【文章內(nèi)容簡介】 非伺服型 圖 帶開關(guān)反饋的非伺服型 2）伺服控制系統(tǒng) 圖 為以典型工業(yè)機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)框圖。其特點是系統(tǒng)中采用檢測傳感器連續(xù)測量關(guān)節(jié)位置、速度等關(guān)節(jié)參數(shù)，并反饋到驅(qū)動單元構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)控制下，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度、停留位置由有關(guān)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(fù)雜的操作。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖比非伺服控制復(fù)雜，但還是得到了廣泛應(yīng)用。目前絕大多數(shù)、高性能的多功能工業(yè)機(jī)器人都采用伺服控制系統(tǒng)。 圖 閉環(huán)伺服型控制系統(tǒng) 焊接機(jī)器人的應(yīng)用 隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，焊接技術(shù)作為機(jī)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(shù)，是現(xiàn)代工業(yè)中的制造方法之一。據(jù)統(tǒng)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(chǎn)品，因此焊接機(jī)器人被稱作工業(yè) “ 裁縫 ” 。焊接機(jī)器人的普及程度已經(jīng)成為一個國家焊接自動化水平的重要標(biāo)志。 目前焊接機(jī)器人已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在汽車、船舶、鐵路、建筑機(jī)械、兵器等行業(yè)中，對提高質(zhì)量、降低成本起到了非常巨大的作用。根據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（ UNCEC）和國際機(jī)器人聯(lián)合會（ IFR）統(tǒng)計，從 20 世紀(jì) 60 年代起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)定增長的良好勢頭，進(jìn)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(jī)器人被用于工業(yè)制造領(lǐng)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(jī)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(jī)器人應(yīng)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(jī)器人進(jìn)行氣保護(hù)焊接。美國某坦克廠采用四個機(jī)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(jī)器人焊接工業(yè)也采用了高效、高速焊接工業(yè)技術(shù)，焊接速度與手工焊接相比提高 了十余倍。 焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用水乳交融。在第一代工業(yè)機(jī)器人普及的基礎(chǔ)上，第二代已經(jīng)得到推廣，成為了主流安裝機(jī)型，第三代智能機(jī)器人已經(jīng)占了一定的比重。以應(yīng)用為龍頭拉動工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其重點發(fā)展領(lǐng)域與技術(shù)特點體現(xiàn)在下述方面： 機(jī)型結(jié)構(gòu) 以關(guān)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(guān)節(jié)型機(jī)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(guān)節(jié)型機(jī)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(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。 控制技術(shù) 大多數(shù)采用 32位 CPU，控制軸最多可達(dá) 27軸， NC 技術(shù)和離線編程技術(shù)大量采用。協(xié)調(diào)控制技術(shù)日卻成熟，實現(xiàn)了多手和變位機(jī)、多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制，正逐步實現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制?；?PC的開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于成本低并具有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)功能，已 成為一股潮流。 驅(qū)動技術(shù) 上世紀(jì) 80年代發(fā)展起來的 AC 伺服驅(qū)動已成為主流驅(qū)動技術(shù)用于工業(yè)機(jī)器人中。日本 23家機(jī)器人公司于 1998 年生產(chǎn)的 167 種型號的機(jī)器人產(chǎn)品中，有 %及 156 種采用 AC伺服驅(qū)動。 DC驅(qū)動技術(shù)則廣泛用于裝配機(jī)器人。 智能化的傳感器 日本于 1998 年生產(chǎn)的 167 種機(jī)型中，裝有視覺傳感器的有 94 種，占了 %，其中還有的機(jī)器人裝了倆種傳感器，有的機(jī)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(jī)器人最大合成速度是17m/s；高精度機(jī)器人的位置重復(fù)性為正負(fù) 。有一種大型的直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人，其最大合成速度達(dá) 80m/s；而另一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的 NC機(jī)器人，其位置重復(fù)性達(dá) 1um。 90 年代末的機(jī)器人大多都具有三種功能。 第三章 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是機(jī)器人的核心部分，一部機(jī)器人控制系統(tǒng)的好壞決定著產(chǎn)品的好壞。本項目是采用基于 PLC 的伺服控制系統(tǒng)來設(shè)計的。 伺服控制系統(tǒng) 伺服控制系統(tǒng)的概述 伺服控制系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量 (系統(tǒng)的輸出量 )是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移 (或轉(zhuǎn)角 )準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移 (或轉(zhuǎn)角 )。 伺服控制系統(tǒng)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(lǐng)域，特別是自動車床、天線位置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。采用伺服系統(tǒng)主要是為了達(dá)到下面幾個目的： 1． 以小功率指令信號去控制大功率負(fù)載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦?。 2． 在沒有機(jī)械連接的情況下，由輸 入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動。 3． 使輸出機(jī)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(tǒng)按所用驅(qū)動元件的類型可分為機(jī)電伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣動伺服系統(tǒng)。 伺服控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)組成 機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)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(tǒng)的反饋信號進(jìn)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(jī)來實現(xiàn)． 控制器 控制 器通常是計算機(jī)或 PID 控制電路，其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進(jìn)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(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動被控對象工作．機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓，氣動伺服機(jī)構(gòu)等． 被控對象 機(jī)械參數(shù)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?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路． 伺服控制系統(tǒng)的技術(shù)要求 系統(tǒng)精度 伺服系統(tǒng)精度指的是輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號要求的精確程度，以誤差的形式表現(xiàn)，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(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力；或者當(dāng)給系統(tǒng)一個新的輸入指令后，系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力． 