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工业机器人电气控制系统简述 机器人电气控制系统概述 机器人控制系统的基本结构工业机器人控制系统构成方案比较机器人的关键部件简介常用可编程控制器PLC 机器人控制系统的基本结构 从基本机构上看 一个典型的机器人电气控制系统主要由上位计算机 运动控制器 驱动器 电动机 执行机构和反馈装置构成 工业机器人控制系统构成方案比较 基于PLC的运动控制基于PC 运动控制卡的运动控制纯PC机控制 基于PLC的运动控制 PLC进行运动控制有两种 1 利用PLC的某些输出端口使用脉冲输出指令来产生脉冲驱动电机 同时使用通用I O或者计数部件来实现电机的闭环位置控制 2 使用PLC外部扩展的位置模块来进行电机的闭环位置控制 从而可以大大提高运动控制的速度和精度 基于PC 运动控制卡的机器人控制 单纯的PC控制 完全采用PC机的全软件形式的机器人系统 在高性能工业PC和嵌入式PC 配备专为工业应用而开发的主板 的硬件平台上 可通过软件程序实现PLC和运动控制等功能 实现机器人需要的逻辑控制和运动控制 当然 PC机同时具有高性能的任务管理功能和人机交互功能 在通过高速的工业总线进行PC与驱动器的实时通讯 显著的提高机器人的生产效率和灵活性 不过 在提供灵活的应用平台的同时 也大大提高了开发难度和延长了开发周期 由于其结构的先进性 这种结构代表了未来机器人控制结构的发展方向 机器人的关键部件简介 编码器驱动器传感器 编码器 闭环控制是提高机器人控制系统运动精度的重要手段 而位置检测传感器则是构成闭环控制必不可少的重要元件 位置检测传感器对控制对象的实际位置进行检测 并将位置信息传送给运动控制器 由运动控制器根据控制对象的实际值调整输出信号 常用的位置传感器有电位器 编码器 光栅尺 差动变压器 旋转变压器等 以输出信号来分 有增量型编码器和绝对型编码器 工业机器人电机都是应用的绝对编码器 交流伺服电机驱动器 交流伺服的组成 永磁同步交流伺服电动机 全数字交流永磁同步伺服驱动器 伺服驱动器有两个部分组成 驱动器硬件和控制算法 控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术 伺服驱动器的接线 1 主回路接线1 驱动器R S T电源线的连接 2 驱动器与电动机电源线之间的接线 2 控制电源类接线1 R T控制电源接线 2 I O接口控制电源接线 3 信号指令线1 指令接口2 I O接口3 反馈检测类接线4 通讯接线 传感器 在机器人控制系统中有各种不同的物理量 如位移 压力 速度等 需要测量与控制 如果没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的检测 那么对机器人的各种控制是无法实现的 因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为机器人控制系统中不可缺少的组成部分 传感器 传感器是一种以一定的精确度将被测量 如位移 力 加速度等 转换为与之有确定对应关系的 易于精确处理和测量的某种物理量 如电量 的测量部件或装置 称重传感器 电阻应变式称重传感器 用于检测工件重量 机械开关 普通接近开关 用于检测运动部分是否到位 光电开关 包括对射式 反射板式 漫反射式红外线光电开关 用于检测工件位置 磁性开关 用于检测运动部分是否到位 材质传感器 用于检测工件材质 位移传感器 滑动电阻式位移传感器 用于检测孔深 颜色传感器 包括颜色传感器和色标传感器 用于检测工件颜色 色标传感器形状传感器光纤传感器 光在调制区内 外界信号与光的相互作用 可能引起光的强度 波长 频率 相位 偏振态等光学性质的变化 从而形成不同的调制 抗干扰能力 传感器的分类 触觉传感器红外传感器力传感器超声传感器激光传感器电子罗盘 倾角GPS条码扫描器电子标签 欧姆龙CP1H 拥有4路高速脉冲输出和4轴高速计数功能 运算速度快 自带模拟量输入输出接口 非常适合码垛机和桌面柔性加工系统 本体价格低廉 但部分扩展模块 如Profibus总线模块和以太网模块 价格较高 三菱FX3U 拥有3路高速脉冲输出 运算速度快 适合桌面柔性加工系统和自动化输送线单元 本体价格较高 模拟量需要扩展 西门子S200系列 拥有2路低速脉冲输出 适合自动化输送线单元 本体价格低廉 但部分扩展模块价格较高 模拟量需要扩展 西门子S200XP系列 拥有2路高速脉冲输出 自带模拟量输入输出接口 适合码垛机和桌面柔性加工系统 需增加定位模块 本体价格低廉 但部分扩展模块价格较高 常用可编程控制器PLC 电气元器件 直流继电器 进行弱电的开关控制 开关电源 提供控制系统所需的直流电源 按钮 指示灯 急停按钮 负责系统运行的控制 状态指示及紧急停止 西门子PLC CPU224 控制电机正反转 一 设计思路1 用PLC控制一维运动平台实现电机的自动正反转运行及手动正反转运行 2 一维运动平台的行程两端各有一行程开关 分别定义为正向限位和负向限位 3 在电机自动正反转运行前 需对电机进行复位 复位的过程是 启动电机往负向运行 运行至负向限位后 往正向运行一段距离 将该位置作为电机自动正反转运行的初始位置 4 复位完成后 按下正转按钮 电机往正向运行一段距离 该距离通过运动包络参数设定 到位后停止 按下反转按钮 电机往负向运行一段距离 到位后停止 5 如正反转运行过程中 