第4章-工业机器人指令信号与反馈信号电路

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4章工业机器人指令信号与反馈信号电路4.1NCUC总线14.2伺服驱动器反馈接口24.3光电式编码器34.4反馈线航空插头引脚的分布与焊接44.5示教器与IPC电路连接5总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。4.1NCUC总线2008年2月，成立了由华中数控、大连光洋、沈阳高精、广州数控、浙江中控组成的数控系统现场总线技术联盟(NCUnionofChinaFieldBus),设立了NCUC-Bus协议规范的标准工作组，形成了协议的草案，经标准审查会审查之后，最终确立了NCUC-Bus现场总线协议规范的总则、物理层、数据链路层规范和服务、应用层规范和服务。4.1NCUC总线基于NCUC-Bus的总线式伺服及主轴驱动，采用统一的编码器接口，支持BISS,HIPERFACE,ENDAT2.1/2.2、多摩川等串行绝对值编码器通讯传输协议。板卡上带有光纤接口，可以通过光纤连接至总线上，实现基于NCUC-Bus协议的数据交互。用PHY+FPGA的硬件结构，整个协议的处理都在FPGA中实现，并通过主从总线访问控制方式实现各站点的有序通信。NCUC-Bus采用动态“飞读飞写”的方式实现数据的上传和下载，实现了通信的实时性要求;通过延时侧量和计算时间戳的方法，实现了通信的同步性要求;同时，采用重发和双环路的数据冗余机制及CRC校验的差错检测机制，保障了通信的可靠性要求。4.1NCUC总线图4-1NCUC总线连接端子NCUC总线的特点：1．与以太网兼容2．支持环形和线性网络3．通信速率最高可达100Mbit/s4．挂接设备最多可达255个5．支持五类双绞线传输和光纤传输方式4.1NCUC总线为了保证NCUC-Bus网络传输的口可靠性，对采用电信号互联的NCUC-Bus连接端子做要求如下：1.UC-Bus连接端子由端子插头及端子插座两部分组成，NCUC-Bus连接端子插座及插头之间金属触点通过物理插接接触方式互联；2.NCUC-Bus连接端子在插座应有标识；3.NCUC-Bus连接端子插座及插头需采用符合IP54防护等级要求的接插件；4.1NCUC总线4．NCUC-Bus物理连接端子插头及插座之间必须具备额外的连接固定装置，固定装置必须在完全解锁后才允许端子插头与端子座之问金属触点分离：5．NCUC-Bus连接端子插头与插座触点之间必须采用接触面连接方式；6．NCUC-Bus连接端子至少需要同时提供RX+、RX、TX+、TX、GND5路信号连接：7.．NCUC-Bus连接端中RX+、RX必须定义在相邻的引脚上；8．NCUC-Bus连接端中TX+、TX必须定义在相邻的引脚上。4.1NCUC总线图4-2IPC控制器上的总线接口PORT0~PORT3：NCUC总线接口LAN接口用于连接示教器单元4.1.1NCUC总线接口的引脚定义；在华数机器人控制系统中，各个智能器件间的通信工作就采用的是NCUC总线方式，在每个运算单元上都有相应的总线接口。1．IPC控制器上的总线接口4.1NCUC总线图4-3PLC通信模块上的NCUC总线接口X2A与X2B为PLC通信模块上的总线接口。2．PLC通信模块上的NCUC总线接口4.1NCUC总线图4-4伺服驱动器上的NCUC总线接口XS2/XS3为伺服驱动器上NCUC的总线接口，XS2进口为总线进口，XS3接口为总线出口。3．伺服驱动器上的NCUC总线接口4.1NCUC总线图4-5NCUC总线连接示意图4.1.2NCUC总线的连接方法；NCUC总线采用环状拓扑结构、串行的连接方式，以IPC单元作为总线上的主站，PLC和伺服驱动器作为总线上的从站。