工业机器人应用系统-项目二 教案

备注教学内容工业机器人应用系统集成教案备注教学内容项目二运动控制模块系统集成技术应用工业机器人工作站（或生产线）属于一种现代自动化设备，这类设备工作时虽然会尽量减少人的参与，但是也正是少了人的参与才需要对设备每一个运动过程实施精准的控制，才能最终达到替代人去精准地完成某种工作的目的，因此，对于每一台自动化设备来说，其运动控制模块都是核心系统。工业机器人应用系统集成时，工业机器人本体的运动控制已经由制造商完成，集成时只需根据要实现的工艺过程进行精度等技术指标的选型即可，其他配套设备中凡是涉及具有运动功能的也要进行类似的选型配置，尤其是机器人用户自己设计的一些运动设备或机构装置，在集成设计时必须考虑合适的运动控制方法，用经济、合理的方法去实现工业机器人工作站系统功能所需的运动控制。本项目讲解了变频器控制和伺服控制两个目前最常见的运动控制方法，对两种控制方法的概念、意义等方面进行了详细了阐述，并安排了两个针对性的任务，进一步说明两种控制方法的实际意义和区别。最后对运动控制目前在工业机器人应用系统集成时最典型的表现形式——人机交互系统的应用进行了讲解和实践。学习者从上面三个方面安排的内容，可以清晰领会到自动化生产设备中的运动功能是如何实现的。任务1变频控制技术应用由于工业机器人的运动控制已经是在出厂时就已经决定好了的，使用机器人时只是选择应用，因此工业机器人应用系统集成时的运动控制技术多集中在其他周边辅助设备上，尤其是需要设计一些可以运动的非标设备或者运动机构时。在一些相对简单的工业机器人应用场合里，对于电动机运行速度的控制实际上要求并不复杂，也不需要速度有太频繁的或者大范围的变化要求，经常是需要几个档位的速度控制就能满足实际使用需求，因此变频器的多段速控制能力是一个十分实用的功能。本次任务从介绍变频器的概念、主要类型及选用原则等基础专业知识出发，通过“直流电动机三段速正反转变频控制”任务的实施，使学习者更加直观的了解变频器在机电设备运动控制中的使用方法。一、认识变频器通俗地讲，变频器就是一种静止式的交流电源供电装置，其功能是将工频交流电（三相或单相）变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器的概念描述为：利用电力电子器件的通断作用将电压和频率固定不变的工频交流电源变换成电压和频率可变的交流电源，供给交流电动机实现软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能的电能变换控制装置称作变频器，其英文简称为变频器的控制对象是三相交流异步电动机和同步电动机，标准控制电动机级数是2/4级。变频电气传动的优势有：1、平滑软启动，降低起动冲击电流，减少变压器占有量，确保电动机安全；2、在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度；3、无级调速，调速精度大大提高；4、电动机正反向无需通过接触器切换；5、方便接入通信网络控制，实现生产自动化控制。二、变频器的分类变频器的分类有以下几种形式。1、按直流电源的性质分类变频器中间直流环节用于缓冲无功功率的储能元件可以是电容或是电感，据此变频器可分成电压型变频器和电流型变频器两大类。2、按变换环节分类3、按输出电压调节方式分类变频调速时，需要同时调节逆变器的输出电压和频率，以保证电动机主磁通的恒定。对输出电压的调节主要有PAM方式和PWM方式两种。4、按控制方式分类5、按电压等级分类6、按用途分类三、变频器的选用通用变频器的选择包括变频器的形式选择和容量选择两个方面内容。选择原则：要根据工艺环节、负载的具体要求选择性价比相对较高的品牌、类型及容量。1、变频器的类型的选择变频器有许多种类型，主要根据负载的要求来进行选择。2、变频器品牌型号的选择作为变频调速系统的核心设备，变频器的品质对于整个系统的可靠性影响很大。选择品牌时，其质量品质，尤其是与可靠性相关的质量品质，显然是选择时需要重要考虑的方面。3、变频器规格的选择4、变频器容量的选择变频器的容量可从3个方面表示：额定输出电流（A），变频器可以连续输出的最大交流电流有效值；输出容量（kV•A），决定于额定输出电流与额定输出电压的三相视在输出功率；适用电动机功率（kW），以2、4极的标准电动机为对象，表示在额定输出电流以内可以驱动的电动机功率。5、变频器外围设备的选择变频器的运行离不开外围设备，变频器的外围设备在实际应用中并不一定全部都要选配齐全，主要还是根据所需进行外围设备的选配。四、直流电动机与交流电动机与液压驱动和气压驱动相比，电力驱动是比较容易的获得的驱动方式，因此电动机常常被用于给各种各样的运动装备提供动力。电机（英文：ElectricMachinery，俗称“马达”）是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。分为电动机（符号为M）和发电机（符号为G）。任务2伺服控制技术应用作为控制电机的一种，步进电机可以通过控制脉冲数量达到精准控制步进电机转动角度的目的，再通过数学换算就可以实现对运行速度或者距离的控制，因此步进电机常被用作开环伺服控制的主要驱动方式。但是在一些应用场合中，需要对步进电机的工作状态根据需要进行切换，如丝杠滑台在特定位置需要进行步进电机的启/停，此时仅靠步进电机特性实施开环伺服控制就不够用了，必须通过外部辅助检测，实现步进电机的闭环伺服控制，以到达精准的位置控制。本次任务对机电伺服系统进行了的讲解，从伺服系统的发展、分类、组成及特点等主要方面进行了系统的论述，并通过一个开环系统改造的任务，加深学习者对伺服控技术应用的认识。一、认识机电伺服系统伺服系统又称随动系统，用来控制被控对象的某种状态，使其能够自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律的反馈控制系统。伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能得到精准方便的控制。随着现代科学技术的飞速发展，伺服控制已经发展成为一门多学科的综合技术门类，微电子与计算机技术也渗透到伺服控制系统的各个环节，成为控制技术的核心。