【文章內容簡介】 非伺服型 圖 帶開關反饋的非伺服型 2）伺服控制系統 圖 為以典型工業(yè)機器人伺服控制系統框圖。其特點是系統中采用檢測傳感器連續(xù)測量關節(jié)位置、速度等關節(jié)參數，并反饋到驅動單元構成閉環(huán)伺服系統。在伺服系統控制下，各關節(jié)的運動速度、停留位置由有關的程序控制，而程序的編制、修改簡便靈活。所以能方便的完成各種復雜的操作。其系統結構雖比非伺服控制復雜，但還是得到了廣泛應用。目前絕大多數、高性能的多功能工業(yè)機器人都采用伺服控制系統。 圖 閉環(huán)伺服型控制系統 焊接機器人的應用 隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，焊接技術作為機械制造業(yè)中僅次于切削加工和裝配加工的第 三大加工作業(yè)技術，是現代工業(yè)中的制造方法之一。據統計，一個國家鋼材消耗量的百分之 50左右，要通過焊接的方式才能制造成產品，因此焊接機器人被稱作工業(yè) “ 裁縫 ” 。焊接機器人的普及程度已經成為一個國家焊接自動化水平的重要標志。 目前焊接機器人已經被廣泛的應用在汽車、船舶、鐵路、建筑機械、兵器等行業(yè)中，對提高質量、降低成本起到了非常巨大的作用。根據聯合國歐洲經濟委員會（ UNCEC）和國際機器人聯合會（ IFR）統計，從 20 世紀 60 年代起，世界機器人產業(yè)一直保持著穩(wěn)定增長的良好勢頭，進入 90年代，年銷售量增長率平均在 10%左右； 2020 年全世界有 80萬臺工業(yè)機器人被用于工業(yè)制造領域，40 萬臺在日本、 20 萬臺在歐盟、 10 萬臺在北美、剩余的 10 萬臺在其余的國家。2020 年底全世界在在服役的工業(yè)機器人有 110 萬臺左右。國外軍工企業(yè)尤其是坦克裝甲車焊接自動化程度較高，弧焊機器人應用也比較廣泛，德國、美國、英國以及意大利等國的坦克裝甲車車體和炮塔都已采用弧焊機器人進行氣保護焊接。美國某坦克廠采用四個機器人焊接工作站，用于焊接坦克車體和炮塔自動化焊接工作。裝甲車的機器人焊接工業(yè)也采用了高效、高速焊接工業(yè)技術，焊接速度與手工焊接相比提高 了十余倍。 焊接機器人的發(fā)展趨勢 工業(yè)機器人技術的發(fā)展與應用水乳交融。在第一代工業(yè)機器人普及的基礎上，第二代已經得到推廣，成為了主流安裝機型，第三代智能機器人已經占了一定的比重。以應用為龍頭拉動工業(yè)機器人技術的發(fā)展，其重點發(fā)展領域與技術特點體現在下述方面： 機型結構 以關節(jié)型為主流， 80 年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關節(jié)型機器人約占全部的三分之一， 90 年代初開發(fā)的適用于窄小空間、快節(jié)奏、 360度全工作空間范圍的垂直關節(jié)型機器人大量用于焊接和上下料。贏 3K（煉鋼、煉鐵、鍛造）行業(yè)和橋梁、汽車、建筑等行業(yè)的需求，超大型機器人應運而生。 控制技術 大多數采用 32位 CPU，控制軸最多可達 27軸， NC 技術和離線編程技術大量采用。協調控制技術日卻成熟，實現了多手和變位機、多機器人的協調控制，正逐步實現多智能體的協調控制。基于 PC的開放式結構控制系統由于成本低并具有標準現場網絡功能，已 成為一股潮流。 驅動技術 上世紀 80年代發(fā)展起來的 AC 伺服驅動已成為主流驅動技術用于工業(yè)機器人中。日本 23家機器人公司于 1998 年生產的 167 種型號的機器人產品中，有 %及 156 種采用 AC伺服驅動。 DC驅動技術則廣泛用于裝配機器人。 智能化的傳感器 日本于 1998 年生產的 167 種機型中，裝有視覺傳感器的有 94 種，占了 %，其中還有的機器人裝了倆種傳感器，有的機器人更是留下了多種傳感器外接接口，以待不時之需。 高速、高精度、多能化 目前所知的最快的裝配機器人最大合成速度是17m/s；高精度機器人的位置重復性為正負 。有一種大型的直角坐標搬運機器人，其最大合成速度達 80m/s；而另一種并聯機構的 NC機器人，其位置重復性達 1um。 90 年代末的機器人大多都具有三種功能。 第三章 控制系統 控制系統是機器人的核心部分，一部機器人控制系統的好壞決定著產品的好壞。本項目是采用基于 PLC 的伺服控制系統來設計的。 伺服控制系統 伺服控制系統的概述 伺服控制系統是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。又稱隨動系統。在很多情況下，伺服系統專指被控制量 (系統的輸出量 )是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統，其作用是使輸出的機械位移 (或轉角 )準確地跟蹤輸入的位移 (或轉角 )。 伺服控制系統最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領域，特別是自動車床、天線位置控制、導彈和飛船的制導等。采用伺服系統主要是為了達到下面幾個目的： 1． 以小功率指令信號去控制大功率負載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦?。 2． 在沒有機械連接的情況下，由輸 入軸控制位于遠處的輸出軸，實現遠距同步傳動。 3． 