工业机器人集成与应用-第2章 工业机器人控制系统介绍

第2章工业机器人控制系统介绍——遨博机器人学院2.3工业机器人控制器使用介绍本章目录2.1工业机器人控制系统结构介绍2.4工业机器人示教器介绍2.2工业机器人控制器接口介绍2.5思考与练习本章要求

知识目标了解工业机器人控制系统结构；了解工业机器人控制器各种接口；了解工业机器人示教器界面。本章要求

技能目标初步学会连接工业机器人控制器各种接口接线方法；初步学会使用工业机器人示教器功能应用。2.1工业机器人控制系统结构介绍工业机器人控制系统介绍2.1工业机器人控制系统结构介绍工业机器人的控制系统相当于人脑，其根据工业机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能。若工业机器人不具备信息反馈的特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。工业机器人控制器一般安装在执行部件的位置检测元件（如光电编码器）和速度检测单元（如测速电动机）中，可将检测量反馈到控制器中，用于闭环控制。2.1工业机器人控制系统结构介绍控制系统可分成两大部分：一部分用于对工业机器人运动进行控制，另一部分用于工业机器人与周边设备的协调控制。如图所示，工业机器人的控制器结构分为人机界面部分和运动控制部分。人机界面部分的功能有显示、通信、作业条件等，运动控制部分的功能有运动计算、伺服控制、输入输出控制（PLC功能）、传感器控制等。2.1工业机器人控制系统结构介绍工业机器人中的控制器包括主控计算机和关节伺服控制器。如图所示，主控计算机主要根据作业要求完成编程，并发出指令控制各个伺服驱动装置，使各个杆件协调工作，同时还要完成环境状况、周边设备之间的信息传递和协调工作。关节伺服控制器主要根据主控计算机的指令，按作业任务的要求驱动各关节运动，包括实现驱动单元的伺服控制、轨迹插补计算，以及系统状态的监测。2.1工业机器人控制系统结构介绍控制系统是工业机器人的核心。包含软件和硬件两部分。软件部分主要包括运动控制算法、示教器人机交互界面等各种功能程序代码的集合，硬件部分则为工业机器人的控制柜。本章以AUBO-i5工业机器人为例，系统地介绍工业机器人控制系统的组成和使用。图中展示了AUBO-i5工业机器人控制系统的结构组成，即控制柜的主要组成。示教器是人机交互的接口，绝大多数操作都需要通过示教器来完成。输入输出接口主要用于扩展控制柜的功能，使控制柜使用更加灵活。其他还包括各类指示灯、电源开关和急停开关等。AUBO-i5工业机器人控制系统结构组成2.2工业机器人控制器介绍工业机器人控制系统介绍2.2.1使用安全注意事项如图所示，红框区域为交流100-240V和直流48V危险区，请勿直接用手碰触紧固螺钉和其它金属器件，切忌带电拆除接线。使用前注意事项（1）检查控制柜电源接头是否连接完好；（2）检查控制柜与机器人是否连接完好；（3）检查控制柜与示教器是否连接完好；（4）检查控制柜支撑牢固、水平、不晃动。箱内有100V-240V交流和48V直流危险电压，非专业人士请勿带电打开机柜。2.2工业机器人控制器接口介绍控制柜高电压区域示意图2.2.2控制柜面板按钮介绍2.2工业机器人控制器接口介绍控制柜前面板按钮名称功能POWERSWITCH总电源开关，1为通电状态，0为断电状态EMERGENCY机器人紧急停止按键，按下后机器人断电STANDBY指示灯亮表示控制柜接口板程序初始化完成，可以按下示教器电源按钮给机器人上电POWER指示灯亮表示外部电源接通EMERGENCYSTOP指示灯亮表示机器人处于急停状态MODEMANUAL/LINKAGE机器人手动模式和联动模式选择。按下按钮，机器人进入联动模式MANIPULATORON按下后机器人电源接通，指示灯亮表示机器人电源接通TEACHPENDANTENABLE示教器使能状态显示，手动模式下，指示灯常亮。联动模式下，指示灯灭表示可不使用示教器2.3工业机器人控制器接口介绍工业机器人控制系统介绍2.3工业机器人控制器接口介绍为了满足不同用户的使用需求，工业机器人控制器通常会提供许多电气接口。工业机器人常见的电气接口包括：通用输入/输出接口、工具输入/输出接口、安全输入/输出接口以及通信接口等。本小节将以AUBO-i5工业机器人控制柜为例，简要介绍各种电气接口的含义与功能。如图控制柜接口所示。控制柜接口2.3工业机器人控制器接口介绍2.3.1通用输入/输出接口工业机器人控制通用输入/输出接口可满足大多数用户对数字信号和模拟信号的控制需求。通用输入/输出接口主要包括数字信号输入接口、数字信号输出接口、模拟信号输入接口和模拟信号输出接口。在本小节，将简要介绍这四个通用输入/输出接口的功能。（1）数字信号输入接口：用于读取开关按钮、传感器、PLC（ProgrammableLogicController）和工业机器人的动作信号等；（2）数字输出接口：可直接控制负载，也可和PLC或工业机器人通信；（3）模拟电压输入接口：用于读取外部传入的模拟电压信号，用户可根据读取的电压值进行各类控制；（4）模拟信号输出接口：可输出用户期望的电压控制信号和电流控制信号，实现对外部设备的控制功能。在使用工业机器人控制器的通用输入/输出接口时，务必需要了解接口的电气性能，如数字信号接口耐压范围、模拟信号输入/输出范围以及各类接口信号的输入/输出精度等。2.3工业机器人控制器接口介绍2.3.2工具输入/输出接口工业机器人通常在靠近机器人末端位置提供一些电气接口，用户可使用这些接口为机器人末端使用的特定工具（夹持器等）提供电源和控制信号。这些电气接口同样包括数字信号输入/输出接口和模拟信号输入/输出接口。用户在使用工具输入输出接口时，同样务必先了解该接口的电气性能。工具输入/输出接口2.3工业机器人控制器接口介绍2.3.3安全输入/输出接口为了保证运行安全，工业机器人控制器通常会提供安全输入/输出接口。以AUBO-i5工业机器人为例，其安全输入/输出接口均具备双回路安全通道（冗余设计），可确保在发生单一故障时不会丧失安全功能。在使用时，安全装置及设备必须按照安全说明安装，并经过全面的风险评估后，方可使用。安全输入/输出接口2.3工业机器人控制器接口介绍2.3.4通信接口工业机器人控制器通常会提供多种通信接口，包括以太网接口、R232接口、USB（UniversalSerialBus）接口等。各个接口的应用为：（1）以太网接口可用于工业机器人的远程访问和控制。（2）USB接口可用于更新软件，导入导出工程文件。（3）R232串口接口可连接至串口设备。（4）以太网及USB接口均可连接到系统工控单元。2.4工业机器人示教器介绍工业机器人控制系统介绍2.4工业机器人示教器介绍2.4.1示教器面板组成示教器是AUBO机器人重要的组成部分，用户通过示教器可读取机器人的日志信息，可用示教的方式让机器人动作，还可对机器人进行简单编程。示教器主要包括：一块12.1寸LCD（