根据预定控制方案和面对复杂环境实现各类运动，并使之达到规定的技术性能指标，将计算机的决策、指令变为所期望的机械运动，是现代机电伺服系统的主要任务。伺服系统可以按驱动方式、功能特征和控制方式等进行分类。二、机电伺服系统的组成及特点1、机电伺服系统的组成机电伺服系统主要由伺服驱动装置和驱动元件（执行元件、伺服电动机）组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。机电伺服系统的组成主要由控制器、被控对象、执行环节、检测环节和比较环节五部分组成。三、步进电机与伺服电机无论是工业机器人本体中，还是进行应用系统集成时选配或设计的可以运动的设备或机构，存在大量不同种类的电动机设备，工业机器人应用系统集成中的电动机选用，要从电动机的驱动能力和控制能力两个大方面进行考虑，才能有效的实现运动控制。在工业机器人应用系统集成中常用的电动机类型属于控制电机类，主要有步进电机和伺服电机两种。控制电机的主要任各是转换和传递控制信号步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，通过控制步进电机的电脉冲频率和脉冲数，可以很方便地控制其速度和角位移，而且步进电机的误差不积累，可以达到精确定位的目的，因此它广泛应用在经济型数控机床、雕刻机和工业机器人等定位控制系统中。任务3组态控制技术应用人机交互或人机互动（英文：Human–ComputerInteraction或Human–MachineInteraction，简称HCI或HMI）是一门研究系统与用户之间的交互关系的学科，这里的系统可以是各种各样的机器，也可以是计算机化的系统和软件。人机交互界面通常是指用户可见的部分，用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。现如今，人机交互界面几乎随处可见，小如收音机的播放面板，大到飞机的控制仪表板，或发电厂的控制室。本次任务以组态技术基本知识为出发点，着重讲述了人机交互组态软件及其使用方法，并通过任务的实施，对人机界面设计方法在直流电动机运动控制中的实际应用进行了重点突破。一、认识组态与组态软件1、组态与组态软件的含义在使用工业控制软件时，人们经常提到“组态”一词。与硬件生产相对照，组态与组装类似。如要组装一台计算机，事先提供了各种型号的主板、机箱、电源、CPU、显示器、硬盘及光驱等，我们的工作就是用这些部件拼凑成需要的计算机。当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间，因为它一般要比硬件中的“部件”更多，而且每个“部件’都很灵活，可以通过改变软件的内部属性进而改变其规格（如大小、形状和颜色等）。组态（Configuration）有设置、配置等含义，就是模块的任意组合。在软件领域内，是指操作人员根据应用对象及控制任务的要求，配置用户应用软件的过程（包括对象的定义制作和编辑，对象状态特征属性参数的设定等），即使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到让计算机或软件按照预先设置自动执行特定任务、满足使用者要求的目的，也就是把组态软件视为“应用程序生成器”。组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统控制层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式（而不是编程方式）为用户提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，它解决了控制系统通用性问题。其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成控制层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机界面）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。在工业控制中，组态一般是指通过对软件采用非编程的操作方式，主要有参数填写、图形连接和文件生成等，使得软件乃至整个系统具有某种指定的功能。由于用户对计算机控制系统的要求千差万别（包括流程画面、系统结构、报表格式和报警要求等），而开发商又不可能专门为每个用户去进行开发。所以，只能是事先开发好一套具有一定通用性的软件开发平台，生产（或者选择）若干种规格的硬件模块（如I/O模块、通信模块和现场控制模块）、然后，再根据用户的要求在软件开发平台上进行二次开发，以及进行硬件模块的连接。这种软件的二次开发工作就称为组态。相应的软件开发平台就称为控制组态软件，简称组态软件。计算机控制系统在完成组态之前只是一些硬件和软件的集合体，只有通过组态才能使其成为一个具体的满足生产过程需要的应用系统。二、组态软件的功能和特点1、组态软件通常有以下几方面的功能。（1）强大的界面显示组态功能（2）良好的开放性（3）丰富的功能模块（4）强大的数据库（5）可编程的命令语言（6）周密的系统安全防范（7）仿真功能2、组态软件的特点通用组态软件主要特点如下：（1）封装性（2）开放性（3）通用性（4）方便性（5）组态性三、组态软件的构成与组态方式1、组态软件的系统构成目前世界上组态软件的种类繁多，仅国产的组态软件就有30多种，其设计思想、应用对象都相差很大，因此，很难用一个统一的模型来进行描述。但是，组态软件在技术特点上有以下几点是共同的：提供开发环境和运行环境；采用客户/服务器模式，软件采用组件方式构成；采用DDE、OLE、COM/DCOM、ActiveX技术；提供诸如ODBC、OPC、AP接口支持分布式应用；支持多种系统结构，如单用户、多用户（网络），甚至多层网络结构；支持Internet应用。四、组态软件的使用组态软件通过I/O驱动程序从现场I/O设备获得实时数据，对数据进行必要的加工后一方面以图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给I/O设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。具体的工程应用必须经过完整、详细