使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。 伺服控制系統按所用驅動元件的類型可分為機電伺服系統、液壓伺服系統和氣動伺服系統。 伺服控制系統的機構組成 機電一體化的伺服控制系統的結構，類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統一般包括控制器，被控對象，執(zhí)行環(huán)節(jié)，檢測環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)等五部分 比較環(huán)節(jié) 比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現． 控制器 控制 器通常是計算機或 PID 控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作． 執(zhí)行環(huán)節(jié) 執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作．機電一體化系統中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓，氣動伺服機構等． 被控對象 機械參數量包括位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對象。 檢測環(huán)節(jié) 檢測環(huán)節(jié)是指能夠對輸出進行測量并轉換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換電路． 伺服控制系統的技術要求 系統精度 伺服系統精度指的是輸出量復現輸入信號要求的精確程度，以誤差的形式表現，可概括為動態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差三個方面組成． 穩(wěn)定性 伺服系統的穩(wěn)定性是指當作用在系統上的干擾消失以后，系統能夠恢復到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力；或者當給系統一個新的輸入指令后，系統達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力． 響應特性 響應特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應速度，決定了系統的工作效率．響應速度與許多因素有關，如計算機的運行速度，運動系統的阻尼和質量等． 工作頻率 工作頻率通常是指系統允許輸入信號的頻率范圍．當工作頻率信號輸入時，系統能夠按技術要求正常工作；而其它頻率信號輸入時，系統不能正常工作。 PLC 控制系統 PLC（可編程序控制器）是一種由微處理器控制的電子系統，專為工業(yè)環(huán)境下的應用而設計的。它采用可編程序存儲器，用來存儲并執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。 PLC 及其 外圍設備，都是按照易于與控制系統形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計的。 PLC 控制系 統的概述及其特點 PLC 是以微處理器為核心的、高度集成化的通用工業(yè)自動控制裝置。它融合了計算機、自動控制以及通信等先進技術，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、功耗低以及編程簡單等優(yōu)點，已經被廣泛應用于工業(yè)生產的各個控制領域，成了工業(yè)生產自動化的支柱技術之一。可以說， PLC 的應用深度和廣度是衡量一個國家工業(yè)先進水平的重要標志。 PLC 技術之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需要外，主要是因為它具有許多獨特的優(yōu)點。它較好的解決了工業(yè)領域中普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題。主要有以下特 點。 1）可靠性高、抗干擾能力強 可靠性高、抗干擾能力強是 PLC最主要的特點之一。 PLC 的平均無故障時間可達幾十萬個小時，之所以有這么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和軟件的抗干擾措施： 硬件方面 I/O 通道采用光電隔離，有效地抑制了外部的干擾源對 PLC 的影響；對供電電源及線路采用了多種形式的濾波，從而消除或抑制了高頻干擾；對CPU 等主要部件采用良好的導電、導磁材料進行屏蔽，以減少空間電磁干擾；對有些模塊設置了聯鎖保護、自診斷電路等。 軟件方面 PLC 采用掃描工作方式，減少了由于外界環(huán)境干擾引起的故障；在 PLC 系統程序中設有故障檢測和自診斷程序定期的檢測外界環(huán)境；死循環(huán)報警等技術，能對系統硬件電路等故障實現檢測和判斷；當由外界環(huán)境引起故障時，能立即利用后備電源供電，將當前重要信息加以封存，禁止任何不穩(wěn)定的讀寫操作，一旦外界環(huán)境正常后，便可恢復到故障發(fā)生前的狀態(tài)，繼續(xù)原來的工作。 