LiquidCrystalDisplay

）触摸屏、一个电源开关、一个急停按钮、一个力控开关和一个示教器连接线插口。LCD触摸屏不仅可向用户清晰展现机器人运动的细节及位置姿态参数等，还可方便用户操作，所有操作都可通过直接单击屏幕来完成。力控开关属于三位置使能开关，可实现回避危险的OFF（放开）⇒ON⇒OFF（按压）的三位置动作，当开关处于ON状态时，可拖动机器人进行示教操作。2.4工业机器人示教器介绍（1）打开示教器按下屏幕左上方电源开关约1s，电源蓝色灯光亮起，示教器上电。（2）关闭示教器关闭示教器软件关机和电源关机两种方式。软件关机：点击示教器操作界面右上角关机图标。电源关机：长按电源开关按钮直到关机。2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍1.初始界面“碰撞等级”为安全等级设置，共有1-10个安全等级。等级越高，机械臂碰撞检测后停止所需的力越小，第6级为默认等级。“工具名称”默认选择的是flange_center（工具法兰中心）。示教器软件开机后会弹出窗口2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍2.机械臂示教界面如图所示，机械臂示教界面是人机交互的操作与控制界面，用户可单击界面上的图标来移动机器人，同时，界面也会将机器人的运动信息反馈给用户。机器人示教界面2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍2.机械臂示教界面界面各部分名称和功能如表所示编号名称功能说明1软件关闭按钮关闭示教器2面板选择包括机械臂示教、在线编程、设置等3机器人3D仿真界面仿真机械臂模式下显示机械臂的状态4步进控制被控制的变量以步进的方式精确变化5位置控制实现对末端执行器进行不同坐标系下的示教6机器人实时状态末端位置、姿态参数显示显示机器人末端的位置和姿态，默认为工具法兰中心7姿态控制控制机器人末端的姿态8关节轴控制控制每个机械臂关节的转动，“+”表示该关节中的电机逆时针转动，“-”表示该关节中的电机顺时针转动9零位姿态，初始位姿长按可使机械臂回到零位姿态和初始姿态10机器人时间显示、运动速度控制及显示通过控制滑条来调整机械臂示教时的运动速度2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍3.在线编程界面AUBO-i5机器人提供了便捷的编程方法，用户仅需少量的编程基础即可对AUBO-i5进行编程，极大的提高了工作效率。用户对AUBO-i5的编程主要在在线编程面板里进行。如图所示，该面板分为3部分：左侧为工具栏，中间为逻辑树，右侧为功能操作区域。示教器在线编程界面2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍3.在线编程界面逻辑树的功能和使用介绍如下。1）程序逻辑列表在程序逻辑列表中，命令以树形排列，便于用户阅读修改程序。2）运动控制拖动运动限制滑块可限制工程运行速度，目前只针对Move函数下的运行速度控制。示教器逻辑树2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍3.在线编程界面逻辑树的功能和使用介绍如下。3）程序控制按钮（1）暂停：在机器人运行过程中，单击“暂停”可暂停机器人的运动，单击“继续”，机器人继续动作。（2）停止：在机器人运行过程中，单击“停止”可停止机器人运动，若要让机器人重新动作，只有单击“开始”，且只能按程序从头开始运行。（3）单步：单击“单步”，机器人将按照程序逻辑（NewProject）顺序执行第一个路点程序，再单击则执行下一个路点程序。示教器逻辑树2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍3.在线编程界面逻辑树的功能和使用介绍如下。4）程序操作按钮。（1）撤销命令：撤销是程序编辑控制指令，可恢复到上次的程序编辑状态，最多可撤销30次。单击撤销按钮可恢复到上次的程序编辑状态。（2）撤销恢复命令：撤销恢复是程序编辑控制指令，可恢复上次的撤销命令。