工业机器人的控制

第三节　工业机器人的控制

一、工业机器人控制系统的功能和组成

工业机器人的控制系统相当于人的大脑，它指挥机器人的动作，并协调机器人与生产系统之间的关系。对示教再现型机器人来说，包括示教、存储、再现、操作等环节。按控制信号对伺服执行机构发出指令，包括动作的顺序、应到达的位置与路径、动作的时间等。必要时对机器人的动作进行监视，当发生错误或故障时发出报警信号。控制系统还对生产系统(加工机械或其他设备)的状况做作出反应，产生相应的动作。控制系统是反映机器人功能和水平的核心部分。

控制系统为一种分级结构，包括三级控制器。

1.作业控制器

根据示教操作记忆每步动作的顺序、程序步进的条件、每步程序的内容(位置、速度、轨迹等);依次发出相应的作业指示。同时随着作业的进行，对生产系统来的外部信号进行处理。

2.运动控制器

用于进行连续轨迹控制(CP)，接受由作业控制器来的程序命令，对应所要求的运动轨迹产生给定值(将程序步骤的作业指今变换为各运动轴的动作指令)，送给驱动控制器以控制各轴运动。在点位控制(PTP)中，没有这部分，而由作业控制器直接将给定值送给驱动系统。

3.驱动控制器

在伺服机构的控制回路中，每一部件的每个运动轴由一个驱动控制器控制。

在采用微型计算机控制的机器人中，微机可承担上述作业控制和运动控制功能，包括程序示教、程序编辑、轨迹插补运算以及坐标变换等;而由驱动控制器承担的位置，速度控制及各种补偿、修正等，可通过伺服接口来实现。许多运动控制和伺服功能可由软件来实现。

二、工业机器人控制方式

工业机器人的控制机能由示教机能和动作机能组成。前者是先把操作过程示教给机器人，后者是指程序和运动控制。

工业机器人的控制方式有多种。其分类如图12-10所示。

图12-10

三、程序控制方式

工业机器人是按照预先确定的程序进行顺序动作的自动机械。在重复型操作机器人的工作过程中，如一个工作过程是由若干个步骤所构成，则每个步骤称为一个“程序步”。

机器人控制中有三种信息:

(1)顺序信息即各程序步中单元动作的配合及步进顺序;

(2)位置信息即到达各点的坐标值;

(3)时间信息即各程序步所用的时间，这也可表示为完成各动作的速度。

机器人各步的动作是接规定时限，或者根据前一步完成的证实信号(到达位置)、按规定顺序进行的。就是说，程序的步进是按照时间原则或者位置原则进行的。前者是利用控制器内的时间继电器或计数定时器进行计时，到规定时间后，发出步进控制信号，称“时序控制”。后者是以外部发出的机器手臂运动的位置反馈信号为条件进行控制而产生步进的，称“顺序控制”。因此程序控制分时序和顺序二种方式。

要使机器人工作，须先示教给定动作程序，用存储器记忆，然后以此进行操作。

四、运动控制方式

1.位置控制

机器人位置控制分为点位控制(PTP)和连续轨迹控制(CP)二种，二者的区别如图12-11所示。

(1)点位控制方式这种方式只控制机器人运动部件所应到达空间点的定位。而对二个定位点间的运动轨迹不加控制。这种控制方式可达到较高的重复精度(±0.5mm)，适用于上下料、点焊及搬运等作业。

图12-11　点位控制和连续轨迹控制的区别

点位控制又分为两点控制和多点控制二种。定位点为二点的点位控制，采用开关型控制机构就可以实现。多点定位控制，要采用带反馈环节(行程检测元件)的闭环伺服机构或者数控开环机构。

(2)连续轨迹控制方式不仅要控制行程中所有中间点的位置，而且对运动轨迹型式有一定精度范围的要求。例如机器人进行喷漆、连续电弧焊作业就是这种情况。连续轨迹控制一般采用闭环伺服机构。这种控制方式要求示教的各位置点必须是连续的，因而比较麻烦，示教效率低，要求容量大的存储装置。目前大多数工业机器人实际上采用PTP示教(对于直线轨迹为两点指定，对于圆弧或圆，则为三点或四点指定)。两点间的轨迹由微处理器按轨迹类型作插补运算(直线插补或圆弧插补)求出其间各点的坐标值以形成连续轨迹，这要求有计算装置，但存储容量小。

2.速度控制

对工业机器人来说，在位置控制的同时，还要进行速度控制。为了保证运动快速、平稳、定位精度高，机器人的行程要遵循一定的速度变化曲线(图12-12)。由于工业机器人是一种工作情况(行程、负载)多变、惯性负载大的运动机械，要处理好快速与平稳的矛盾，必须注意启动加速和停止前的减速这两个过渡运动区段。

图12-12　机器人一个行程的速度时间曲线

五、机器人的示教再现方式

示教就是把规定的动作教给机器人。示教的简繁标志着机器人自动化水平的高低。示教方式有两种，一是直接示教方式，即操作人员直接带动机器人的手臂依次通过预定的轨迹。这时，顺序、位置、时间信息自动记录在存储器中。另一种是间接示教方式，即操作人员通过手动控制盒上的按键，编制机器人的动作顺序，确定位置、设定速度或限时。这种方式中三种信息的示教是分离进行的。计算机控制时用特定的语言编制示教程序，实际上是一种间接示教方式，称离线编程。

存储是将示教的各种信息保存在存储器中。存储信息的型式、存储容量的大小决定机器人能进行操作的复杂程度。机器人用的存储装置，最初是磁鼓，后来是磁芯等，现在采用高集成度的半导体存储器。

在机器人工作时再现所示教的动作，使手端沿目标轨迹运动。轨迹记忆再现的方式同样有点位控制(PTP)和连续轨迹控制(CP)。

六、机器人计算机控制

1.计算机在机器人中的功能

(1)人-机器人接口功能人可脱机，先用程序语言编程，然后再输入机器人。

(2)轨迹运算功能可实现由直角坐标到关节坐标的互换，完成示教点的插补运算及时间比例的变换，使机器人能完成复杂的轨迹动作。

(3)伺服控制功能进行软件伺服，简化硬件设备。机器人采用PID控制方式，或者再加上重力影响的补偿。

(4)传感器信息的处理与判断功能以适应外部状态变化。

(5)故障监视、诊断功能提高工作可靠性、减少维修检查时间。

2.采用计算机控制的优点

计算机具有存储能力和计算能力，而且可脱机编程，加之微型计算机价格便宜等，目前机器人大多采用微型计算机控制，主要优点是:

(1)便于编制程序，简化示教操作，提高示教的自动化程序。

(2)可使机器人平滑地跟踪复杂的运动轨迹，能适应外界环境的变化，提高机器人的通用性和灵活性。第二代适应性控制机器人和第三代智能性控制机器人均采用计算机。

(3)计算机易实现人和机器人的对话，且具有故障自动检测和诊断功能，使机器人的可靠性和安全性得到改进。

(4)采用计算机，不仅可方便地实现机器人单机控制，还可进而发展机器人群控系统，可以使多个机器人在同一时间进行同一工作，也可进行不同的工作，这时计算机以分时方式进行控制。

3.工业机器人计算机控制类型与方式

机器人计算机控制通常有3种类型:①管理型;②记忆型;③运算型(目前大多数工业机器人属于这一类型)。其控制方式分集中控制和分散控制两种。