连接的过程就是从主站的PORT0口开始依次向下连接各个从站，从站的NCUC接口分为进口和出口，按照串联的方式一次连接，最后一个器件的出口连接到主站的PORT3口上，这样就完成了NCUC总线的连接了。伺服驱动器1伺服驱动器2伺服驱动器34.1NCUC总线图4-6伺服驱动器反馈接口引脚分配图伺服驱动器上的XS1作为电机编码器反馈信号输入接口，这一信号既作为电机的速度与方向的反馈信号，又作为电机轴的位置反馈信号。该驱动器接口支持多种传输协议，包括ENDAT2.1协议的绝对式编码器、BISS协议绝对式编码器、TAMAGAWA绝对式编码器等。4.2伺服驱动器反馈接口XS1伺服电机编码器输入接口插头焊片(面对插头的焊片看)XS1伺服电机编码器输入接口引脚定义如下：4.2伺服驱动器反馈接口4.2伺服驱动器反馈接口4.2伺服驱动器反馈接口4.2伺服驱动器反馈接口4.2伺服驱动器反馈接口4.2伺服驱动器反馈接口4.3.1结构与作用工业机器人位置检测元件的要求及分类如下:位置检测元件是闭环（半闭环、闭环、混合闭环）进给伺服系统中重要的组成部分，它检测伺服电动机转子的角位移和速度，将信号反馈到伺服驱动装置或IPC单元，与预先给定的理想值相比较，得到的差值用于实现位置闭环控制和速度闭环控制。检测元件通常利用光或磁的原理完成位置或速度的检测。4.3光电式编码器检测元件的精度一般用分辨率表示，它是检测元件所能正确检测的最小数量单位，它由检测元件本身的品质以及测量电路决定。在工业机器人位置检测接口电路中常对反馈信号进行倍频处理，以进一步提高测量精度。位置检测元件一般也可以用于速度测量，位置检测和速度检测可以采用各自独立的检测元件，例如速度检测采用测速发电动机，位置检测采用光电编码器，也可以共用一个检测元件，例如都用光电编码器。4.3光电式编码器1．对检测元件的要求(1)寿命长，可靠性要高，抗干扰能力强。(2)满足精度、速度和测量范围的要求。分辨率通常要求在0.O01mm～0.01mm之间或更小，快速移动速度达到每分钟数十米，旋转速度达到2500r／min以上。4.3光电式编码器(3)使用维护方便，适合机床的工作环境。(4)易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化。(5)成本低。不同类型的工业机器人对检测元件的精度与速度的要求不同。一般来说，要求测量元件的分辨率比运动精度高一个数量级。4.3光电式编码器2．检测元件的分类(1)直接测量和间接测量。测量传感器按形状可分为直线型和回转型。若测量传感器所测量的指标就是所要求的指标，即直线型传感器测量直线位移，回转型传感器测量角位移，则该测量方式为直接测量。如光栅、编码器等。若回转传感器测量的角位移只是中间量，由它再推算出与之对应的工作台直线位移那么该测量方式为间接测量，其测量精度取决于测量装置和机床传动链两者的精度。如编码器、旋转变压器。4.3光电式编码器(2)增量式测量和绝对式测量。按测量装置编码方式可分为增量式测量和绝对式测量。增量式测量的特点是只测量位移增量，即工作台每移动一个基本长度单位，测量装置便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。如光栅和增量式光电编码器。绝对式测量的特点是被测的任一点的位置相对于一个固定的零点来说·都有一对应的测量值，常以数据形式表示。如接触式编码器和绝对式光电编码器4.3光电式编码器(3)接触式测量和非接触式测量。接触式测量的测量传感器与被测对象间存在着机械联系，因此机床本身的变形、振动等因素会对测量产生一定的影响。典型的接触式测量装置有光栅、接触式编码器。非接触式测量传感器与测量对象是分离的，不发生机械联系。典型的非接触式测量装置有双频激光干涉仪、光电式编码器。4.3光电式编码器(4)数字式测量和模拟式测量。数字式测量以量化后的数字形式表示被测的量。数字式测量的特点是测量装置简单，信号抗干扰能力强，且便于显示处理，典型的数字式测量装置有光电编码器、接触式编码器、光栅等。