6 5 。 动作范嘲 r 轴( 手腕回转) 2 0 0 。 b 轴( 手腕摆动) + 2 3 0 。，5 0 。 t 轴( 手腕回转) 3 6 0 。 s 轴 2 9 6r a d s ，1 7 0 。s l 轴 2 9 6r a d s ，1 7 0 。s u 轴 3 0 5r a d s ，1 7 5 。s 最大速度 r 轴 6 2 0r a d s ，3 5 5 。s b 轴 6 0 2r a d s ，3 4 5 。s t 轴 9 1 6m d s ，5 2 5 。s r 轴 3 9 2 n m ( 0 9 k g f m ) 允许扭矩b 轴 3 9 2 n m ( 0 9 k g f m 1 t 轴 1 9 6n m ( 0 2 5 k g f m 、 r 轴 0 9 k g m 2 允许惯性矩( g d 2 4 ) b 轴 0 9 k g m 2 t 轴 0 2 5k g m 2 本体质量 2 8 0 k g 电源容量 2 8 k v a 1 3 伺服驱动技术的发展趋势 伺服系统( s e r v os y s t e m ) 也叫随动系统，属于自动控制系统的一种，是以机械量( 如位移、 速度、加速度、力和力矩等) 作为控制量，在控制指令作用下驱动执行元件，使机械的运动部件 按照指令的要求进行运动，并满足一定的性能指标。 我国从 9 7 0 年代开始到2 0 0 0 年后，先后从交流伺服技术的跟踪开发到工业领域的应用，为 交流伺服的开发提供了更大的市场空间。国内主要的伺服品牌或厂家有森创( 和利时电机) 、华中 数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。而国外品牌在中国交流伺服市场占据了大部分份额， 分别是日本、美国和德国。日本的有安川、发那克、三菱等；罗克维尔( r o c k w e l la u t o m a t i o n ) 、 4 宁夏大学硕二l ：学位论文 弟一荦绪论 达那赫( d a n a h e r ) 、帕克( p a r k e r ) 等属于美国品牌；德国有西门子( s i e m e n s ) 、 尊世力十乐( b o s c h r e x r o t h ) 、施奈德( s c h n e i d e r ) 等。其中，日本品牌因具有优良的性价比和较高的可靠性| l 据了最火 的市场份额，在中小型市场上尤其具有垄断优势。而欧美以高性能、高价格在高端设备汞i 生产线 上比较有竞争力。 伺服系统的发展趋势可以概括为以一i - ) l 个方面： 1 ) 交流化：现阶段永磁电动机的发展很快，除了它具有很高的功率密度、效率高、转矩大 之外，还有很高的功率冈数。冈此，不论在有功消耗，还是无功损耗方面都优丁人量使h j 的交流 电动机，可以说现代永磁电动机是一种节能降耗的机械产品。 2 ) 全数字化：采川新型高速微处理器和专用数字信号处理机( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 的伺服控制单元，实现数字化伺服控制。其优点是：灵活性好、可靠性强，并且速度及定位精度 也明显优于模拟系统。 3 ) 采j h j 新型电力电子半导体器件：在低压交流电机的传动控制中，应用最多的功率器件有 g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) 、m o s f e t ( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ) 、i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 以及智能控制功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e s ) 。后 两种集前两种特性的优点为一体，是目前通用变频器中j 泛应用的主流功率器件。其中i p m 的应 用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化拉。3 j 。 4 ) 高度集成化：将之前由若干模块完成的功能集成到一块板 上，通过软件就可以改变其 性能。主要特点是缩小了控制系统体积，简化了系统的安装与调试工作。 5 ) 智能化：对于伺服控制单元，采用常规p i d ( p r o p o r t i o ni n t e g r a t i o nd i f f e r e n t i a t i o n ) 虽然 能够满足伺服系统快、准、稳的要求，但也有缺点。而智能p i d 在控制过程中根据系统的动态特 性和行为，采取有效的控制方式，比如采用模糊p i d 的系统，其动静态性能均优于常规p i d 和一 般的模糊控制器控制的系纠4 1 。 