第1章工业机器人电气控制系统的构成

LOGO机械职业教育教学指导委员会推荐教材全国高等职业教育“十二五”规划教材全国工业机器人技能培养系列精品教材工业机器人电气控制与维修（ISBN978-7-121-29476-1）邢美峰主编卢彦林李伟娟副主编第1章工业机器人电气控制系统的构成1.1工业机器人的简介11.2工业机器人的分类21.3工业机器人的组成31.4工业机器人的控制和编程41.5HSR-JR608型工业机器人安全控制系统51.6HSR-JR608型工业机器人电气柜内的控制系统6机器人定义：ISO对机器人的定义：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作，处理各种材料、零件、工具和专用装置，执行各种任务。日本工业机器人协会（JIRA）对机器人的定义：一种带有存储器件和末端操作器的通用机械，它通过自动化的动作代替人类劳动。1.1工业机器人的简介机器人的发展：60年代，美国Unination公司研制成功第一台数控机械手，标志着工业机器人的诞生。它是一种具有记忆储存能力的示教再现式机器人，被称为第一代机器人。70年代，出现了配备有感觉传感器的第二代工业机器人，它能够对环境和作业对象进行判断、修正和选择，具有一定自适应能力。80年代，开始研制第三代工业机器人，除了能完成体力劳动外，还具有与人脑相似的功能，能完成部分脑力劳动。1.1工业机器人的简介机器人的应用：工业机器人能用于各种生产领域，如物料搬运、涂装、点焊、弧焊、检测和装配等工作。它在柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）和其它机电一体化的系统中获得了广泛的应用，成为现代制造系统不可缺少的组成部分。1.1工业机器人的简介机器人分类的方法很多，这里仅按机器人的系统功能、驱动方式以及机器人的结构形式进行分类。1.2工业机器人的分类1.2.1按系统功能分类1．专用机器人这种机器人在固定地点以固定程序工作，无独立的控制系统，具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低的特点，如附属于加工中心机床上的自动换刀机械手。2．通用机器人它是一种独立控制系统、动作灵活多样，通过改变控制程序能完成多作业的机器人。它的结构较复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。1.2工业机器人的分类3．示教再现试机器人这种机器人具有记忆功能，可完成复杂动作，适用于多工位和经常变换工作路线的作业。作的顺序。此后，机器人便能“再现”操作者教给它的动作4．智能机器人它比一般通用机器人先进在编程方法上，能采用示教法进行编程，及由操作者通过手动控制，“示教”机器人做一遍操作示范，完成全部动作过程以后，其储存装置便能记忆所有这些工机器人具有视觉、听觉、触觉等各种感觉功能，能够通过比较识别做出决策，自动进行反馈补偿，完成预定的工作。1.2工业机器人的分类1.2.2按驱动方式分1．电气驱动机器人它是由交、直流伺服电动机、直线电动机或功率步进电动机驱动的机器人。它不需要中间转换机构，故机械结构简单。近年来，机械制造业大部分采用这种机器人。2．气压传动机器人它是一种以压缩空气来驱动执行机构运动的机器人，具有动作迅速、结构简单、成本低的特点。但因空气具有可压缩性，往往会造成工作稳定性差。一般抓重不超过30Kg，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中作业。1.2工业机器人的分类1.2.3按结构形式分1.直角坐标机器人直角坐标机器人的主机架由三个相互正交的平移轴组成，具有结构简单、定位精度高的特点。结构示意图见图1-1图1-1直角坐标机器人1.2工业机器人的分类图1-2圆柱坐标机器人2．圆柱坐标机器人坐标机器人由立柱和一个安装在立柱上的水平臂组成。立柱安装在回转机座上，水平臂可以伸缩，他的滑鞍可沿立柱上下移动。因而，它具有一个旋转轴和两个平移轴，结构示意图见图1-2。1.2工业机器人的分类3．