響應(yīng)特性 響應(yīng)特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應(yīng)速度，決定了系統(tǒng)的工作效率．響應(yīng)速度與許多因素有關(guān)，如計算機(jī)的運(yùn)行速度，運(yùn)動系統(tǒng)的阻尼和質(zhì)量等． 工作頻率 工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號的頻率范圍．當(dāng)工作頻率信號輸入時，系統(tǒng)能夠按技術(shù)要求正常工作；而其它頻率信號輸入時，系統(tǒng)不能正常工作。 PLC 控制系統(tǒng) PLC（可編程序控制器）是一種由微處理器控制的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計的。它采用可編程序存儲器，用來存儲并執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 及其 外圍設(shè)備，都是按照易于與控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計的。 PLC 控制系 統(tǒng)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(jī)、自動控制以及通信等先進(jìn)技術(shù)，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(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個控制領(lǐng)域，成了工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱技術(shù)之一?？梢哉f， PLC 的應(yīng)用深度和廣度是衡量一個國家工業(yè)先進(jìn)水平的重要標(biāo)志。 PLC 技術(shù)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(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題。主要有以下特 點。 1）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)是 PLC最主要的特點之一。 PLC 的平均無故障時間可達(dá)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(dǎo)電、導(dǎo)磁材料進(jìn)行屏蔽，以減少空間電磁干擾；對有些模塊設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù)、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(tǒng)程序中設(shè)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(shù)，能對系統(tǒng)硬件電路等故障實現(xiàn)檢測和判斷；當(dāng)由外界環(huán)境引起故障時，能立即利用后備電源供電，將當(dāng)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(fù)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(jī)實現(xiàn)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(shù)采用的編程語言是梯形圖語言，它是一種面向生產(chǎn)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(jī)知識，很容易讓廣大工程技術(shù)人員掌握。當(dāng)生產(chǎn)流程需要改變時，可以現(xiàn)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(shè)計了各種專用編程指令及編程方法，進(jìn)一步簡化編程。 3）功能完善、通用性強(qiáng) 現(xiàn)代 PLC 不僅具有邏輯運(yùn)算、定時、技術(shù)、順序控制等功能，而且還具有A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、 PID 控制、通信網(wǎng)絡(luò)等許多功能 。同時，由于 PLC 產(chǎn)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(tǒng)。 4）設(shè)計安裝簡單、維護(hù)方便 由于 PLC 用軟件代替了傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的硬件，控制柜的設(shè)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(jìn)行模擬調(diào)試，縮短了應(yīng)用設(shè)計和調(diào)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(qiáng)的自診斷功能，如果出現(xiàn)故障可根據(jù) 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(jié)構(gòu)緊湊、體積小、能耗低，因而是實現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。 PLC 的基本結(jié)構(gòu)及其分類 （ 1） PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 種類繁多，但其組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。用可編程序控制器實施控制，其實質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個變換予以物理實現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。 PLC 專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，采用了典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由 CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸入輸出接口電路等組成。 PLC 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 圖 PLC 的結(jié)構(gòu)框圖 1）中央處理器 中央處理單元 (CPU)一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內(nèi)。 CPU 通過數(shù)據(jù)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(jī)一樣， CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC 中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮 PLC 有條不紊地進(jìn)行工作。用戶程序和數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，當(dāng) PLC 處于運(yùn)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(wù)有：控制用戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲；用掃描的方式通過 I/O 部件接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)。并存人 輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)存儲器中；診斷 PLC 內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等； PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲器逐條讀取用戶指令，經(jīng)過命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、邏輯或算術(shù)運(yùn)算等；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)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(shè)計的專用 CPU 芯片的。 CPU 芯片的性能關(guān)系到 PLC處理控制信號的能力與速度， CPU 位數(shù)越高，系統(tǒng)處理的信息量越大，運(yùn)算速度也越快。 PLC 的功能是隨著 CPU 芯片技術(shù)的發(fā)展而提高和增強(qiáng)的。 2）存儲器 PLC 的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。 系統(tǒng)存儲器用來存放由 PLC 生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序固化在ROM 內(nèi)，用戶不能直接更改，它使 PLC 具有基本的功能，能夠完成 PLC 設(shè)計者規(guī)定的各項工作。系統(tǒng)程序質(zhì)量的好壞，很大程度上決定了 PLC 的性能，其內(nèi)容主要包括三部分。第一部分為系統(tǒng)管理程序，它主要控制 PLC 的運(yùn)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(jī)器語言指令，再由 CPU 執(zhí)行這些指令。第三部分為標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)用，它包括許多不同功能的子程序及其調(diào)用管理程序，如完成輸入、輸出及特殊運(yùn)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(shù)據(jù)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(wù)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(tǒng)配置。用戶程序存儲器根據(jù)所選用的存儲器單元類型的不同，可以是 RAM(有掉電保護(hù) )、 EPROM 或 EEPROM 存儲器，其內(nèi)容可以由用戶任