工業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)設(shè)計分析

王圓星，陳 鵬，李洪誼，郭洪月

（沈陽通用機器人技術(shù)股份有限公司，遼寧 沈陽 110179）

工業(yè)機器人主要是指工業(yè)行業(yè)中從事相關(guān)生產(chǎn)、運輸、存儲等的智能機器助手，而其電氣控制系統(tǒng)是掌控和命令工業(yè)機器人的核心程序。電氣控制系統(tǒng)的完善和健全是保障工業(yè)機器人穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，同時也是提高工業(yè)行業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率的重點，但電氣控制系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜而又困難，是工業(yè)領(lǐng)域中必須要攻克的一大重難點。

1 工業(yè)機器人

工業(yè)機器人是當前工業(yè)行業(yè)提高生產(chǎn)效率和安全性的有效手段，主要是由機器主體、驅(qū)動系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)構(gòu)成，同時還包含機器人座機、執(zhí)行機構(gòu)等，一般情況下有著3-6個自由度。其中，驅(qū)動系統(tǒng)主要構(gòu)成要素是傳動裝置與電力裝置，運行目標是執(zhí)行相關(guān)操作明命令和動作來完成生產(chǎn)作業(yè)，而智能控制系統(tǒng)是執(zhí)行機構(gòu)與驅(qū)動裝置的核心指令發(fā)送區(qū)，用以傳送操作命令控制機器人的行為操作。在工業(yè)領(lǐng)域中，常見工業(yè)機器人有直角坐標機器人、Delta 機器人、4/6自由度標準機器人等，這些類型的機器人在工業(yè)生產(chǎn)中主要負責焊接、運輸、噴漆、切割和測量等項目。一個完整的工業(yè)機器人在工作中需要機械系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)、示教盒、命令軟件等技術(shù)支撐，從科技角度來說它有幾下幾方面工作優(yōu)勢：

2 工業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)

上位計算機、運動控制器、驅(qū)動系統(tǒng)、電動機、命令執(zhí)行機構(gòu)等是構(gòu)成工業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)的主要構(gòu)件，但最重要的是計算機操控系統(tǒng)，也就是微型機、微處理器構(gòu)成的調(diào)度指揮程序，這只保障成功操作機器人作業(yè)的關(guān)鍵。而工業(yè)機器人的工作軌跡和工作參數(shù)設(shè)定則是示教盒完成的，同時示教盒還承擔著人機交換操作的重任，它有著獨立的CPU 處理中心和存儲單元，能保證實現(xiàn)與核心控制計算機之間的新信息交換和交流，確保串行通信實現(xiàn)高效率完成操作指令。

除此之外，電動機是工業(yè)機器人實現(xiàn)動能操作的重點，其主要構(gòu)成是進步電機、直流伺服電機或交流伺服電機。其中進步電機能充分實現(xiàn)電脈沖信號的有效變換，促進轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或者直線位移執(zhí)行元件，其結(jié)構(gòu)簡單、維護便捷、可靠性高；而直流伺服電機最大的特點是控制功率損耗小、啟動與制動效率高；但交流伺服電機與前兩個不同，它主要是工作范圍大、電機體積和重量小，在工作中更好移動和養(yǎng)護。

3 分析工業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 集中操控系統(tǒng)

對于工業(yè)機器人來說，一臺計算機就能輕松實現(xiàn)集中控制，主要是因為其集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易實現(xiàn)。工業(yè)機器人集中控制系統(tǒng)需要多種控制卡、可通過PCI 插槽和標準串口，這也使其呈現(xiàn)出一定的開放性特點。同時該集中控制系統(tǒng)對于信息的采集和分析十分便捷，整體協(xié)調(diào)性極佳，但不可忽視的是它也有一定的不足之處，比如問題影響范圍大、靈活性不夠等。

3.2 主從控制系統(tǒng)

