時間:2024-03-04 16:48:45來源:控制工程中文版
運動控制涉及使用電機(jī)對執(zhí)行器進(jìn)行定位和精確移動。雖然運動控制并不總是閉環(huán)控制,但它不同于電機(jī)控制,后者的主要目標(biāo)是實現(xiàn)并驗證已知位置或運動。
01
步進(jìn)電機(jī)的原理和維護(hù)
步進(jìn)電機(jī)是一種無刷直流電機(jī),其定子由多個電磁鐵圍繞齒輪狀轉(zhuǎn)子排列而成。環(huán)形排列的磁體被分為不同的組,這就是相。每相同時通電,使電機(jī)“步進(jìn)”到下一個位置。
基于微控制器的步進(jìn)驅(qū)動器按適當(dāng)?shù)捻樞蚣せ铗?qū)動晶體管。典型的步進(jìn)電機(jī)分辨率為每轉(zhuǎn)200步,但使用“微步進(jìn)”驅(qū)動器,可以實現(xiàn)每轉(zhuǎn)1600步。步進(jìn)驅(qū)動器有時也被稱為“斬波器”。
步進(jìn)電機(jī)通常在沒有反饋設(shè)備(如編碼器或解碼器)的情況下運行,這使它們成為一種比伺服電機(jī)更便宜的定位方法,但它們也沒有太多的保持扭矩。除了電機(jī)和驅(qū)動器外,還需要分度器。它可內(nèi)置在驅(qū)動器中,并與主控制器通信,或由可編程邏輯控制器 (PLC) 等控制器發(fā)送脈沖,對驅(qū)動器進(jìn)行分度。步進(jìn)系統(tǒng)的故障排除可能包括檢查控制電路中的電壓和通信,甚至使用示波器查看脈沖信號。
02
伺服系統(tǒng)的組件和維護(hù)
伺服或伺服機(jī)構(gòu)是一種使用反饋來控制位置和扭矩的裝置。它們可以是電動、液壓或氣動的,但在工業(yè)自動化中使用的大多數(shù)伺服系統(tǒng)都是電機(jī)驅(qū)動的。
伺服電機(jī)可以是有刷永磁直流電機(jī)、無刷永磁交流電機(jī)或交流感應(yīng)電機(jī)。它們通常內(nèi)置一個編碼器或解析器。它們還經(jīng)常與齒輪頭集成在一起。電機(jī)組件上有兩個電纜接頭,這樣就可以分別傳輸來自編碼器/傳感器(反饋電纜)的信號與電機(jī)電源。
伺服驅(qū)動器接受來自編碼器的脈沖輸入,并通過電流監(jiān)測扭矩。溫度傳感器和制動器控制信號有時包含在控制電纜中。一般情況下,伺服驅(qū)動器比變頻器更復(fù)雜,并且通常內(nèi)置邏輯功能?,F(xiàn)代控制器幾乎總是配置高速通信端口,可以與其它控制器連接以協(xié)調(diào)運動。通常這是一種基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議,但有時也會使用光纖。
伺服控制算法基于PID的位置或轉(zhuǎn)矩控制。電機(jī)需要根據(jù)電機(jī)和負(fù)載特性進(jìn)行調(diào)整,以確保實現(xiàn)最佳性能。正是出于這個原因,來自同一制造商的電機(jī)和驅(qū)動器通常配套出售和使用。有些電機(jī)內(nèi)置了驅(qū)動器和控制器。這些“集成伺服”電機(jī),可以聯(lián)網(wǎng)來執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)或作為獨立的定位器來使用。
伺服電機(jī)和由變頻器控制的典型交流感應(yīng)電機(jī)之間的一個重要區(qū)別,是伺服電機(jī)在零速度下具有保持轉(zhuǎn)矩。如果電機(jī)軸在控制電源下偏離其位置,它會嘗試自我校正,如果沒有達(dá)到預(yù)設(shè)位置,則會導(dǎo)致控制器故障。
協(xié)調(diào)運動時,通常使用“主”控制器或位置來調(diào)整其它控制器的速度。一個軸的運動取決于另一個軸或虛擬軸的位置變化。有一點很重要, 那就是使用專用于運動系統(tǒng)的快速通信網(wǎng)絡(luò)。可以使用專用的運動控制器來協(xié)調(diào)伺服軸。通過集成機(jī)器視覺,將機(jī)械手引導(dǎo)到正確的位置。運動控制器可以集成到PLC機(jī)架中,或者是作為單獨系統(tǒng)使用。很多都有單獨的I/O模塊,可以使用IEC 61131 PLC語言進(jìn)行編程。
