说说【基础】工业机器人控制系统功能与结构

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工业机器人控制系统的组成全球机器人市场持续增长，工业机器人市场持续稳定增长，服务机器人市场则呈现快速发展趋势。伴随着abb机器人产品的使用，人工智能技术的逐步成熟，人机协作的不断深度，机器人产品应用产业不断拓展，全球机器人行业将迎来新一轮的增长。

控制计算机：控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。

示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定以及所有人机交互操作拥有自己独立的CPU以及存储单与主计算机之间以串行宽带方式实现信息交互。

操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成只完成基本功能操作。

硬盘和软盘存储存：储机器人工作程序的外围存储器。

数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。

打印机接口：记录需要输出的各种信息。

传感器接口：用于信息的自动检测实现机器人柔顺控制一般为力觉、触觉和视觉传感器。

轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。

辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制如手爪变位器等。

宽带接口：实现机器人和其他设备的信息交换一般有串行接口、并行接口等。

络接口：①E接口：可通过以太实现数台或单台机器人的直接PC宽带数据传输速率高达10M可直接在PC上用库函数进行应用程序编程之后支持TCPIP宽带协议通过E接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。

   ②F接口：支持多种流行的现场总线规格如D 、AB R IO、I-、-DP、M-NET等。

工业机器人控制系统分类

程序控制系统：给每一个自由度施加一定规律的控制作用机器人就可实现要求的空间轨迹。

自适应控制系统：当外界条件变化时为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察再调整非线性模型的参数一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。

人工智能系统：事先无法编制运动程序而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息实时确定控制作用。

运动方式：

点位式：要求机器人准确控制末端执行器的位姿而与路径无关；

轨迹式：要求机器人按示教的轨迹和速度运动。

控制总线：国际标准总线控制系统。采用国际标准总线作为控制系统的控制总线如VME、MULTI-、STD-、PC-。

自定义总线控制系统：由生产厂家自行定义使用的总线作为控制系统总线。

编程方式：物理设置编程系统。由操作者设置固定的限位开关实现起动停车的程序操作只能用于简单的拾起和放置作业。

在线编程：通过人的示教来完成操作信息的记忆过程编程方式包括直接示教即手把手示教模拟示教和示教盒示教。

离线编程：不对实际作业的机器人直接示教而是脱离实际作业环境生成示教程序通过使用高级机器人编程语言远程式离线生成机器人作业轨迹。

机器人控制系统结构

机器人控制系统按其控制方式可分为三类。

1集中控制系统(C C S )：用一台计算机实现全部控制功能结构简单成本低但实时性差难以扩展在早期的机器人中常采用这种结构。

基于PC 的集中控制系统里充分利用了PC 资源开放性的特点可以实现很好的开放性：多种控制卡传感器设备等都可以通过标准PCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。

集中式控制系统的优点是:硬件成本较低便于信息的采集和分析易于实现系统的最优控制整体性与协调性较好基于PC 的系统硬件扩展较为方便。

其缺点也显而易见:系统控制缺乏灵活性控制危险容易集中一旦出现故障其影响面广后果严重;由于工业机器人的实时性要求很高当系统进行大量数据计算会降低系统实时性系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；此外系统连线复杂会降低系统的可靠性。

   集中控制系统框图

2主从控制系统：采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所有关节的动作控制。其构成框图如图3所示。主从控制方式系统实时性较好适于高精度、高速度控制但其系统扩展性较差维修困难。

主从动控制系框图

3分散控制系统(D C S )：按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块每一个模块各有不同的控制任务和控制策略各模式之间可以是主从关系也可以是平等关系。这种方式实时性好易于实现高速、高精度控制易于扩展可实现智能控制是目流行的方式其控制框图如图4所示。

分布式控制系统框图

其主要思想是“分散控制集中管理”即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配并通过子系统的协调工作来完成控制任务整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的所以DCS 系统又称为集散控制系统或分散控制系统。

这种结构中子系统是由控制器和不同被控对象或设备构成的各个子系统之间通过络等相互通。分布式控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统。分布式系统中常采用两级控制方式。

两级分布式控制系统通常由上位机、下为机和络组成。上位机可以进行不同的轨迹规划和控制算法下位机进行插补细分、控制优化等的研究和实现。上位机和下位机通过通总线相互协调工作这里的通总线可以是RS-232、RS-485、EEE-488 以及USB 总线等形式。



工业机器人控制系统所要达到的功能

机器人控制系统是机器人的重要组成部分用于对操作机的控制以完成特定的工作任务其基本功能如下：

记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。

示教功能：离线编程在线示教间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。

与外围设备联系功能：输入和输出接口、宽带接口、络接口、同步接口。

坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。  人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。

传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。

位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。

故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。



机器人控制系统组成框图

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现在以太和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速、稳定、有效的通服务。尤其是现场总线它应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向多结点数字宽带从而形成了新型的络集成式全分布控制系统—现场总线控制系统FCS ( F  C S )。

在工厂生产络中将可以通过现场总线连接的设备统称为“现场设备仪表”。从系统论的角度来说工业机器人作为工厂的生产设备之一也可以归纳为现场设备。

在机器人系统中引入现场总线技术后更有利于机器人在工业生产环境中的集成。

分布式控制系统的优点在于：系统灵活性好控制系统的危险性降低采用多处理器的分散控制有利于系统功能的并行执行提高系统的处理效率缩短响应时间。

对于具有多自由度的工业机器人而言集中控制对各个控制轴之间的藕合关系处理得很好可以很简单的进行补偿。但是当轴的数量增加到使控制算法变得很复杂时其控制性能会恶化。而且当系统中轴的数量或控制算法变得很复杂时可能会导致系统的重新设计。与之相比分布式结构的每一个运动轴都由一个控制器处理这意味着系统有较少的轴间祸合和较高的系统重构性。

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