六自由工業機器人控制系統硬件設計

中車株洲電機有限公司 周永欣 馬文斌

六自由工業機器人控制系統硬件設計

中車株洲電機有限公司 周永欣 馬文斌

隨著工業生產飛躍發展，自動化程度迅速提高，實現工件裝卸、轉向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具加工、裝配的自動化，已愈來愈引起人們的重視。本文以六自由度工業機器人為依托，借助固高運動控制器，設計了控制系統的硬件，并通過實際運行完成對控制系統硬件的測試。

六自由度；工業機器人；固高；控制系統

1.引言

基于人工成本的不斷增長，制造業“機器換人”為大勢所趨，國內智能制造產業正在崛起。現代智能制造技術的蓬勃發展及更先進、更智能生產方式的普及，使小企業低效率、低精度的落后手工生產方式逐步發生改變，使大企業生產流程的穩定性、靈活性和高效性得以相應提升，促使龐大的高新技術產業群開始慢慢成型。中國制造業正歷一場緩慢卻深刻的變革——大量使用智能制造設備。

本文中六自由度機器人控制系統硬件部分主要構成有：一臺固高運動控制器，示教器，通用I/O模塊，交流伺服控制系統，變壓器及其它附件。硬件結構如圖所示。

系統硬件結構圖

2.運動控制器介紹

2.1 運動控制器的主要功能

(1)操作系統承載平臺，人機交互界面窗口；

(2)運動學計算，六個伺服電機協同控制的實現，是整個機器人控制系統的核心。

(3)運動示教，示教過程中控制機器人位姿變化。

(4)工作狀態顯示、記錄等功能界面。

本文中機器人涉及6個自由度，選用固高GTC系列運動控制器，此控制器是將 PC 技術與運動控制技術相結合的產物。以X86 架構的 CPU和芯片組為系統處理器，采用高性能 DSP 和FPGA 作為運動控制協處理器，可以實現高性能控制計算。延續了固高科技運動控制器可以實現高性能多軸協調運動控制和高速點位運動控制的同時，實現普通 PC 機的所有基本功能，是理想的嵌入式一體化解決方案。

2.2 運動控制器與伺服系統的連接

驅動器與運動控制器的連接如圖所示，運動控制器上的接口AXIS1、AXIS2、AXIS3、AXIS4、AXIS5、AXIS6分別接到軸1到軸6驅動器的CN1接口，控制方式選用位置控制。

運動控制器與伺服驅動端口接線圖

控制器讀驅動器的絕對位置是通過MODBUS協議。固高控制器提供了標準的232接口，臺達A2驅動器提供232和485兩種接線方式。由于臺達驅動器不支持同時使用232和485端口，因此菊花鏈按485的接線方式來做，最后用232轉485轉換器接到控制器。固高機器人系統與臺達驅動器的通訊是按1個停止位8個數據，奇校驗，波特率9600的MODBUS ASCII來通訊，形成位置全閉環。

3.伺服系統設計

本文所述智能制造設備擬用于焊接。控制系統選用臺達伺服系統，由交流伺服電機、交流伺服驅動器、光電編碼器組成閉環控制系統。臺達伺服系統具有全新的內部命令模式，應用靈活，高響應頻率1000Hz，反應快速；20位編碼器高精度定位；全閉環回路控制，可克服抗性問題；內置摩擦力補償功能，可讓機械快速轉向；撞擊力量保護功能，實時安全可靠；自動高低頻抑振功能，系統調適簡單容易，可接受高頻脈沖輸入命令4MHz；支持泛用網絡RS-485/232;高速位置擷取功能，可精準記錄位置；高速位置比較功能，可準確偵測位置；密碼保護功能，可用于保護設計機密。伺服驅動器從控制器接受脈沖信號（脈沖信號的數量和頻率決定了伺服電機的轉角和轉速）控制伺服電機轉動。伺服驅動器從編碼器獲得閉環系統的位置反饋，并同時通過絕對值轉增量編碼的方法傳送給運動控制器實現位置閉環。

為了保證斷電時機器人各關節不會隨自身重力而大幅轉動，驅動均采用帶制動器的伺服電機。電機制動器的打開由運動控制器輸出信號，通過繼電器控制制動器上的24V電源通斷來控制，運動控制器在給伺服電機伺服使能之后，需要控制該通用輸出口輸出信號，使電機制動器打開。

4.控制系統輔助功能的設計

整個控制系統除了核心硬件部分之外，還需要一些輔助部分，主要包括電控柜、電源、再生電阻、示教器和保護電路等。

4.1 電控柜

控制系統大部分硬件整合安裝到電控柜中，電控柜的設計要符合外形美觀、操作方便等原則。電控柜的設計布局及電氣原理如圖所示。

控制柜設計及電氣圖

在內部布局上盡量避免了電路間的信號干擾，將硬件部分主要分成伺服驅動單元、運動控制器、直流電源、交流電源、濾波器、安全保護電路、接觸器、繼電器等幾個模塊。伺服驅動單元位于最上面，然后下面是斷路器、接觸器、中間繼電器等、然后下邊是接線端子、濾波器和運動控制器，在控制柜最下層的是交流電源，直流電源，布線位于各器件中間。

4.2 電源和保護電路

系統需要的電源支持主要有伺服驅動器所需的三相220V交流電源，控制器控制接口和開關繼電器所需的24V直流穩壓電源。三相220V交流電源選用三相380V轉220V干式隔離伺服變壓器，24V直流穩壓電源先選用500W控制隔離干式變壓器將三相380V交流電轉為單220V交流電然后選用明緯導軌式安裝開關電源轉為24V直流穩壓電源。

4.3 回生電阻

當電機的輸出力矩和轉速的方向相反時，它代表能量從負載端回饋至驅動器內。此能量灌注DCBus中的電容使得其電壓值往上升。當上升到某一值時，回饋的能量只能靠回生電阻來消耗。驅動器內含回生電阻，當驅動器內回生電阻功率不夠時需要外接回生電阻。經過計算給最大功率電機串聯接入兩個1Kw回生電阻。

4.4 示教器

機器人采用的示教器為GRP3000，顯示為7寸4:3的液晶觸摸顯示屏，并配置了eHMI（千兆網人機界面接口）通訊電纜，同時還有多個薄膜按鍵和3位的鑰匙開關及2位的安全開關。顯示屏通過eHMI連接到運動控制器上，以運動控制器的圖像信息顯示到示教器的顯示屏上，通過示教器的觸摸屏及薄膜按鍵完成對整個機器人的控制。

5 結論

本文針對六自由度機器人，設計了整體的硬件結構，介紹了運動控制器的選擇及其特點、并介紹了伺服系統及輔助電氣系統部分的內容。

[1]李偉．六自由度關節式機器人控制系統開發．碩士論文,華東理工大學,2014．

[2]王殿君,劉淑晶．六自由度模塊化機器人控制系統設計．制造業自動化,2015,06．

周永欣（1988-），男，湖南湘鄉人，碩士，中車株洲電機有限公司助理工程師，研究方向：機電控制。