對伺服系統(tǒng)進(jìn)行故障排除,除了典型的電氣診斷方法,通常還需要了解平臺軟件。驅(qū)動器和控制器通常具有內(nèi)置的診斷功能,以檢測電機(jī)及其所連接負(fù)載可能出現(xiàn)的問題。聯(lián)軸器等機(jī)械元件也會出現(xiàn)故障??傊?,請先閱讀您的文檔。
03
機(jī)器人運動控制的路徑感知
工業(yè)機(jī)器人用于生產(chǎn)制造和材料搬運任務(wù),其物理配置取決于所需的功能。有效載荷和速度要求有助于確定在特定應(yīng)用中所使用的機(jī)器類型。
機(jī)器人可以有多達(dá) 6-7 個運動軸,也可以只有 3 個運動軸。要到達(dá) X-Y 平面上的任意點,需要兩個運動軸;要到達(dá) X-Y-Z 空間中的任意點,需要三個運動軸。要完全控制 "手臂 "末端的工具位置,除了 X、Y 和 Z 軸外,還需要另外三個軸,即俯仰軸、滾動軸和偏航軸。
圖3展示了在三維空間中到達(dá)任何點和方向所需的6個軸,但機(jī)器人使用不同的坐標(biāo)系,關(guān)節(jié)配置也可能不同。原點和方向也隨品牌的不同而有不同的定義,通常可以在軟件中進(jìn)行更改。
▲機(jī)器人坐標(biāo)軸和右手法則。
X、Y和Z位置被稱為笛卡爾坐標(biāo),但它們可以從不同的參考點定義。如果從機(jī)器人的底部或環(huán)境參考點來定義,則被稱為世界坐標(biāo)。在這種情況下,原點參考系是靜止的。從執(zhí)行器的角度進(jìn)行尋址時,則被稱為工具坐標(biāo),原點隨終端執(zhí)行器一起移動。這也可包括從工具連接點到工具接觸零件的偏移。也可以定義局部坐標(biāo),通常將原點設(shè)置在工作區(qū)域內(nèi)。這允許為托盤或其它就地系統(tǒng)復(fù)制參考點。
單個關(guān)節(jié)也可以獨立控制,通常以度為單位進(jìn)行定義。距離通常以公制單位(mm)定義,但也可以在軟件中按用戶定義的單位進(jìn)行縮放。除了X、Y和Z之外,滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航還可以用其它字母進(jìn)行定義,如U、V和W。
機(jī)器人能夠到達(dá)的區(qū)域被稱為工作范圍。可以在機(jī)箱內(nèi)定義平面和空間,以防止碰撞或確保安全,也可以將光幕等安全設(shè)備集成到機(jī)器人工作單元中。
機(jī)器人控制器不斷進(jìn)行計算,以確保它們知道機(jī)器人相對于參考點和路徑的位置。當(dāng)沿著定義路徑移動時,軸必須協(xié)同工作,因此機(jī)器人是協(xié)調(diào)運動控制的最終形式。這就是為什么控制器通常用于支持實現(xiàn)和保持位置的任務(wù)。
與機(jī)器人打交道時需要理解的一個重要問題是奇點。在這種情況下,由于物理或數(shù)學(xué)約束,機(jī)器人無法沿特定路徑移動其終端執(zhí)行器。機(jī)器人最終可能會處于無法繞特定點旋轉(zhuǎn)工具的位置,這有時被稱為萬向節(jié)鎖定。在其它物理配置中,通過某些方向移動關(guān)節(jié)可能會損壞相關(guān)的電纜或軟管,因此當(dāng)移動機(jī)器人靠近奇點或旋轉(zhuǎn)軸過遠(yuǎn)時需要小心。通常有多個關(guān)節(jié)配置,可以實現(xiàn)相同的工具位置和方向,這通常被稱為冗余自由度。
機(jī)器人控制器通常能夠執(zhí)行邏輯功能和操作外部設(shè)備,但它們通常內(nèi)置在工作單元中,并連接到“主”控制器,如PLC??刂破骺梢允峭ㄟ^電源和信號電纜連接到機(jī)器人單元,也可以內(nèi)置在機(jī)器人底座中。連接可以是24 Vdc的物理連接、通信鏈路或通過內(nèi)部路由到終端執(zhí)行器或工具的“直通”端口和連接器。直通端口通常包括氣動軟管。機(jī)器人可以根據(jù)其物理配置進(jìn)行分類。圖4展示了工業(yè)應(yīng)用中常見的一些機(jī)器人。
6軸鉸接臂在重型有效載荷應(yīng)用中比較常見,而4軸SCARA通常用于定向拾取和放置。Delta配置非常快,經(jīng)常在電子行業(yè)中用于元件放置。另外一個需要注意的術(shù)語是協(xié)作機(jī)器人(Cobot):是為在共享空間內(nèi)直接與人類進(jìn)行互動而設(shè)計的,與此處所示的配置并不相同。