关节机器人关节机器人手臂的运动类似于人的手臂，由大小两臂的立柱等机构组成。大小臂之间用铰链联接形成肘关节，大臂和立柱联接形成肩关节，可实现三个方向旋转运动。它能够抓取靠近机座的物件，也能绕过机体和目标间的障碍物去抓取物件，具有较高的运动速度和极好的灵活性，成为最通用的机器人。图1-3关节坐标机器人1.2工业机器人的分类工业机器人一般由控制系统、驱动系统、位置检测机构以及执行机构等几个部分组成。1.3工业机器人的组成1.3.1控制系统控制系统是机器人的大脑，支配着机器人按规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度等），同时按其控制系统的信息对执行机构发出执行指令。1.3.2驱动系统驱动系统是按照控制系统发来的控制指令驱动执行机构运动的装置。常用的电气、液压、气压等驱动形式。1.3工业机器人的组成1.3.3位置检测装置通过速度、位置、触觉、视觉等传感器检测机器人的运动位置、运动速度和工作状态，并随时反馈给控制系统，以便使执行机构精度达到设定的位置。1.3工业机器人的组成1.3.4执行机构执行机构是一种具有和人手相似的动作功能，可在空间抓持物体或执行其它操作的机械装置，主要包括如下的一些部件：手部：又称抓取机构或夹持器，用于直接抓取工件或工具。此外，在手部安装的某些专用工具，如：焊枪、喷枪、电钻、螺钉螺帽拧紧器等，可视为专用的特殊手部。1.3工业机器人的组成腕部：是联接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态和方位。手臂：是支承手腕和手部的部件，由动力关节和连杆组成。用以承受工件或工具载荷，改变工件或工具的空间位置，并将它们送至预定的位置。机座：包括立柱，是整个工业机器人的基础部件，起着支承和联接的作用1.3工业机器人的组成1.4.1工业机器人的控制系统控制系统是机器人的重要组成部分。按照控制回路的不同可将机器人控制系统分为开环式和闭环式；按对机器人手部运动控制轨迹的不同，可分为点位控制和连续控制。1.4工业机器人的控制和编程闭环控制：控制系统把位置控制指令送到系统的比较器，再跟反映机器人实际位置的反馈信号进行比较，得到位置差值，将其差值加以放大，驱动伺服电动机旋转，使机器人某一环节运动。机器人新的运动位置经检测再次送到比较器与位置指令比较，产生新的误差信号，误差信号继续控制机器人运动，这个过程一直持续到误差信号为零为止。1.4工业机器人的控制和编程点位控制（如点焊机器人）：每个运动轴通常都是单独驱动的,各个运动轴相互协调运动，实现各个坐标点的精确控制。在示教状态下，操作者使用示教盒上的控制按钮，分别移动各个运动轴，使机器人臂部到达一个个控制点，按下示教盒编程按钮存储各个控制点的位置信息。再现或自动操作时，哪个运动轴移动距离短便先到达控制点，自动停止下来等待其他运动轴。1.4工业机器人的控制和编程1.4.2工业机器人编程工业机器人的编程是与机器人所采用的控制系统相一致的。因而，不同机器人的运行程序的编程也有不同的方法。常用的编程方法有示教法和离线编程法等1.4工业机器人的控制和编程1．手控示教编程点位控制机器人示教编程时，是通过示教盒上的按钮，逐一地使机器人的每个运动轴动作，到达需要编程点位置后，操作者就将这一点的位置信息存储在机器人的存储器内。每个控制点的程序都要经过一次这样的编程过程。连续轨迹机器人示教编程时则通过操作者握住机器人时手部，以要求的速度通过需要的路线进行示教，同时由存储器记录每个运动轴的连续位置。1.4工业机器人的控制和编程2．离线编程法由计算机控制的机器人一般都采用离线编程法，这种方法与NC机床编程方法较为相似。它能某种编程语言在计算机终端上离线为机器人编制程序，然后将编制好的程序输入机器人存储器，随时供机器人使用。