单击恢复撤销按钮可恢复到上次撤销命令。（3）剪切、复制、粘贴命令：剪切、复制和粘贴命令是程序编辑控制指令，可实现对程序段的剪切、复制、粘贴操作。（4）删除命令：删除是程序编辑控制指令，可删除同级目录下的程序段。示教器逻辑树2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍3.在线编程界面左侧各个选项卡的功能如表所示。选项卡名称功能说明工程编写一个新的程序，必须新建一个工程，程序是以工程的形式保存的过程过程工程，可编辑复用的程序段，可很方便地加载到其它项目程序段中条件条件选项卡是编程环境里最重要的部分，包含基础条件、高级条件及外设条件，用于编写命令及对选中命令状态进行配置配置进行变量配置和记录轨迹状态查看变量状态，设置定时器并进行仿真脚本对脚本文件进行编辑、新建、加载及保存处理2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍4.设置界面1）I/O设置界面I/O设置界面分为：控制器I/O设置用户I/O设置工具I/O设置I/O设置界面2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍4.设置界面1）I/O设置界面控制器I/O设置可实现机械臂与外部一台或多台设备（机械臂等）通信，从而进行协同运动。安全I/O接口保持冗余配置可确保单一故障不会导致安全功能失效。用户I/O设置：DI和DO为通用数字I/O，共有16路输入和16路输出，可直接驱动继电器等电器设备。工具I/O设置：末端工具的I/O设置状态显示。用户通过管脚3/4/5/7可配置4路数字I/O，管脚6/8可配置为模拟输入，模拟电压输出范围为0-10V，管脚2可配置0V、12V和24V三种电压输出。2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍4.设置界面2）初始位姿标定设置初始位姿可操作机器人示教界面或拖动示教来移动机械臂，设定机器人初始的位置，设置完成后同步到示教界面下方的初始位姿。初始位置标定2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍4.设置界面3）工具标定工具标定分工具标定、工具运动学标定和工具动力学标定三个标定界面。应先标定工具的运动学参数和动力学参数后，再进入工具标定界面，为工具选择一个运动学和动力学属性，输入工具名称，之后添加工具。工具标定2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍4.设置界面3）工具标定工具标定中的工具运动学标定包括位置标定和姿态标定。标定位置参数需要大于等于4个路点，标定姿态参数需要有且仅有两个路点（不计参考点），删除按钮功能为删除左侧列表中选中的标定路点。在标定工具运动学参数之前，请先确保机械臂已安装好工具。建议先确定位置标定点，之后确定姿态标定点。工具标定2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍4.设置界面4）坐标系标定坐标系有九种类型，分别为：xOy、yOz、zOx、xOxy、xOxz、yOyz、yOyx、zOzx、zOzy。坐标系标定时先确定所标定坐标系的类型，通过坐标系标定方法选择所需的坐标系类型。然后选中CalibrationMode模式的Point1，单击“SetPoint”，进入示教界面，标定坐标系原点。用同样的方法标定Point2和Point3。输入坐标系名称，单击“Add”按钮保存坐标系参数。坐标系标定2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍4.设置界面5）安全配置安全设置主要包括缩减模式重置防护停止操作模式选项安全配置2.4工业机器人示教器介绍2.4.2示教器软件介绍4.设置界面5）安全配置缩减模式：该模式被激活后，机械臂在关节空间中的运动速度将受到限制，相应文本框中的数值即为各关节运动速度的极限值。重置防护停止：选择“手动重置”时