2）編程簡單、使用方便 用計算機實現控制，使用的是匯編語言，難于掌握，要求使用者具有一定的硬件和軟件知識。而 PLC 大多數采用的編程語言是梯形圖語言，它是一種面向生產控制、面向用 戶問題的 “ 自然 ” 編程語言。梯形圖與電器控制線路圖非常相似，形象、直觀，不需要掌握計算機知識，很容易讓廣大工程技術人員掌握。當生產流程需要改變時，可以現場改變程序，使用方便、靈活。同時， PLC編程器的操作和使用也很簡單。這也是 PLC 獲得普及和推廣的主要原因之一。 許多 PLC 還針對具體問題，設計了各種專用編程指令及編程方法，進一步簡化編程。 3）功能完善、通用性強 現代 PLC 不僅具有邏輯運算、定時、技術、順序控制等功能，而且還具有A/D 和 D/A 轉換、數值運算、數據處理、 PID 控制、通信網絡等許多功能 。同時，由于 PLC 產品的系列化、模塊化，有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選擇，可以組成滿足各種需求的控制系統。 4）設計安裝簡單、維護方便 由于 PLC 用軟件代替了傳統電氣控制系統的硬件，控制柜的設計、安裝接線工作量大為減少。 PLC 的用戶程序大部分可在實驗室進行模擬調試，縮短了應用設計和調試周期。在維修方面，由于 PLC 的故障率極低，維修工作量很小，而且 PLC 具有很強的自診斷功能，如果出現故障可根據 PLC 上指示或編程器上提供的故障信息，迅速查明原因，維修極為方便。 5）體積小、重量輕、能耗低 由于 PLC 采用了集成電路，其結構緊湊、體積小、能耗低，因而是實現機電一體化的理想控制設備。 PLC 的基本結構及其分類 （ 1） PLC 的基本結構 PLC 種類繁多，但其組成結構和工作原理基本相同。用可編程序控制器實施控制，其實質是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換予以物理實現，應用于工業(yè)現場。 PLC 專為工業(yè)現場應用而設計，采用了典型的計算機結構，它主要是由 CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入輸出接口電路等組成。 PLC 的結構框圖如圖 所示。 圖 PLC 的結構框圖 1）中央處理器 中央處理單元 (CPU)一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內。 CPU 通過數據總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路相連接。與一般計算機一樣， CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC 中系統程序賦予的功能指揮 PLC 有條不紊地進行工作。用戶程序和數據事先存入存儲器中，當 PLC 處于運行方式時， CPU 按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序。 CPU 的主要任務有：控制用戶程序和數據的接收與存儲；用掃描的方式通過 I/O 部件接收現場的狀態(tài)或數據。并存人 輸入映像寄存器或數據存儲器中；診斷 PLC 內部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等； PLC進入運行狀態(tài)后，從存儲器逐條讀取用戶指令，經過命令解釋后按指令規(guī)定的任務進行數據傳送、邏輯或算術運算等；根據運算結果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內容，再經輸出部件實現輸出控制、制表打印或數據通訊等功能。 不同型號的 PLC 其 CPU 芯片是不同的，有采用通用 CPU 芯片的，有采用廠家自行設計的專用 CPU 芯片的。 CPU 芯片的性能關系到 PLC處理控制信號的能力與速度， CPU 位數越高，系統處理的信息量越大，運算速度也越快。 PLC 的功能是隨著 CPU 芯片技術的發(fā)展而提高和增強的。 2）存儲器 PLC 的存儲器包括系統存儲器和用戶存儲器兩部分。 系統存儲器用來存放由 PLC 生產廠家編寫的系統程序，系統程序固化在ROM 內，用戶不能直接更改，它使 PLC 具有基本的功能，能夠完成 PLC 設計者規(guī)定的各項工作。系統程序質量的好壞，很大程度上決定了 PLC 的性能，其內容主要包括三部分。第一部分為系統管理程序，它主要控制 PLC 的運行，使整個 PLC 按部就班地工作。第二部分為用戶指令解釋程序，通過用戶指令解釋程序，將 PLC 的編程語言變?yōu)闄C器語言指令，再由 CPU 執(zhí)行這些指令。第三部分為標準程序模塊與系統調用，它包括許多不同功能的子程序及其調用管理程序，如完成輸入、輸出及特殊運算等的子程序。 PLC 的具體工作都是由這部分程序來完成的，這部分程序的多少也決定了 PLC 性能的高低。 用戶存儲器包括用戶程序存儲器 (程序區(qū) )和功能存儲器 (數據區(qū) )兩部分。用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務用規(guī)定的 PLC 編程語言編寫的各種用戶程序，以及用戶的系統配置。用戶程序存儲器根據所選用的存儲器單元類型的不同，可以是 RAM(有掉電保護 )、 EPROM 或 EEPROM 存儲器，其內容可以由用戶任