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工业机器人控制系统组成及典型结构

时间:2024-04-20   访问量:0

一、工业机器人控制系统要实现的功能

机器人控制系统是机器人的重要组成部分,用来控制机械手完成特定的任务。其基本功能如下:

1.存储功能:存储操作顺序、运动路径、运动方式、运动速度和生产工艺相关信息。

2.教学功能:离线编程,在线教学,间接教学。网络教学包括教学框和引导式教学。

3.与外围设备的联系功能:输入输出接口、通信接口、网络接口和同步接口。

4.坐标设置功能:共有四种坐标系:关节坐标系、绝对坐标系、刀具坐标系和用户自定义坐标系。

5.人机界面:示教盒、操作面板和显示屏。

6.传感器接口:位置检测、视觉、触觉、力觉等。

7.位置伺服功能:多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。

8.故障诊断和安全保护功能:运行时的系统状态监控、故障状态下的安全保护和故障自诊断。

二、工业机器人控制系统的组成

1.控制计算机:控制系统的调度和指挥。机构。一般有32位和64位的微处理器如奔腾系列CPU和其他类型的CPU。

2.示教盒:示教机器人的工作轨迹和参数设置,以及所有人机交互操作。它有自己独立的CPU和存储单元,通过串行通信实现与上位机的信息交互。

3.操作面板:由各种操作按钮和状态指示灯组成,只完成基本的功能操作。

4.硬盘和软盘存储器:存储机器人工作程序的外围存储器。

5.数字和模拟输入和输出:各种状态和控制命令的输入或输出。

6.打印机接口:记录要输出的各种信息。

7.传感器接口:用于机器人的信息自动检测和柔顺控制。一般是力传感器,触觉传感器,视觉传感器。

8.轴控制器:控制机器人各关节的位置、速度和加速度。

9.辅助设备控制:用于控制与机器人配合的辅助设备,如手爪定位器。

10.通信接口:机器人与其他设备实现信息交换,一般有串行接口和并行接口。

11.网络接口

1)接口:可通过以太网实现多个机器人或单个机器人的PC直接通信,数据传输速率高达/s,应用程序直接在具有库函数的PC上编程后,支持TCP/IP通信协议,数据和程序通过接口加载到各个机器人控制器中。

2)接口:支持很多流行的现场总线规范,如/O,-s,-DP,M-NET等。

9.在线编程:操作信息的记忆过程编程模式通过人工示教完成,包括直接示教模拟示教和示教盒示教。

10.离线编程:不直接示教实际机器人,而是脱离实际工作环境示教程序,利用先进的机器人和编程语言远程离线生成机器人工作轨迹。

  四、机器人控制系统结构

机器人控制系统根据其控制模式可以分为三类。

1)集控系统():所有控制功能由一台计算机实现,结构简单,成本低,但实时性差,不易扩展。这种结构常用于早期机器人,其框图如图2所示。在基于PC的集中控制系统中,充分利用了PC资源的开放性,可以实现良好的开放性:各种控制卡和传感器设备可以通过标准的PCI插槽或通过标准的串口、并口集成到控制系统中。集控系统的优点是:硬件成本低,便于信息收集和分析,易于实现系统的最优控制,整体性和协调性好,便于系统基于PC的硬件扩展。其缺点也很明显:系统控制缺乏灵活性,控制风险容易集中。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时,系统的实时性能会降低,系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性能发生冲突;此外,复杂的系统布线会降低系统的可靠性。

2)主从控制系统:主从处理器用于实现系统的所有控制功能。主CPU实现管理、坐标转换、轨迹生成和系统自诊断等功能。从CPU实现所有关节的运动控制。它构成了一个框图,如图3所示。主从控制系统实时性好,适合高精度、高速控制,但系统扩展性差,维护困难。

3)分散控制系统():根据系统的性质和模式,将系统控制分为若干模块,每个模块有不同的控制任务和控制策略,各模式之间的关系可以是主从关系,也可以是对等关系。该方法实时性好,易于实现高速高精度控制,易于扩展,可以实现智能控制。是目前比较流行的一种方法,其控制框图如图4所示。其主要思想是“分散控制、集中管理”,即系统可以对其总体目标和任务进行综合协调和分配,通过子系统的协调来完成控制任务。整个系统在功能、逻辑和物理上都是分散的,所以DCS系统也叫分散控制系统或分散控制系统。在这种结构中,子系统由控制器和不同的受控对象或设备组成, 子系统之间通过网络进行通信。分布式控制结构提供了一个开放、实时和精确的机器人控制系统。分布式系统中经常采用两级控制模式。

两级分布式控制系统?通常由上位机、下位机和网络组成。上位机可以进行不同的轨迹规划和控制算法,下位机可以进行插补细分和控制优化的研究和实现。上位机和下位机通过通信总线相互协调工作。这里的通信总线可以是RS-232、RS-485、EEE-488和USB总线的形式。现在,以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快、更稳定、更有效的通信服务。特别是现场总线,应用于生产现场,实现以微机为基础的测控装置之间的双向多节点数字通信,从而形成一种新型的网络集成全分布式控制系统——现场总线控制系统FCS(Fi)。在工厂生产网络中, 可以通过现场总线连接的设备统称为“现场设备/仪表”。从系统论的角度来看,工业机器人作为工厂中的生产设备之一,也可以概括为现场设备。将现场总线技术引入机器人系统后,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是:系统的灵活性好,控制系统的风险降低,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。

对于多自由度的工业机器人,集中控制可以很好地处理控制轴之间的耦合关系,并且可以很容易地进行补偿。但当重要官员数量增加使控制算法复杂化时,其控制性能就会变差。此外,当系统中的轴数或控制算法变得非常复杂时,可能会导致系统的重新设计。相比之下,分布式结构的每个运动轴都由一个控制器处理,这意味着系统的轴间事故更少,系统重构更高。

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