6 ) 模块化和网络化：标准的串行通信接口( 如r s 2 3 2 c 或r s - 4 2 2 等) 和专用的局域网 接口在最新的伺服系统中广泛使用。由于配置了相应的接口，不仅使伺服单元与外设间的通信能 力增强了，而且还能与p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，可编程控制器) 模块相连。 1 4 课题研究的主要内容 本论文主要以m o t o m a nh p 2 0 工业机器人为背景，研究工业机器人的控制系统，并基于 m a t l a b s i m u l i n k 仿真技术，以单关节伺服系统为研究对象，进行伺服系统的仿真分析。在 此基础上通过远程控制软件实现机器人的远程控制，并在虚拟仿真软件中进行机器人弧焊轨迹 ( 直线和圆弧) 的仿真，在实际中验证轨迹的正确性，期间需要完成以下三方面内容： ( 1 ) 研究m o t o m a n h p 2 0 机器人控制系统 首先，从：l ：业机器人控制系统的特点、控制方式、控制系统结构和运动控制系统的组成及典 型控制方案等方面进行学习研究。在此基础上对m o t o m a n h p 2 0 机器人控制系统进行研究， 得出m o t o m a n 机器人与其他机器人的异同。 ( 2 ) t 业机器人的伺服控制与仿真分析 首先，在学习永磁同步电机的特性基础上，研究p m s m ( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 m o t o r ) 电机的控制方式及伺服驱动控制系统的组成。其次，学习逆变器调制技术( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，p w m 调制技术) 及s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 和s v p w m ( s p a c e v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 的原理，并在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下分别建立基丁 s p w m 的三相逆变器模型和基于s v p w m 的三相逆变器模型，对逆变器输出线电压进行频谱分 析，通过对比得出s p w m 算法和s v p w m 算法的优缺点。最后，选择一种优良的控制算法，在 m a t l a b 仿真环境下建立单关二霄机器人伺服系统的三环仿真模型。 ( 3 ) 氪弧焊机器人轨迹分析及远程实现 研究基于c s ( c l i e n t s e r v e r ) 架构的远程控制系统，通过t c p i p 协议，实现机器人的远程 控制，使在无人的情况卜，用户也能对机器人进行实时操作与监控。与此同时，用离线编程软件 仿真直线和圆弧的焊接任务，并将相应的程序传到机器人控制柜中，在实验室环境下完成机器人 氩弧焊接作业。 第二章工业机器人运动控制系统 2 1 机器人控制系统特点及控制方式 2 1 1 机器人控制系统的特点 机器人控制技术是在传统机械系统的控制技术的基础上发展起来的，两者之间并无根本的不 同，但由7 - 机器人的结构是由连杆通过关节串联组成的空间开链机构，其各个关节的运动是独立 的，为了实现末端点的运动轨迹，需要多关。市的协调运动。冈此，机器人的控制虽然与机构运动 学和动力学密切相关，但是比普通的自动化设备控制系统复杂的多。 由描述机器人动力学特性的动力学运动方程式，有 f = m ( g ) 牙+ h ( q ，牙) + b ( t + g ( g ) 式中：m ( q ) 为惯性矩阵；h ( q ，虿) 为离心力和科氏力的矢量；b 为黏性摩擦因数矩阵；g ( q ) 为 重力欠量；f = h ，丁，r 。| 为关节驱动力矢量。 惯性矩阵m ( q ) 由y - 各关节臂之间存在相互干涉问题，其对角线以外的元素不为零，而且各 元素与关，1 了角度成非线性关系，随机器人的位姿而变化。该运动方程式中其他各项也都是如此。 因此机器人的运动方程式是非常复杂的非线性方程式。从动力学的角度出发，可知机器人控制系 统具有以卜特点。 ( 1 ) 机器人控制系统本质上是一个非线性系统。引起机器人非线性的因素很多，机器人的 结构、传动什、驱动元件等都会引起系统的非线性。 ( 2 ) 机器人控制系统是由多关节组成的一个多变量控制系统，且各关节间具有耦合作用， 具体表现为：某个关节的运动，会对其他关节产生动力效应，每一个关节都要受到其他关节运 动所产生的扰动。 ( 3 ) 机器人控制系统是一个时变系统，其动力学参数随着关节运动位置的变化而变化。 总而言之，机器人控制系统是一个时变的、耦合的、非线性的多变量控制系统【5 j 。