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毕业设计（论文）-焊接机器人设计
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92六自由度喷涂机器人结构设计及控制-8
第四章控制系统总体设计；法；但各厂家的集散控制系统产品自成系统，有着不同的通；基于工控机的分布式控制系统结构采用嵌入式结构，以；基于ＩＰＣ和运动控制器的控制系统是一种开放式结构；在ＩＰＣ与运动控制器的控制系统中引入现场总线形成；汽车车身喷涂工艺复杂，车身表面形态不一，轨迹多种；第四章控制系统总体设计；制系统的组成也可以说是基于以太网和现场总线的分布；组织层协
第四章控制系统总体设计法。但各厂家的集散控制系统产品自成系统，有着不同的通信方式，导致系统封闭、不开放，难以实现产品的互换与互操作以及组成更大范围的网络系统。并且采用一台设备、一对传输线的接线方式，导致接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。基于工控机的分布式控制系统结构采用嵌入式结构，以机箱加主板为主体结构，再通过工控机扩展插槽搭配诸如Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ、ＤＩ／Ｄ０等功能Ｉ／０板卡的组合产品，并结合工业以太网技术构成分布式网络，实现模块化和组合化。其优点就在于拥有丰富的软硬件资源可组成各种控制装置、计算机监控系统等。国内外拥有众多的符合工控机标准的各种控制硬件以及基于ＰＣ机的工控软件以供选用。但是系统抗干扰能力不如专用控制器，且可靠性不高，一旦工控机软硬件出现故障系统就陷入瘫痪，可维护性较差。基于ＩＰＣ和运动控制器的控制系统是一种开放式结构，可以充分利用工控机的资源和第三方软件资源完成用户应用程序的开发，用于人机交互，现场情况监测报警等功能。运动控制器主要用于底层的数据采集和过程控制、运动控制、实现控制算法等功能。这种结构结合了上述两种方案的优点，并且由于底层的控制检测是通过运动控制器来完成的，运动控制器在恶劣工业现场的稳定性，抗干扰能力表现突出，系统整体的稳定性良好，被广为采用。在ＩＰＣ与运动控制器的控制系统中引入现场总线形成新的分布式控制系统，在该系统中，工控机通过以太网与运动控制器相连接，现场总线直接延伸到现场挂接支持该总线的控制器、传感器、变送器、执行器和伺服机构等，使操作人员在控制室就能实现主控系统对现场设备的在线监视、诊断、校验和参数整定，从而提高了系统的精度、可监视性和抗干扰能力。在该系统中对一些简单的过程控制通过底层现场设备来完成，而复杂的过程控制及协调功能则由运动控制器来完成。现场总线提供运动控制器、Ｉ／Ｏ单元、执行器之间的高速数据传输通道。这种系统布线少、安装费用低，节省了电缆，使维修更加方便。并且更加灵活、开放，适合Ｉ／０点数多、分布分散、工业复杂的工业控制过程１２４１。汽车车身喷涂工艺复杂，车身表面形态不一，轨迹多种多样，并且需要多台喷涂机器人协作完成，要求各台机器人间有着快速稳定的通讯。通过对比上述几种控制方案，最终决定采用引入现场总线的工控机与运动控制器的多级分布式控制方式，系统分为组织层、协调层和执行层三层次，如图４．２所示。底层的现场执行层由若干伺服控制单元构成，包括驱动设备及电机等：协调层由控制器构成，接收来自组织层的程序指令以及对执行层的伺服控制单元进行控制；组织层则由工控机及操作面板构成，可进行人机交互，编写程序，监测喷涂过程等。这种控第四章控制系统总体设计制系统的组成也可以说是基于以太网和现场总线的分布式运动控制系统，这种控制系统拥有诸多优点：接线简单，在一条通信电缆上通常可挂接多种数字化设备，大量减少了电缆，端子的使用，精度高，误差小，提高了系统工作的可靠性的同时降低了安装和维护难度；同时，当前专用的运动控制器品种繁多，为控制系统省去了大量的硬件研制工作，缩短了开发周期。开发人员只需要选择带有标准接口、总线的运动控制器及其相应功能模块正确组态即可。组织层协调层执行层Ｉ驱动装置１Ｌ一一执行机构１以工控机太网还动控制器，―‘现场Ｉ驱动装置２总线ｌＩ．