中車株洲電機有限公司 周永欣 馬文斌

六自由工業(yè)機器人控制系統(tǒng)硬件設計

中車株洲電機有限公司 周永欣 馬文斌

隨著工業(yè)生產(chǎn)飛躍發(fā)展，自動化程度迅速提高，實現(xiàn)工件裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具加工、裝配的自動化，已愈來愈引起人們的重視。本文以六自由度工業(yè)機器人為依托，借助固高運動控制器，設計了控制系統(tǒng)的硬件，并通過實際運行完成對控制系統(tǒng)硬件的測試。

六自由度；工業(yè)機器人；固高；控制系統(tǒng)

1.引言

基于人工成本的不斷增長，制造業(yè)“機器換人”為大勢所趨，國內(nèi)智能制造產(chǎn)業(yè)正在崛起。現(xiàn)代智能制造技術的蓬勃發(fā)展及更先進、更智能生產(chǎn)方式的普及，使小企業(yè)低效率、低精度的落后手工生產(chǎn)方式逐步發(fā)生改變，使大企業(yè)生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性、靈活性和高效性得以相應提升，促使龐大的高新技術產(chǎn)業(yè)群開始慢慢成型。中國制造業(yè)正歷一場緩慢卻深刻的變革——大量使用智能制造設備。

本文中六自由度機器人控制系統(tǒng)硬件部分主要構成有：一臺固高運動控制器，示教器，通用I/O模塊，交流伺服控制系統(tǒng)，變壓器及其它附件。硬件結構如圖所示。

系統(tǒng)硬件結構圖

2.運動控制器介紹

2.1 運動控制器的主要功能

(1)操作系統(tǒng)承載平臺，人機交互界面窗口；

(2)運動學計算，六個伺服電機協(xié)同控制的實現(xiàn)，是整個機器人控制系統(tǒng)的核心。

(3)運動示教，示教過程中控制機器人位姿變化。

(4)工作狀態(tài)顯示、記錄等功能界面。

本文中機器人涉及6個自由度，選用固高GTC系列運動控制器，此控制器是將 PC 技術與運動控制技術相結合的產(chǎn)物。以X86 架構的 CPU和芯片組為系統(tǒng)處理器，采用高性能 DSP 和FPGA 作為運動控制協(xié)處理器，可以實現(xiàn)高性能控制計算。延續(xù)了固高科技運動控制器可以實現(xiàn)高性能多軸協(xié)調(diào)運動控制和高速點位運動控制的同時，實現(xiàn)普通 PC 機的所有基本功能，是理想的嵌入式一體化解決方案。

2.2 運動控制器與伺服系統(tǒng)的連接

驅(qū)動器與運動控制器的連接如圖所示，運動控制器上的接口AXIS1、AXIS2、AXIS3、AXIS4、AXIS5、AXIS6分別接到軸1到軸6驅(qū)動器的CN1接口，控制方式選用位置控制。

運動控制器與伺服驅(qū)動端口接線圖

控制器讀驅(qū)動器的絕對位置是通過MODBUS協(xié)議。固高控制器提供了標準的232接口，臺達A2驅(qū)動器提供232和485兩種接線方式。由于臺達驅(qū)動器不支持同時使用232和485端口，因此菊花鏈按485的接線方式來做，最后用232轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器接到控制器。固高機器人系統(tǒng)與臺達驅(qū)動器的通訊是按1個停止位8個數(shù)據(jù)，奇校驗，波特率9600的MODBUS ASCII來通訊，形成位置全閉環(huán)。

3.伺服系統(tǒng)設計

本文所述智能制造設備擬用于焊接?？刂葡到y(tǒng)選用臺達伺服系統(tǒng)，由交流伺服電機、交流伺服驅(qū)動器、光電編碼器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。臺達伺服系統(tǒng)具有全新的內(nèi)部命令模式，應用靈活，高響應頻率1000Hz，反應快速；20位編碼器高精度定位；全閉環(huán)回路控制，可克服抗性問題；內(nèi)置摩擦力補償功能，可讓機械快速轉(zhuǎn)向；撞擊力量保護功能，實時安全可靠；自動高低頻抑振功能，系統(tǒng)調(diào)適簡單容易，可接受高頻脈沖輸入命令4MHz；支持泛用網(wǎng)絡RS-485/232;高速位置擷取功能，可精準記錄位置；高速位置比較功能，可準確偵測位置；密碼保護功能，可用于保護設計機密。伺服驅(qū)動器從控制器接受脈沖信號（脈沖信號的數(shù)量和頻率決定了伺服電機的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速）控制伺服電機轉(zhuǎn)動。伺服驅(qū)動器從編碼器獲得閉環(huán)系統(tǒng)的位置反饋，并同時通過絕對值轉(zhuǎn)增量編碼的方法傳送給運動控制器實現(xiàn)位置閉環(huán)。