由于它的 特殊性，对经典控制理论和现代控制理论都不能照搬使用。到目前为止，机器人控制理论还不完 整、不系统，但发展速度很快，正在逐步走向成熟。 2 1 2 机器人控制方式 根据不同的分类方法，机器人控制方式可以划分为不同类别。下面对几种常用的工业机器人 的控制方式进行具体分析。 ( 1 ) 点位控制与连续轨迹控制 p t p ( p o i n tt op o i n t ) 控制要求机器人末端以一定的姿态尽快而无超调地实现相邻点之间的运 动，但对相邻点之间的运动轨迹不做具体要求。p t p 控制的主要技术指标是定位精度和运动速度， 从事点焊、搬运及上下料等作业的工业机器人，采用的都是p t p 控制方式。 c p ( c o n t i n u o u sp a t h ) 控制要求机器人末端沿预定的轨迹运动，将运动轨迹分解成插补点序 列，在这些点之问依次进行位置控制，点与点之间的轨迹通常采用直线、圆弧或其他曲线进行插 主茎盔兰堡主堂篁垒茎 第二章工业机器人运动控制系统 补。c p 控制的主要技术指标是轨迹精度和运动的平稳性，从事弧焊、喷漆、切割等作业的j i ：业 机器人采用的都是c p 控制方式。 ( 2 ) 力( 力矩) 控制方式 在装配或抓取物体等作业时，工业机器人，末端操作器与环境或作业表面接触，除了要准确 定位之外，还要求使用适度的力或力矩，这时就需采取力( 力矩) 控制方式。 ( 3 ) 智能控制 实现智能控制的机器人可通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库作出相 应的决策。采用智能控制技术，可使机器人具有较强的环境适应性及自学习能力。智能控制技术 的发展有赖丁近年来神经网络、基因算法、遗传算法、专家系统等人：f 智能技术的迅速发展。 ( 4 ) 示教一再现控制 示教一再现控制是工业机器人的一种主流控制方式。为了让机器人完成某种作业，首先由操 作者对机器人进行示教。在示教过程中，机器人将作业顺序、位置、速度等信息存储起来。在执 行任务时，机器人可以根据这些存储的信息再现示教的动作。示教一再现控制的基本思想如图2 1 所示，通过“示教编程”和“自动翻译”完成控制过程。 内 部 代 码 图2 1t p 方式的基本控制思想 2 2 工业机器人控制系统结构 工业机器人是一种计算机控制的机械手，它由若干用转动或移动关节连接的刚性杆件组成。 杆件链的一端固定在基座上，另端则可安装工具完成一定的操作，关节的运动产生杆件的相应 运动。从机器人的机械本体来看，机器人由手臂、手腕和工具组成并将它设计成能伸展到：【作范 围内的工件上。图2 2 所示的是m o t o m a nh p 2 0 六关节机器人，手臂部件的运动是由腰、肩和 肘三个关节的运动合成的，是机器人的定位机构，而手腕部件的运动则由俯仰、偏转和侧倾关节 的运动合成，是机器人的定向机构。 s 赣 图2 2m o t o m a nh p 2 0 机器人 随着电力电子技术、矢量控制技术和计算机控制技术的发展，机器人关二肖的运动中，越来越 多的采用交流电机作为驱动部1 1 二。因此，机器人每个关。1 ，都可以当做为一个交流伺服机构。在l ： 业机器人控制系统中，除了这种在低层的，实时性强的关节运动控制外，还有在系统的上层，计 算的实时性要求不高的部分，如与用户的交互，子任务间的调度，运动状态的显示和关：宵运动控 制子系统的通信等。因此，工业机器人关二爷伺服控制系统的体系结构的合理性将很火程度上决定 ：_ i 二业机器人的操作性能。机器人控制系统按其控制方式可分为三类： ( 1 ) 集中控制方式：用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差， 难以扩展，其构成框图如图2 玉历苯。 集中控制计算祝 i 一飞一。磊一i璺避：j l l = 墼塑塑 图2 - 3 机器人集中式控制方式 ( 2 ) 主从控制方式：采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。其中系统任务管理、 人机交互功能、轨迹规划、坐标变换均是由主c p u 完成的，与此同时主c p u 把运算结果送到公 用内存，供从c p u 读取，从c p u 则完成全部关：常位置数字伺服控制。主、从c p u 之间的数据交 宁夏大学硕士学位论文 第二章工业机器人运动控制系统 换是通过公，i - j 内存实现的，是一个松耦合关系。该控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速 度控制，但其系统扩展性较差，采用多c p u 进行分散控制较困难。系统架构如图2 _ 4 所示。文献 【6 】 7 【8 9 】中就采用这种结构完成相应功能。