一执行机构２Ｉ驱动装置３Ｈ执行机构３Ｉ驱动装置４卜一执行机构４图４．２控制系统的分级结构图４．３控制系统硬件选择４．３．１运动控制器的选择运动控制器是整个运动控制系统的核心，已从过去的以单片机、微处理器或专用芯片为核心的运动控制器发展到目前基于ＰＣ总线，以ＤＳＰ为核心处理器的开放式运动控制器，产品种类主要有单片机系统、运动控制卡系统、ＰＬＣ系统、数控系统等【４２｜。单片机系统由单片机芯片、外围扩展芯片以及通过搭建外围电路组成运动控制系统的控制器，这种控制器虽然成本较低，但其对于控制伺服电机来说，存在速度不够，控制精度受限等缺点。并且开发周期长，调试过程繁琐，不易扩充与升级。运动控制卡是一种基于工业ＰＣ机、用于各种运动场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元，通常采用专业运动控制芯片或高速ＤＳＰ作为运动第四章控制系统总体设计控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡通过ＩＳＡ总线或ＰＣＩ总线与工控机相连，构成主从式控制结构，Ｐｃ机负责人机交互界面管理和控制系统监控：控制卡完成运动控制的所有细节。然而，目前运动控制卡多数应用于实验室环境，由于运动控制｝是通过ＰＣＩ或ＩＳＡ插槽连接在Ｐｃ机内部，所以当其应用于工业现场时，抗干扰能力略显不足。并且涉及到板卡的接线较为复杂，容易出错，在工业现场中应用不便。可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）是以微处理器为基础，在硬件接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。它是将计算机技术与自动控制技术综台为一体的工业控制产品，由中央处理单元（ＣＰＵ）、存储嚣、输入／输出单元（Ｉ／０）、电源、编程器等组成，是专为在工ｑｐ环境下应用而设计的一种工Ⅱｋ控制计算机。可编程逻辑控制器般都具有脉冲输出功能，以它作为运动控制器，可咀控制接收脉冲和方向信号工作的电机，如步进电机和数字式交流伺服电机等。这种控制方式具有体积小、重量轻，町靠性高，通用性强，成本较低，软、硬件开发周期短，安装维护简便，在工业现场抗ｌ。扰能力强等优点ｆ４…。，Ｆ～／～《叫～慧＼、一坩ｉ，～录¨潘灌橱ｕ恩■日Ｉ电源连接器２一ｉ／ｏ莲接器３－ＭＥＣＨＡＴＲＯＬＩＮＫ．『【连接器４－开关５．显示灯６．通信模块７－ＲＳ－２３２Ｃ端口８－Ｅｔｈｅｍｅｔ端ｕ图４－３运动控制器ＭＰ２３００基本模块与通信模块基于以上的比较分析，本文选择了一种基于ＰＬＣ的运动控制器，安川生产的々用运动控制器ＭＰ２３００，它由具有机器运动控制与顺序控制功能的摹本模块部分和具有Ｉ／Ｏ及通讯功能的选购件模块构成。运动控制器ＭＰ２３００采用了选配件插槽结构（共有３个插槽），并带有高速运动网络ＭＥＣＨＡＴＲＯＬＩＮＫ―Ｉ…０Ｍｂｐｓ）接口，如图４－３所不，这些捕槽和嘲络接口将各个功能模块连接，连接方式方便第四章控制系统总体设计简单，减少了各模块之间的连线，便于随时更换模块，提高了系统的稳定性Ｍ】。ＭＰ２３００功能特点如下【４５Ｊ：１．拥有８Ｍ闪存存储器，其中用户领域分配５．５Ｍ，用于定义文件，梯形程序及运动程序的存储。具有２５６Ｋ数据存储器。２．具有灵活的扩展性，自身配有３个扩展插槽，可匹配各种选用功能模块，并且具有现场总线ＭＥＣＨＡＴＲＯＬＩＮＫ．ＩＩ连接器，可最多连接１６站（包括外部输入输出站）。３．具有位置控制、速度控制、转矩控制和相位控制四种控制模式，可实现在线切换各种控制模式，高效控制复杂的机械运动。４．具有直线插补以及描绘任意圆弧的圆弧插补功能。一台ＭＰ２３００可以同时对多轴进行控制，如根据工作要求需增加控制轴数，仅需将其伺服驱动及外部输入输出挂接到ＭＥＣ｝Ｌ盯ＲＯＬＩＮＫ．ＩＩ总线上即可方便的进行控制。４．３．２ＭＰ２３００其他模块的选择为使运动控制器能够方便的与上位计算机及操作站之间进行方便的通讯，选择ＭＰ２３００的通讯模块ＪＡＰＭＣ．ＣＭ２３００，该模块用于构建开放式网络，其上带有一个Ｅｔｈｅｍｅｔ（以太网）端口，用于与上位计算机相连接，一个ＲＳ．