為了保證斷電時機器人各關節(jié)不會隨自身重力而大幅轉(zhuǎn)動，驅(qū)動均采用帶制動器的伺服電機。電機制動器的打開由運動控制器輸出信號，通過繼電器控制制動器上的24V電源通斷來控制，運動控制器在給伺服電機伺服使能之后，需要控制該通用輸出口輸出信號，使電機制動器打開。

4.控制系統(tǒng)輔助功能的設計

整個控制系統(tǒng)除了核心硬件部分之外，還需要一些輔助部分，主要包括電控柜、電源、再生電阻、示教器和保護電路等。

4.1 電控柜

控制系統(tǒng)大部分硬件整合安裝到電控柜中，電控柜的設計要符合外形美觀、操作方便等原則。電控柜的設計布局及電氣原理如圖所示。

控制柜設計及電氣圖

在內(nèi)部布局上盡量避免了電路間的信號干擾，將硬件部分主要分成伺服驅(qū)動單元、運動控制器、直流電源、交流電源、濾波器、安全保護電路、接觸器、繼電器等幾個模塊。伺服驅(qū)動單元位于最上面，然后下面是斷路器、接觸器、中間繼電器等、然后下邊是接線端子、濾波器和運動控制器，在控制柜最下層的是交流電源，直流電源，布線位于各器件中間。

4.2 電源和保護電路

系統(tǒng)需要的電源支持主要有伺服驅(qū)動器所需的三相220V交流電源，控制器控制接口和開關繼電器所需的24V直流穩(wěn)壓電源。三相220V交流電源選用三相380V轉(zhuǎn)220V干式隔離伺服變壓器，24V直流穩(wěn)壓電源先選用500W控制隔離干式變壓器將三相380V交流電轉(zhuǎn)為單220V交流電然后選用明緯導軌式安裝開關電源轉(zhuǎn)為24V直流穩(wěn)壓電源。

4.3 回生電阻

當電機的輸出力矩和轉(zhuǎn)速的方向相反時，它代表能量從負載端回饋至驅(qū)動器內(nèi)。此能量灌注DCBus中的電容使得其電壓值往上升。當上升到某一值時，回饋的能量只能靠回生電阻來消耗。驅(qū)動器內(nèi)含回生電阻，當驅(qū)動器內(nèi)回生電阻功率不夠時需要外接回生電阻。經(jīng)過計算給最大功率電機串聯(lián)接入兩個1Kw回生電阻。

4.4 示教器

機器人采用的示教器為GRP3000，顯示為7寸4:3的液晶觸摸顯示屏，并配置了eHMI（千兆網(wǎng)人機界面接口）通訊電纜，同時還有多個薄膜按鍵和3位的鑰匙開關及2位的安全開關。顯示屏通過eHMI連接到運動控制器上，以運動控制器的圖像信息顯示到示教器的顯示屏上，通過示教器的觸摸屏及薄膜按鍵完成對整個機器人的控制。

5 結論

本文針對六自由度機器人，設計了整體的硬件結構，介紹了運動控制器的選擇及其特點、并介紹了伺服系統(tǒng)及輔助電氣系統(tǒng)部分的內(nèi)容。

[1]李偉．六自由度關節(jié)式機器人控制系統(tǒng)開發(fā)．碩士論文,華東理工大學,2014．

[2]王殿君,劉淑晶．六自由度模塊化機器人控制系統(tǒng)設計．制造業(yè)自動化,2015,06．

周永欣（1988-），男，湖南湘鄉(xiāng)人，碩士，中車株洲電機有限公司助理工程師，研究方向：機電控制。