2 0 世纪7 0 年代，日本安川生产的m o t o m a n 五关 节直流电机驱动的机器人控制系统就属于这种结构。 偏差ld 遁m 吲沪 码 盘 高 记数器p| iiili _ 一 l a 速+ l 生产设 m主 公 从 脉 测速装置 用计 | 示教盒 一 计_ 静 - t 内 笪 冲 存机i 嘲卜 蔓 i _ 赫台卜 祝 弋 发 j l 接口卜 生 感知 l 系统 器 l 剖 与接 一级控制 二级控伺服单元 图2 4 机器人主从控制方式 ( 3 ) 分布式控制方式：多c p u 模式。系统任务管理、机器人运动学正逆解的计算、轨迹规 划等均是由上位机完成的。而下位机则是由多c p u 组成，伺服控制单元的各个关节是由不同的 c p u 控制的。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是 目前流行的方式，其控制框图如2 5 所示。文献【1 0 】提出了基于p c 的具有开放式结构、网络功 能的机器人控制器；文献 1 1 】提出了以a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 、f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 和d s p 为核心的机器人分布式多c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总 线控制系统体系结构，a r m 完成机器人路径规划，并提供各种通讯接口，d s p 完成各关节的运 动控制。 l1 号i ill 毒富li 陆甯i 目削i 弋一，、 i 生产设卜一 叫毒密州a 吲筠h 裂誓9 卜啦 l 示教盒| 一- 计 公 一 爪的墨 用 一弋 i c r t | _ - 笪 内 l 一 存 一编 _ l 操作台卜 机 厂 l l l 接口| 一- 士 i 感知 i 一编h 系统 与接 l 一级控制 二级控制 ： 伺服单元 图2 - 5 机器人分布式控制方式 宁夏大学硕士学位论文 第二章工业机器人运动控制系统 综上所述，目前1 业机器人控制体系结构存在的问题是控制器的结构封闭，功能单一，且计 算能力差，难以保证实时控制的要求。虽然分布式控制结构采川多c p u 实现各个伺服电机的控 制，可以根据需要增加更多的c p u ，但它只是在有限的范围内开放。 针对机器人控制器结构封闭的缺陷，需要研究一种具有开放体系结构的机器人控制器，方便 用户对其性能进行改进。所谓开放式结构是指：控制器的务个层次对用户开放，用户可以方便的 扩展和改进其性能。具体表现为： ( 1 ) 采用通用p c 作为工业机器人控制器，优点是：成本低，具有开放性，完备的软件开发 环境和丰富的软件资源，良好的通信功能，广泛的川户基础。 ( 2 ) 利用标准的操作系统，如w i n d o w s n t ，l i n u x ，v x w o r k s 和标准的控制语言。 ( 3 ) 采用标准总线结构，可将诸如i o 板、运动控制板等集成到原系统。 随着计算机技术的飞速发展，采用p c 机开发开放式机器人控制器成为必然趋势。因此就有 了j 1 ：业机器人的典型控制方案，该控制方案由p c 机、运动控制器、伺服单元、外部辅助器件和 配电系统组成。如图2 - 6 所示。 ( 1 ) p c 机为上位机，运动控制器为下位机。p c 机通过总线与控制器进行通信。常用的通 信接口有p c i i s a ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t i o n i n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 接口、 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 接口、串行通信接口等。其中p c i 接口通信最可靠，实时性最好【l5 l 。 u s b 接口虽然比串行接口速度快，但抗干扰能力差一些，容易掉线。此外还有以太网接口、c a n 总线接口等。运动控制系统的上位机程序在p c 机上运行。人机交互界面，系统参数配置，数据 管理，复杂控制模型的解算，系统运动状态的监控保护等功能都由该程序来实现。这部分程序需 要用户自己进行开发。 2 0 0 y t 0 0 v 2 2 0 嘞y 图2 6 工业机器人控制方案框图 宁夏大学硕士学位论文 第二章工业机器人运动控制系统 ( 2 ) 运动控制器的功能可分为控制功能和i o 功能两大部分。运动控制功能部分通过编码器 反馈通道、d a 输出通道以及脉冲输出通道与外部驱动控制设备相连接。伺服电机一般都有编码 器，电机驱动器通过编码器获得电机转子的位置信息，从而可以对电机进行精确控制。