工業機器人電氣控制系統設計分析

王圓星，陳 鵬，李洪誼，郭洪月

（沈陽通用機器人技術股份有限公司，遼寧 沈陽 110179）

工業機器人主要是指工業行業中從事相關生產、運輸、存儲等的智能機器助手，而其電氣控制系統是掌控和命令工業機器人的核心程序。電氣控制系統的完善和健全是保障工業機器人穩定工作的關鍵，同時也是提高工業行業生產質量和效率的重點，但電氣控制系統設計復雜而又困難，是工業領域中必須要攻克的一大重難點。

1 工業機器人

工業機器人是當前工業行業提高生產效率和安全性的有效手段，主要是由機器主體、驅動系統、智能控制系統構成，同時還包含機器人座機、執行機構等，一般情況下有著3-6個自由度。其中，驅動系統主要構成要素是傳動裝置與電力裝置，運行目標是執行相關操作明命令和動作來完成生產作業，而智能控制系統是執行機構與驅動裝置的核心指令發送區，用以傳送操作命令控制機器人的行為操作。在工業領域中，常見工業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生產中主要負責焊接、運輸、噴漆、切割和測量等項目。一個完整的工業機器人在工作中需要機械系統、電力控制系統、示教盒、命令軟件等技術支撐，從科技角度來說它有幾下幾方面工作優勢：

2 工業機器人電氣控制系統

上位計算機、運動控制器、驅動系統、電動機、命令執行機構等是構成工業機器人電氣控制系統的主要構件，但最重要的是計算機操控系統，也就是微型機、微處理器構成的調度指揮程序，這只保障成功操作機器人作業的關鍵。而工業機器人的工作軌跡和工作參數設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，確保串行通信實現高效率完成操作指令。

除此之外，電動機是工業機器人實現動能操作的重點，其主要構成是進步電機、直流伺服電機或交流伺服電機。其中進步電機能充分實現電脈沖信號的有效變換，促進轉換成相應的角位移或者直線位移執行元件，其結構簡單、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護。

3 分析工業機器人電氣控制系統設計

3.1 集中操控系統

對于工業機器人來說，一臺計算機就能輕松實現集中控制，主要是因為其集中控制系統結構簡單、成本低、易實現。工業機器人集中控制系統需要多種控制卡、可通過PCI 插槽和標準串口，這也使其呈現出一定的開放性特點。同時該集中控制系統對于信息的采集和分析十分便捷，整體協調性極佳，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

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

3.3 分散控制系統

工業機器人的分散控制系統是指將核心控制系統進行模塊劃分，并給每一模塊都分配不同控制任務，然后在總系統的帶領下實現分工合作和統一，并實現與子系統之間的高效協調完成控制目標。分散控制系統中，子系統的控制器由不同控制對象和設備組成，主要信息通訊依靠互聯網實現，這一點的優勢是擴展性強、實時性好。

3.4 機器人核心控制器

核心控制器是工業機器人的關鍵構件，是保障機器人可以有效完成指令進行作業的重要裝置，與機器人的整體工作性能息息相關。機器人核心控制器能實現網絡通信，在一定程度上保證了有效提高工作質量和效率，同時與計算機和互聯網之間的互通促進了工業生產時的多功能操作實現。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生產中有著實時性高、通信性強、人機高效合作的優勢，對于機器人的開放性系統結構和模塊化設計意義重大，從科技發展角度來說有利于工業領域實現智能化、自動化。

3.5 智能編碼器

對于機器人而言，智能編碼器是實現對控制對象的實際位置檢測和實施系統控制的關鍵，編碼器類型有直線型、旋轉型、增量式、絕對式四種。其中旋轉編碼器的主要構成元件是發射器、碼盤、檢測組織，發射器主要是指光源、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，結構簡單、精度高、資源成本低，對于實現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，以避免產生更大的誤差而影響工業生產。

4 結束語

綜上所述，工業領域中的工業機器人電氣控制系統設計復雜而又艱難，對于現代工業生產制造而言是至關重要的工作內容。工業機器人電氣控制系統設計中集中操控系統、主從控制系統、分散控制系統、機器人控制器、編碼器等都是非常重要的內容，需要設計者以及研發制造者不斷的進行完善，從而保障工業生產的質量和效率，促進工業行業發展逐漸走向智能化、自動化，在保證工業領域安全生產的基礎上有效增強國家經濟增長，確保國家在當前經濟全球化背景下的國家地位與核心競爭力。