04
讓機(jī)器人編程更容易
機(jī)器人可以使用計算機(jī)或通過示教器進(jìn)行編程。需要對兩類代碼進(jìn)行編程:程序和位置數(shù)據(jù)。為了執(zhí)行從一個位置移動到另一個位置的任務(wù),機(jī)器人終端執(zhí)行器首先需要定義起點和終點,然后需要編寫如何到達(dá)那里的程序。這可能涉及額外位置,還需要外部信號來告訴機(jī)器人物體存在或開始移動。
可以通過在軟件中列出來定義位置,但使用示教器更容易。示教器允許操作員移動各個軸,將機(jī)器人“驅(qū)動”到所需位置。為滿足精度和安全要求,一般為低速。在操縱機(jī)器人時,還需要按下一個3位“死區(qū)開關(guān)”。彈簧加載開關(guān)需要保持在中間位置,如果一直按下或釋放,機(jī)器人將無法移動。
程序是對不同位置的一系列移動。它們可以單獨觸發(fā),也可以鏈接在一起。機(jī)器人技術(shù)中使用的語言多種多樣,通常為制造商專有。它們通常類似于Basic或Assembly之類的語言,帶有JUMP和MOVE語句。也可以使用其它高級腳本語言,來構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或創(chuàng)建數(shù)學(xué)算法,例如計算路徑或位置。一些語言允許并行處理,允許機(jī)器人一次執(zhí)行多個動作,例如在相機(jī)跟蹤移動對象時計算移動向量。
位置數(shù)據(jù)表和編程過程位于不同的內(nèi)存區(qū)域,因此可以在不影響另一個的情況下更改其中一個。這允許通過計算機(jī)或示教器編輯表格,來變更或“修改”位置。位置通常是在世界坐標(biāo)中定義的,但6軸機(jī)器人的各個軸的位置可能會因終端執(zhí)行器的工具處于相同位置而有所不同??梢酝ㄟ^將機(jī)器人驅(qū)動到具有特定軸配置的位置并選擇“示教”或使用“引導(dǎo)”的技術(shù)來示教位置。該技術(shù)允許用戶在軸放松狀態(tài)下手動將軸推到一系列特定位置,從而描述路徑。
05
機(jī)器人故障排除和維護(hù)的注意事項
機(jī)器人故障排除和維護(hù)包括使用軟件或示教器來調(diào)整(微校正)位置,更換終端執(zhí)行器上的工具,并維護(hù)電氣或氣動連接。與運動控制器和變頻器一樣,機(jī)器人控制器通過提供故障數(shù)據(jù)來指示系統(tǒng)出現(xiàn)的問題。大多數(shù)故障都會導(dǎo)致機(jī)器人停止移動,并可能要求操作員在糾正故障后將機(jī)器人移動到“安全”位置。
機(jī)器人工作單元與機(jī)器人接口通常帶有PLC和HMI。PLC與機(jī)器人通信,在HMI上顯示接收到的故障代碼和其它數(shù)據(jù)。這涉及兩個通信鏈路(機(jī)器人PLC和PLC-HMI),因此確保它們正常工作非常重要。
終端執(zhí)行器可能具有M8或M12電纜連接、帶端子的接線盒、ASI(執(zhí)行器傳感器接口)或以太網(wǎng)遠(yuǎn)程I/O等通信接口。如果傳感器終端配置蓋子,那么事先知道通信接口的類型可能會有所幫助。檢查文檔或檢查夾具或工具區(qū)域以查看這些連接。
顯示了機(jī)器人工作單元的典型布局。線條的不同顏色表明,不同元件之間的連接可以是離散布線、通信、氣動,或者在機(jī)器人與控制器連接的情況下是電源和反饋布線的組合。這可能會使故障排除變得復(fù)雜,因為處理機(jī)械、電氣和控制專業(yè),所需知識的范圍廣泛。
在這些系統(tǒng)中,通常存在不受機(jī)器人控制器控制的執(zhí)行器,例如工件夾具中。這需要PLC和機(jī)器人控制器發(fā)出“握手”信號。用于材料處理和輸送系統(tǒng)的外部系統(tǒng)也可以與PLC接口,并且還可以存在多個機(jī)器人。防止多個機(jī)器人和工具之間的碰撞可能非常復(fù)雜。安全裝置,如光幕、地板掃描儀和門開關(guān),可以與機(jī)器人控制器和PLC接口。也可以使用機(jī)器視覺為機(jī)器人定位零件,從而將系統(tǒng)的復(fù)雜性引入另一個層次。
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