模拟式测量是被测的量用连续的变量表示。如用电压、相位的变化来表示。典型的模拟式测量装置有旋转变压器等。4.3光电式编码器3．增量式光电编码器光电编码器利用光电原理把机械角位移变换成电脉冲信号，它是最常用的位置检测元件。光电编码器按输出信号与对应位置的关系，通常分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器和混合式光电编码器。见图4-7，增量式光电编码器由连接轴1、支承轴承2、光栅3、光电码盘4、光源5、聚光镜6、光栏板7、光敏元件8和信号处理电路组成。4.3光电式编码器图4-7光电式编码器4.3光电式编码器当光电码盘随工作轴一起转动时，光源通过聚光镜，透过光电码盘和光栏板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把光信号转换成电信号，然后通过信号处理电路的整形、放大、分频、计数、译码后输出或显示。为了测量转向，光栏板的两个狭缝距离应为m士l/4r（r为光电码盘两个狭缝之间的距离即节距，m为任意整数），这样两个光敏元件的输出信号（分别称为A信号和B信号）相对于脉冲周期来说相差丌／2相位，将输出信号送入鉴相电路，即可判断光电码盘的旋转方向。4.3光电式编码器由于光电编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，因此根据脉冲数目可得出工作轴的回转角度，然后由传动比换算出直线位移距离；根据脉冲频率可得工作轴的转速；根据光栏板上两个狭缝中信号的相位先后，可判断工作轴的正、反转。此外，在光电编码器的内圈还增加一条透光条纹Z，每一转产生一个零位脉冲信号。在进给电动机所用的光电编码器上．零位脉冲用于精确确定参考点。4.3光电式编码器增量式光电编码器输出信号的种类有差动输出、电平输出、集电极(OC门)输出等。差动信号传输因抗干扰能力强而得到了广泛的采用。IPC装置的接口电路通常会对接收到的增量式光电编码器差动信号作四倍频处理，从而提高检测精度，方法是从A和B的上升延和下降延各取一个脉冲，则每转所检测的脉冲数为原来的四倍。4.3光电式编码器进给电动机常用增量式光电编码器的分辨率有2000p/r、2024p/r、2500p/r等。目前，光电编码器每转可发出数万至数百万个方波信号，因此可满足高精度位置检测的需要。光电编码器的安装有两种形式：一种是安装在伺服电动机的非输出轴端，称为内装式编码器，用于半闭环控制；一种是安装在传动链末端，称为外置式编码器，用于闭环控制。光电编码器安装时要保证连接部位可靠、不松动，否则会影响位置检测精度，引起进给运动不稳定，使自动化设备产生振动。4.3光电式编码器4．绝对式光电编码器绝对式光电编码器的光盘上有透光和不透光的编码图案，编码方式可以有二进制编码、二进制循环编码、二至十进制编码等。绝对式光电编码器通过读取编码盘上的编码图案来确定位置。4.3光电式编码器图4-8是绝对式光电编码器的编码盘原理示意图和结构图。如图所示，码盘上有四圈码道。所谓码道就是码盘上的同心圆。按照二进制分布规律．把每圈码道加工成透明和不透明相间的形式。码盘的一侧安装光源，另一侧安装一排径向排列的光电管，每个光电管对准一条码道。当光源照射码盘时，如果是透明区，则光线被光电管接收，并转变成电信号，输出信号为“1”；如果是不透明区，光电管接收不到光线，输出信号为“O”。被测工作轴带动码盘旋转时，光电管输出的信息就代表了轴的对应位置，即绝对位置。4.3光电式编码器图4-8绝对式光电编码器绝对式光电编码器大多采用格雷码编盘。格雷码的特点是每一相邻数码之间仅改变一位二进制数，这样，即使制作和安装不十分准确·产生的误差最多也只是最低位的一位数。4.3光电式编码器绝对式光电编码器转过的圈数则由RAM保存，断电后由后备电池供电，保证机床的位置即使断电或断电后