触动行程开关 电机停止运行 此时可通过手动正反转按钮控制电机运行离开限位开关 或按下复位按钮对平台重新复位 6 触动行程开关后 需重新复位才能进行自动正反转运行控制 7 在电机运行过程中 任何时刻均可通过 停止按钮 和 急停按钮 控制其停止运行 8 停止运行后 需重新复位才能进行自动正反转运行控制 9 复位指示灯 运行指示灯 和 停止指示灯 用来指示一维平台的运行状态 二 机械本体 三 硬件电路 S7 200CPU提供两个高速脉冲输出点 Q0 0和Q0 1 可以分别工作在PTO 脉冲串输出 和PWM 脉宽调制 状态下 使用PTO或PWM可以实现速度 位置的开环运动控制 PTO功能可以输出一串脉冲 用户可以控制脉冲的周期 频率 和个数 PWM功能可以连续输出一串占空比可调的脉冲 用户可以控制脉冲的周期和脉宽 占空比 高速脉冲输出点和普通数字量输出点共用输出映像Q0 0和Q0 1 当在Q0 0和Q0 1上激活PTO或PWM功能时 PTO PWM发生器对输出拥有控制权 输出波形不受其他影响 只有晶体管输出类型的CPU能够支持高速脉冲输出功能 包络 Profile 是一个预先定义的以位置为横坐标 以速度为纵坐标的曲线 包络是运动的图形描述 一个包络由多段组成 每一段包含一个达到目标速度的加减速过程 和以目标速度匀速运行的一串指定数量的脉冲 如果是单段运动控制或者是多段运动控制的最后一段 还应该包括一个由目标速度到停止的减速过程 PTO主要通过包络来实现位置控制 位置控制想到通过参数设置来创建包络 并用图形方式显示包络曲线 自动生成位置控制用的子程序 四 运动包络 在开始编写程序前 首先设定运动包络 步骤如下 1 双击左图所示 向导 PTO PWM 出现 脉冲输出向导 窗口 五 运动包络设定步骤 2 选择Q0 0 单击 下一步 3 选择 线性脉冲串输出 PTO 单击 下一步 4 设置项目中应用的电机最高速度 最低速度和电机启动 停止速度 5 单击 下一步 设置加减速时间 6 单击 下一步 7 点击 新包络 选择 是 8 图27灰色部分激活 在其中选择 相对位置 设置好参数 其中步0的目标位置不要设置太小 需大于加减速脉冲数之和 9 单击 确认 10 将参数 VB0 更改为 VB1000 需注意 不要在程序中再重复定义 VB1000 VB1069 单击 下一步 11 单击 完成 在弹出的对话框中选择 是 12 运动包络设置完成 在调用子程序中出现Q0 0对应的位控子程序 六 PLC程序 VD1033 运动包络加速脉冲数 VD1053 运动包络减速脉冲数 VD1080 运动包络加减速脉冲 VD1080 VD1033 VD1053 1 1 上电初始化 Q0 2 驱动器方向信号 Q0 4 复位指示灯熄灭 Q0 6 停止指示灯点亮 SM0 1 首次扫描周期时该位打开 用途是调用初始化子程序 2 电机控制子程序和初始化 EN 使能端 用SM0 0连接 保持常通 I STOP 有效时电机立即停止 D STOP 有效时电机减速停止 Done 完成标志 为 1 时表明上一指令执行完成 Error 显示错误代码 0 表示无错误 C Pos HSC计数器功能开启时 表示运行脉冲数 否则为0 PTO0 CTRL在程序中只使用一次 并且在每次扫描时得到执行 所以使用SM0 0作为EN的输入 3 复位 VD1100 复位返回脉冲数 在数据块的 用户定义1 进行设置 根据电机的减速比和驱动器的细分以及电机行程设置 VD1043 运行包络恒速段脉冲数 VD1100 VD1080 VD1043 VD60 1 运动包络运行完成标志 PTO0 CTRL中的 Done 参数 v100 1 正转运行状态 v101 3 正转结束 4 正转 I0 1 正转按钮 V100 1 正转运行状态 V101 2 复位完成标志 正反转自动运行前必须复位完成 Q0 2 电机方向 VD1104 正反转脉冲数 同VD1100参数一样 在 数据块 的 用户定义1 中设置 VD1104 VD1080 VD1043 5 反转 VD60 1 运动包络运行完成标志 PTO0 CTRL中的 Done 参数 v100 2 反转运行状态 v101 4 反转结束 I0 2 反转按钮 V100 2 反转运行状态 V101 2 复位完成标志 正反转自动运行前必须复位完成 Q0 2 电机方向 VD1104 正反转脉冲数 同VD1100参数一样 在 数据块 的 用户定义1 中设置 VD1104 VD1080 VD1043 6 手动正转 手动正转是对电机的点动控制 需要一直按住按钮 电机才能运行 运行至正限位后 即使按住按钮也不能运行 只能反向运行 7 手动反转 手动反转是对电机的点动控制 需要一直按住按钮 电机才能运行 运行至负限位后 即使按住按钮也不能运行 只能正向运行 8 紧急停止 紧急停止 运行至正负限位时 对系统的保护策略 任何情况下 按下紧急停止按钮 使系统紧急停止 9 输出 1 包络运行 EN 使能端 用SM0 0链接表示保持常通 START 参数开启时 执行运动包络 为确保命令只发送一次 使用上升沿信号 Profile 设定的运动包络编号 Abort 位控模块停止参数 开启后停止运行当前包络并减速停止 Done 完成标志 模块完成该子程序时 此参数为 1 Error 错误代码 为 0 表示无错误 C Profile 包含位控模块当前执行的轮廓 C Step 目前正在执行的轮廓步骤 C Pos 如果PTO向导的HSC计数器功能已