２３２Ｃ端口，用于与操作站的触摸式面板连接。触摸式面板主要用于对机器人运动情况的监控以及示教指令和参数的输入等。由于对机器人的控制还需要大量的Ｉ／Ｏ信号，因此有必要再扩展更多的Ｉ／Ｏ端口，这里选用了６４点输入输出Ｉ／Ｏ模块ＪＥＰＭＣ．１０２３１０，它可以通过挂接在Ｍ．ＩＩ总线上方便的与运动控制器ＭＰ２３００进行数据传输。为消除通信电缆中的信号反射，控制系统ＭＥＣＨＡＴＲＯＬⅣＫ．ＩＩ总线终端还需选配一个终端电阻。４．３．３机构驱动方式选择一般机器人驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动几种形式，液压驱动可以方便的实现直线和旋转运动，但其易漏油，污染环境，且需要专门提供油源；气压驱动结构简单，成本低，具有缓冲作用，但驱动装置体积大，实现转动需要中间传动机构，且噪声大；电气驱动又分为步进电机、直流电机和交流电机驱动。步进电机驱动可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉，但步进电机基本上不具有过载能力，启动频率受到限制，且需要专门的电第四章控制系统总体设计源。功率偏大时，体积较大，并且其空间分辨率较低，只适于传动功率不大的关节或小型机器人。直流电机驱动主要有两种类型，大惯量直流力矩电机直接驱动和小惯量直流伺服电机通过减速器驱动负载。它们的共同特点是快速性好，控制精度高，对转角无限制，驱动功率较大，调速性能好。可方便的采用转动式传感器实现速度、位置闭环控制，是最为常用的驱动方式。’交流伺服电机结构较简单，体积较小，运行可靠，使用维修方便，价格比直流伺服电机便宜，但高于步进电机。直流伺服电机虽然具有优良的调速性能，但是其电刷和换向器易磨损，需要经常维护，而且换向器在换向过程中会产生电火花，使电机的转速和应用环境受到限制。而交流伺服电机转子惯量比直流电机小，动态响应更好，绝对值码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以达到很大的启动功率，提供很高的响应速度，在功率较大的场合应用较多。本文所介绍的喷涂机器人，工作轨迹较复杂，要求控制性能较高，有较快的响应特性和较高的抗过载能力。并且由于喷涂机器人工作于恶劣环境之中，充满易燃易爆的雾态有机溶剂、气体，因此防爆是要特别考虑的，由于无刷交流伺服电机不会向直流电机那样频繁换向并产生电火花，所以可很好的达到防爆功能，通过以上的对比分析，机器人驱动方式采用了伺服驱动，由交流伺服电机作为执行机构。４．３．４ＭＥＣＨＡｌ限ｏＬＩＮＫ现场总线通过上面两节的介绍，运动控制器和各关节伺服驱动都是连接在ＭＥＣＨＡＴＲＯＬＩＮＫ运动网络上进行通讯的，ＭＥＣＨＡＴＲＯＬＩＮＫ是一种高速的现场通信总线，包括通信速度为４Ｍｂｐｓ的Ｍ．Ｉ（全称ＭＥＣＨＡＴＲＯＬＩＮＫ）和１０Ｍｂｐｓ的Ｍ．ＩＩ，实现了实时、准确地接受和发送用于控制的位置数据，速度数据，输入输出状态等信息，完成灵活的，高精度的运动控制，特别适用于需要各轴问的协调同步和插补控制的应用，除了控制机械所必需的转矩、位置、速度控制功能以外，还可实现要求精度极高的相位协调控制，更可以完成在线任意切换控制方式，如系统在位置控制方式进行中，在线切换为转矩控制方式，使复杂的机械动作得以高效、平稳地控制。随着自动化控制技术发展，从过程自动化（ＰＡ），工厂自动化（ＦＡ）到现在的运动控制以及将来的智能控制，对现场网络总线技术的实时性和确定性以及扩展性的要求也在不断提高。目前高速、可用于运动控制的现场总线有Ｐｒｏｆｉｂｕｓ．ＤＰＶ２，ＳＥＲＣＯＳ，Ｄｅｖｉｃｅ－Ｎｅｔ，ＭＥＣＨＡＴＲＯＬＩＮＫ等等。日本安川电机株式会社在九十年代针对伺服及运动控制制定了ＭＥｃＨＡＴＲＯＬＩＮＫ现场总线协议，由于当时主要局限在公司自身的产品上，未对外公开，所以外界对３６包含各类专业文献、生活休闲娱乐、高等教育、外语学习资料、应用写作文书、专业论文、中学教育、92六自由度喷涂机器人结构设计及控制等内容。　
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