【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 非伺服型 圖 帶開(kāi)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(diǎn)是系統(tǒng)中采用檢測(cè)傳感器連續(xù)測(cè)量關(guān)節(jié)位置、速度等關(guān)節(jié)參數(shù)，并反饋到驅(qū)動(dòng)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(dòng)速度、停留位置由有關(guān)的程序控制，而程序的編制、修改簡(jiǎn)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(jì)，一個(gè)國(guó)家鋼材消耗量的百分之 50左右，要通過(guò)焊接的方式才能制造成產(chǎn)品，因此焊接機(jī)器人被稱(chēng)作工業(yè) “ 裁縫 ” 。焊接機(jī)器人的普及程度已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家焊接自動(dòng)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(chē)、船舶、鐵路、建筑機(jī)械、兵器等行業(yè)中，對(duì)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(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（ UNCEC）和國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（ IFR）統(tǒng)計(jì)，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(zhǎng)的良好勢(shì)頭，進(jìn)入 90年代，年銷(xiāo)售量增長(zhǎng)率平均在 10%左右； 2020 年全世界有 80萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人被用于工業(yè)制造領(lǐng)域，40 萬(wàn)臺(tái)在日本、 20 萬(wàn)臺(tái)在歐盟、 10 萬(wàn)臺(tái)在北美、剩余的 10 萬(wàn)臺(tái)在其余的國(guó)家。2020 年底全世界在在服役的工業(yè)機(jī)器人有 110 萬(wàn)臺(tái)左右。國(guó)外軍工企業(yè)尤其是坦克裝甲車(chē)焊接自動(dòng)化程度較高，弧焊機(jī)器人應(yīng)用也比較廣泛，德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)以及意大利等國(guó)的坦克裝甲車(chē)車(chē)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(guó)某坦克廠采用四個(gè)機(jī)器人焊接工作站，用于焊接坦克車(chē)體和炮塔自動(dòng)化焊接工作。裝甲車(chē)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(shì) 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(dòng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域與技術(shù)特點(diǎn)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(kāi)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(chē)、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(shí)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(shí)現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制?；?PC的開(kāi)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(chǎng)網(wǎng)絡(luò)功能，已 成為一股潮流。 驅(qū)動(dòng)技術(shù) 上世紀(jì) 80年代發(fā)展起來(lái)的 AC 伺服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)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(hào)的機(jī)器人產(chǎn)品中，有 %及 156 種采用 AC伺服驅(qū)動(dòng)。 DC驅(qū)動(dòng)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(jué)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(shí)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(xiàng)目是采用基于 PLC 的伺服控制系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)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(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)。又稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專(zhuān)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(dòng)駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來(lái)逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是自動(dòng)車(chē)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(gè)目的： 1． 以小功率指令信號(hào)去控制大功率負(fù)載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦印? 2． 在沒(méi)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動(dòng)。 3． 使輸出機(jī)械位移精確地跟蹤電信號(hào)，如記錄和指示儀表等。 伺服控制系統(tǒng)按所用驅(qū)動(dòng)元件的類(lèi)型可分為機(jī)電伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣動(dòng)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(lèi)型繁多，但從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器，被控對(duì)象，執(zhí)行環(huán)節(jié)，檢測(cè)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(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專(zhuān)門(mén)的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)． 控制器 控制 器通常是計(jì)算機(jī)或 PID 控制電路，其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作． 執(zhí)行環(huán)節(jié) 執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)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(dòng)被控對(duì)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(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等． 被控對(duì)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(duì)象。 檢測(cè)環(huán)節(jié) 檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)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(hào)要求的精確程度，以誤差的形式表現(xiàn)，可概括為動(dòng)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差三個(gè)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(lái)穩(wěn)定狀態(tài)的能力；或者當(dāng)給系統(tǒng)一個(gè)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(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，運(yùn)動(dòng)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(hào)的頻率范圍．