同时，电 机驱动器将该位置信号通过编码器反馈通道反馈给运动控制器，由运动控制器对该信号进行处 理，控制信号的输出。d a 输出通道和脉冲输出通道均是控制信号的输出通道。伺服电机驱动器 通常支持两种控制方式：模拟量控制和数字脉冲控制。在速度控制或力矩控制中常采用模拟量控 制方式，即将运动控制器的d a 输出通道与电机驱动器控制信号输入端相连。在位置控制中采用 脉冲+ 方向的控制方式。由脉冲信号来控制位置，由方向来控制运动方向。 整个运动控制系统中所涉及到的外部辅助器件，如限位开关、行程开关、编码器、信号指示 灯等都与运动控制器的i o 功能部分相连。 ( 3 ) 低压配电系统为整个控制系统提供电力支持，在进行低压配电系统设计时要注意不同类 型部件应分别供电以提高系统的可靠性。如伺服电机中电磁抱闸的电源就应该单独配置一路电 源。由丁电磁抱闸在通断时有较大的冲击电流，如果其它电子电路和它共同用一个电源的话，很 可能造成一些器件的故障，甚至损坏。 2 3 工业机器人典型控制方法 为了完成规定的运动，如弧焊或点焊，工业机器人末端操作器按照控制指令，到达期望的位 置目标。因此，必须设计一种控制算法，得出需要的参数，进而控制机器人完成预定的运动。常 用的控制方法有p i d 控制、白适应控制和模糊控制三种。 2 3 1pid 控制 p i d 控制是工业自动化中广泛使用的一种反馈控制策略，其控制器由比例单元( p ) 、积分单 元( i ) 和微分单元( d ) 组成，利用信号的偏差值、偏差的积分值、偏差的微分值的组合来构成 操作量，操作量中包含了偏差信号的现在、过去、未来三方面的信息，所以是一种经典控制方式。 如果用e = 吼( f ) 一9 ( f ) 表示偏差，则p i d 操作量为 “( t ) = k p e + k ，f p ( f 矽f + k 。垂 或 绯) = 吲口+ 寺上啦矽f + 司 式中：k p 为比例增益，k ，为积分增益，k d 为微分增益，它们统称为反馈增益，反馈增益值的 大小影响着控制系统的性能；乃= k p k ，称为积分时间，= k p k d 称为微分时间，两者 均具有时问量纲。控制器的设计就是选择k p 、乃、或者加上其他补偿控制，使系统达到所 要求的性能。 提高控制器的增益k p 固然可减小控制系统的稳态误差，从而提高控制精度。但此时相对稳 定性往往因之而降低，甚至造成控制系统的不稳定。积分控制可以消除或减弱稳态误差，提高误 差度。微分单元反映系统偏差信号的变化率，能预见偏差变化的趋势，从而产生超前的控制作用， 使偏差在还没有形成之前，己被微分所补偿。因此，微分调节可以改善系统的动态系能。 2 3 2 自适应控制 自适应控制是指系统内部特性变化或外部干扰的变化幅度很大时，通过不断地辨识模型参 数，使系统仍能自动的i ：作于最优或接近于最优的运行状态的方法。自适应控制人致可分为三人 类：自校正控制、模型参考白适应控制和其他类型自适应控制，其中模型参数自适应系统结构如 图2 - 6 所示。 2 3 3 模糊p id 控制 图2 - 6 模型参考白适应图 模糊控制是现代控制方法中的一种，而模糊控制器是模糊控制系统的核心。在应用模糊控制 时，不需要知道被控对象的精确数学模型，因此该算法也广泛应用在实际中。模糊p i d 就是利用 模糊控制算法并根据一定的模糊规则对p i d 控制中的三个参数比例增益( k 。) 、积分增益( k ，) 和微分增益( k n ) 进行实时优化，使控制效果达到理想的目的。改控制算法由四部分组成，分 别是：参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、p i d 控制器。控制系统根据给定输入信号与反 馈信号的作用，计算出偏差以及偏差的变化率，进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输 出p i d 控制器的比例、积分、微分系数。文献【1 2 】利用模糊p i d 进行伺服控制系统的位置控制。 2 4 本章小结 本章对工业机器人控制系统结构进行了研究，并介绍了工业机器人控制系统特点、控制方式 和典型控制方法。为后续章节对一l ：业机器人的进一步研究做了铺垫。 宁夏大学硕士学位论文 第三章m o t o m a nh p 2 0 机器人控制柜硬件结构 第三章m o t o m a nh p 2 0 机器人驱动控制系统的硬件架构 近年来，随着我国经济技术水平的不断发展，机器人的应用规模与水平也呈持续发展的态势。 m o t o m a n 机器人是国际上最著名的工业机器人品牌之一，其卓越的品质和性能，可以满足用 户的各种需求。为了保持在世界上的领先地位，m o t o m a n 机器人的产品开发不断创新。当前 正投入使用的是具有国际先进水平的m o t 0 d a n n x l