工業(yè)行業(yè)機器人的主從控制系統(tǒng)是主從兩級處理器組成且實現(xiàn)控制目的。其中主控制系統(tǒng)主要控制工作是坐標變換、運動軌跡生成、高效管理、系統(tǒng)問題診斷等，是工業(yè)機器人作業(yè)期間的管家和自動維護程序。而從控制系統(tǒng)的主要負責內(nèi)容是機器人的關(guān)節(jié)運動控制，也就是常見的機器人擺臂、屈膝等動作指令實現(xiàn)。主從控制系統(tǒng)對于工業(yè)機器人操作來講主要優(yōu)點是實時性強，對于高精度、高速度的操作要求能更好實現(xiàn)。

3.3 分散控制系統(tǒng)

工業(yè)機器人的分散控制系統(tǒng)是指將核心控制系統(tǒng)進行模塊劃分，并給每一模塊都分配不同控制任務(wù)，然后在總系統(tǒng)的帶領(lǐng)下實現(xiàn)分工合作和統(tǒng)一，并實現(xiàn)與子系統(tǒng)之間的高效協(xié)調(diào)完成控制目標。分散控制系統(tǒng)中，子系統(tǒng)的控制器由不同控制對象和設(shè)備組成，主要信息通訊依靠互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)，這一點的優(yōu)勢是擴展性強、實時性好。

3.4 機器人核心控制器

核心控制器是工業(yè)機器人的關(guān)鍵構(gòu)件，是保障機器人可以有效完成指令進行作業(yè)的重要裝置，與機器人的整體工作性能息息相關(guān)。機器人核心控制器能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，在一定程度上保證了有效提高工作質(zhì)量和效率，同時與計算機和互聯(lián)網(wǎng)之間的互通促進了工業(yè)生產(chǎn)時的多功能操作實現(xiàn)。此外，控制器對于機器人的控制分為并行、串行兩種，并行主要是實現(xiàn)機器人操作時的控制算法并行處理，串行則是控制算法的串行機處理。總體來說，機器人核心控制器在工業(yè)生產(chǎn)中有著實時性高、通信性強、人機高效合作的優(yōu)勢，對于機器人的開放性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計意義重大，從科技發(fā)展角度來說有利于工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能化、自動化。

3.5 智能編碼器

對于機器人而言，智能編碼器是實現(xiàn)對控制對象的實際位置檢測和實施系統(tǒng)控制的關(guān)鍵，編碼器類型有直線型、旋轉(zhuǎn)型、增量式、絕對式四種。其中旋轉(zhuǎn)編碼器的主要構(gòu)成元件是發(fā)射器、碼盤、檢測組織，發(fā)射器主要是指光源、碼盤是光柵盤，檢測組織是處理檢測信號的電路板。絕對編碼器的運行是利用刻線碼道，依次按照2線、4線、8線、16線進行刻線編碼，每一次的讀碼是2的零次方至2的n-1次方的惟一二進制代碼，最終形成了不受電信號干擾地光碼盤機械位置編碼。增量編碼有著最大的特點，結(jié)構(gòu)簡單、精度高、資源成本低，對于實現(xiàn)無接觸測量和廣泛測角十分有效，并且對于測速也有一定作用，只不過脈沖信號傳輸存在干擾問題這一點還需要進行改進，以避免產(chǎn)生更大的誤差而影響工業(yè)生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，工業(yè)領(lǐng)域中的工業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜而又艱難，對于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)制造而言是至關(guān)重要的工作內(nèi)容。工業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)設(shè)計中集中操控系統(tǒng)、主從控制系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)、機器人控制器、編碼器等都是非常重要的內(nèi)容，需要設(shè)計者以及研發(fā)制造者不斷的進行完善，從而保障工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，促進工業(yè)行業(yè)發(fā)展逐漸走向智能化、自動化，在保證工業(yè)領(lǐng)域安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上有效增強國家經(jīng)濟增長，確保國家在當前經(jīng)濟全球化背景下的國家地位與核心競爭力。