當(dāng)工作頻率信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)能夠按技術(shù)要求正常工作；而其它頻率信號(hào)輸入時(shí)，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(zhuān)為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用可編程序存儲(chǔ)器，用來(lái)存儲(chǔ)并執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)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(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)的。 PLC 控制系 統(tǒng)的概述及其特點(diǎn) PLC 是以微處理器為核心的、高度集成化的通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。它融合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)控制領(lǐng)域，成了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的支柱技術(shù)之一?？梢哉f(shuō)， PLC 的應(yīng)用深度和廣度是衡量一個(gè)國(guó)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(dòng)化的客觀需要外，主要是因?yàn)樗哂性S多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。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(wèn)題。主要有以下特 點(diǎn)。 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(diǎn)之一。 PLC 的平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)幾十萬(wàn)個(gè)小時(shí)，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(duì) PLC 的影響；對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)和自診斷程序定期的檢測(cè)外界環(huán)境；死循環(huán)報(bào)警等技術(shù)，能對(duì)系統(tǒng)硬件電路等故障實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和判斷；當(dāng)由外界環(huán)境引起故障時(shí)，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(xiě)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(lái)的工作。 2）編程簡(jiǎn)單、使用方便 用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，使用的是匯編語(yǔ)言，難于掌握，要求使用者具有一定的硬件和軟件知識(shí)。而 PLC 大多數(shù)采用的編程語(yǔ)言是梯形圖語(yǔ)言，它是一種面向生產(chǎn)控制、面向用 戶(hù)問(wèn)題的 “ 自然 ” 編程語(yǔ)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(jì)算機(jī)知識(shí)，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(shí)，可以現(xiàn)場(chǎng)改變程序，使用方便、靈活。同時(shí)， PLC編程器的操作和使用也很簡(jiǎn)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(duì)具體問(wèn)題，設(shè)計(jì)了各種專(zhuān)用編程指令及編程方法，進(jìn)一步簡(jiǎn)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(shí)、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(shí)，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(hù)選擇，可以組成滿(mǎn)足各種需求的控制系統(tǒng)。 4）設(shè)計(jì)安裝簡(jiǎn)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(jì)、安裝接線工作量大為減少。 PLC 的用戶(hù)程序大部分可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試，縮短了應(yīng)用設(shè)計(jì)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(shí)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(lèi) （ 1） PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 種類(lèi)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(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個(gè)變換予以物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。 PLC 專(zhuān)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由 CPU、電源、存儲(chǔ)器和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)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(gè)芯片內(nèi)。 CPU 通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入輸出接口電路相連接。與一般計(jì)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(hù)程序和數(shù)據(jù)事先存入存儲(chǔ)器中，當(dāng) PLC 處于運(yùn)行方式時(shí)， CPU 按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶(hù)程序。 CPU 的主要任務(wù)有：控制用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)；用掃描的方式通過(guò) I/O 部件接收現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)器中；診斷 PLC 內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等； PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶(hù)指令，經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通訊等功能。 不同型號(hào)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(jì)的專(zhuān)用 CPU 芯片的。 CPU 芯片的性能關(guān)系到 PLC處理控制信號(hào)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(chǔ)器 PLC 的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶(hù)存儲(chǔ)器兩部分。 系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來(lái)存放由 PLC 生產(chǎn)廠家編寫(xiě)的系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序固化在ROM 內(nèi)，用戶(hù)不能直接更改，它使 PLC 具有基本的功能，能夠完成 PLC 設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)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(gè) PLC 按部就班地工作。第二部分為用戶(hù)指令解釋程序，通過(guò)用戶(hù)指令解釋程序，將 PLC 的編程語(yǔ)言變?yōu)闄C(jī)器語(yǔ)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(lái)完成的，這部分程序的多少也決定了 PLC 性能的高低。 用戶(hù)存儲(chǔ)器包括用戶(hù)程序存儲(chǔ)器 (程序區(qū) )和功能存儲(chǔ)器 (數(shù)據(jù)區(qū) )兩部分。用戶(hù)程序存儲(chǔ)器用來(lái)存放用戶(hù)針對(duì)具體控制任務(wù)用規(guī)定的 PLC 編程語(yǔ)言編寫(xiě)的各種用戶(hù)程序，以及用戶(hù)的系統(tǒng)配置。用戶(hù)程序存儲(chǔ)器根據(jù)所選用的存儲(chǔ)器單元類(lèi)型的不同，可以是 RAM(有掉電保護(hù) )、 EPROM 或 EEPROM 存儲(chǔ)器，其內(nèi)容可以由用戶(hù)任