优点：⑴设备利用率高；⑵便于信息集成，1.4工业机器人的控制和编程HSR-608型工业机器人电气控制系统主要由IPC单元、示教器单元、PLC单元、伺服驱动器等单元组成，各个单元间的连接关系见图1-4IPC单元PORT0PORT3WAN伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器NCUCNCUCNCUCNCUCNCUCNCUCNCUC动力线反馈线J1伺服电动机编码器动力线反馈线J1伺服电动机编码器动力线反馈线J1伺服电动机编码器动力线反馈线J1伺服电动机编码器动力线反馈线J1伺服电动机编码器动力线反馈线J1伺服电动机编码器PLC单元示教器NCUC图1-4HSR-JR608型工业机器人电气控制基本构成1.5华数HSR-JR608型工业机器人电气控制系统整体认识如图可见，IPC单元、PLC单元和伺服驱动器是通过NCUC总线连接到一起，完成相互之间的通信工作。IPC是整个总线系统的主站，PLC单元与伺服驱动器是从站。NCUC总线接线是从IPC单元的PROT0口开始，连接到第一个从站的IN口，第一个从站OUT口出来的信号接入下一从站的IN口，以此类推，逐个相连，把各个从站串联起来，最后一个从站的OUT口连接到主站IPC单元的PORT3口上，就完成了总线的连接。1.5华数HSR-JR608型工业机器人电气控制系统整体认识1.5.1．IPC单元IPC单元是HSR-JR608型工业机器人的运算控制系统。工业机器人在运动中的点位控制、轨迹控制、手爪空间位置与姿态的控制等都是由它发布控制命令。它由微处理器、存储器、总线、外围接口组成。它通过总线把控制命令发送给伺服驱动器，也通过总线收集伺服电动机的运行反馈信息，通过反馈信息来修正机器人的运动。IPC单元外观见图1-5。IPC单元的额定工作电压是DC24V，通常由开关电源为其供电。1-5IPC单元外观1.5华数HSR-JR608型工业机器人电气控制系统整体认识1.5.2．示教器单元示教器单元是HSR-JR608型工业机器人的人机交互系统。通过该设备，操作人员可对机器人发布控制命令、编写控制程序、查看机器人运动状态、进行程序管理等操作，示教器的外形图见图1-6。该设备的额定工作电压为DC24V，通常由开1-6示教器单元外观关电源为其供电。图1-6示教器单元外观1.5华数HSR-JR608型机器人电气控制系统1.5.3．PLC单元PLC是工业机器人中非常重要的运算系统，它主要完成与开关量算有关的一些控制要求，例如机器人急停的控制、手爪的抓持与松开、与外围设备协同工作等。在机器人控制系统中，IPC单元和PLC协调配合，共同完成工业机器人的控制。PLC单元的额定工作电压DC24V，通常由开关电源为其供电。图1-7PLC外观图1.5华数HSR-JR608型工业机器人电气控制系统整体认识1.5.4．伺服驱动器伺服驱动器接收来自IPC装置的送来的进给指令，这些指令经过驱动装置的变换和放大后，转变成伺服电动机进给的转速、转向与转角信号，从而带动机械结构按照指定要求准确运动。HSV160U伺服驱动器的额定工作电压是三相交流220V。在企业中动力电源都是三相380V，这就需要伺服变压器把三相交流380V的电源变成三相交流220V，为伺服驱动器供电。其外观见图1-8。图1-8伺服驱动器外观图1.5华数HSR-JR608型工业机器人电气控制系统整体认识1.5.5．伺服电动机伺服电动机将伺服驱动器的输出转变为机械运动，它与伺服驱动器一起构成伺服控制系统。目前应用最多的是交流伺服电动机。伺服电动机是由伺服驱动器进行供电的，所提供的电能是一种电压、电流、频率随着指令的变化而变化的电能。其外观见图1-9。图1-9伺服电机外观图1.5华数HSR-JR608型工业机器人电气控制系统整体认识1.5.6．光电式脉冲编码器闭环控制是提高机器人控制系统运动精度的重要手段，而位置检测传感器则是构成闭环控制必不可少的重要元件。编码器在机器人控制系统中用于检测伺服电动机的转角、转速和转向信号，该信号将反馈给伺服驱动器和IPC单元，在伺服驱动器内部进行速度控制，在IPC单元内部进行转角控制。1.5华数HSR-JR608型工业机器人电气控制系统整体认识1.6.1伺服控制系统伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系你统。在HSR-JR608型工业机器