第1章工业机器人电气控制系统的构成.pptx

1、LOGO 机械职业教育教学指导委员会推荐教材 全国高等职业教育“十二五”规划教材 全国工业机器人技能培养系列精品教材 工业机器人 电气控制与维修 （ISBN 978-7-121-29476-1） 邢美峰 主 编 卢彦林 李伟娟 副主编第1 章 工业 机器人电 气控制系统 的构成 1.1 工业机器人的简介 1 1.2 工业机器人的分类 2 1.3 工业机器人的组成 3 1.4 工业机器人的控制和编程 4 1.5 HSR-JR608型工业机器人安全控制系统 5 1.6 HSR-JR608型工业机器人电气柜内的控制系统 6 机器人定义 ： ISO 对 机器人的定义 ：机器人是一种自动 的、位置可控的

2、、具有编 程能力的多功能操作机， 这 种操作机具有几个轴 ，能够 借助可编 程操作， 处 理各种材料、零件、工具和专 用装置，执 行各 种任务 。日本工业 机器人协 会（JIRA ）对 机器人的定 义 ：一种带 有存储 器件和末端操作器的通用机械 ，它通过 自动 化的动 作代替人类劳动 。 1.1 工业 机器人的简 介机器人的发 展：60 年代，美国Unination 公司研制成功第一 台数控机械手，标 志着工业 机器人的诞 生。它是一种 具有记忆储 存能力的示教再现 式机器人，被称为 第一 代机器人。70 年代，出现 了配备 有感觉传 感器的第二代工 业 机器人，它能够对环 境和作业对 象进

3、 行判断、修 正和选择 ，具有一定自适应 能力。80 年代，开始研制第三代工业 机器人，除了能 完成体力劳动 外，还 具有与人脑 相似的功能，能完成 部分脑 力劳动 。 1.1 工业 机器人的简 介机器人的应 用：工业 机器人能用于各种生产领 域，如物料搬 运、涂装、点焊 、弧焊 、检测 和装配等工作。它在 柔性制造系统 （FMS ）、计 算机集成制造系统 （ CIMS ）和其它机电 一体化的系统 中获 得了广泛的 应 用，成为现 代制造系统 不可缺少的组 成部分。1.1 工业 机器人的简 介v 机器人分类 的方法很多，这 里仅 按机器人 的系统 功能、驱动 方式以及机器人的结 构形式进 行分

4、类 。 1.2 工业 机器人的分类1.2.1 按系统 功能分类 1 专 用机器人 这 种机器人在固定地点以固定程序工作，无 独立的控制系统 ，具有动 作少、工作对 象单 一、 结 构简单 、使用可靠和造价低的特点，如附属于 加工中心机床上的自动换 刀机械手。2 通用机 器人 它是一种独立控制系统 、动 作灵活多样 ，通 过 改变 控制程序能完成多作业 的机器人。它的结 构较 复杂 ，工作范围 大，定位精度高，通用性强 ，适用于不断变换 生产 品种的柔性制造系统 。 1.2 工业 机器人的分类3 示教再现试 机器人 这 种机器人具有记忆 功能，可完成复杂动 作， 适用于多工位和经 常变换 工作路

5、线 的作业 。作的顺 序。此后，机器人便能“ 再现” 操作者教给 它的动 作 4 智能机器人 它比一般通用机器人先进 在编 程方法上，能采 用示教法进 行编 程，及由操作者通过 手动 控制，“ 示教” 机器人做一遍操作示范，完成全部动 作过 程 以后，其储 存装置便能记忆 所有这 些工机器人具有 视觉 、听觉 、触觉 等各种感觉 功能，能够 通过 比 较识别 做出决策，自动进 行反馈补偿 ，完成预 定 的工作。 1.2 工业 机器人的分类1.2.2 按驱动 方式分 1 电 气驱动 机器人 它是由交、直流伺服电动 机、直线电动 机或功率步 进电动 机驱动 的机器人。它不需要中间转换 机构， 故机

6、械结 构简单 。近年来，机械制造业 大部分采用 这 种机器人。 2 气压传动 机器人 它是一种以压缩 空气来驱动执 行机构运动 的机器人 ，具有动 作迅速、结 构简单 、成本低的特点。但因 空气具有可压缩 性，往往会造成工作稳 定性差。一 般抓重不超过30Kg ，适用于高速、轻载 、高温和 粉尘 大的环 境中作业 。 1.2 工业 机器人的分类 1.2.3 按结 构形式分 1. 直角坐标 机器人直角坐标 机器人的主机架由三个相互正交的平 移轴组 成，具有结 构简单 、定位精度高的特点。结 构示意图见图 1-1 图1-1直角坐标机器人 1.2 工业 机器人的分类图1-2 圆 柱坐标 机器人 2

7、圆 柱坐标 机器人坐标 机器人由立柱和一个安装在立柱上的水平臂 组 成。立柱安装在回转 机座上，水平臂可以伸缩 ， 他的滑鞍可沿立柱上下移动 。因而，它具有一个旋转 轴 和两个平移轴 ，结 构示意图见图 1-2 。 1.2 工业 机器人的分类 3 关节 机器人关节 机器人手臂的运动类 似于人的手臂，由 大小两臂的立柱等机构组 成。大小臂之间 用铰链 联 接形成肘关节 ，大臂和立柱联 接形成肩关节 ，可 实现 三个方向旋转 运动 。它能够 抓取靠近机座的 物件，也能绕过 机体和目标间 的障碍物去抓取物件 ，具有较 高的运动 速度和极好的灵活性，成为 最通 用的机器人。 v 图1-3 关节坐标机器

8、人 1.2 工业 机器人的分类v 工业 机器人一般由控制系统 、驱动 系统 、位 置检测 机构以及执 行机构等几个部分组 成。 1.3 工业 机器人的组 成1.3.1 控制系统 控制系统 是机器人的大脑 ，支配着机器人按规 定的程序运动 ，并记忆 人们给 予的指令信息（如动 作顺 序、运动轨 迹、运动 速度等），同时 按其控制 系统 的信息对执 行机构发 出执 行指令。 1.3.2 驱动 系统 驱动 系统 是按照控制系统发 来的控制指令驱动 执 行机构运动 的装置。常用的电 气、液压 、气压 等 驱动 形式。 1.3 工业 机器人的组 成1.3.3 位置检测 装置 通过 速度、位置、触觉 、视

9、觉 等传 感器检测 机 器人的运动 位置、运动 速度和工作状态 ，并随时 反 馈给 控制系统 ，以便使执 行机构精度达到设 定的位 置。 1.3 工业 机器人的组 成1.3.4 执 行机构执 行机构是一种具有和人手相似的动 作功能， 可在空间 抓持物体或执 行其它操作的机械装置，主要 包括如下的一些部件：手部：又称抓取机构或夹 持器，用于直接抓取工 件或工具。此外，在手部安装的某些专 用工具，如： 焊枪 、喷枪 、电钻 、螺钉 螺帽拧紧 器等，可视为 专 用的特殊手部。1.3 工业 机器人的组 成 腕部：是联 接手部和手臂的部件，用以调 整手部 的姿态 和方位。手臂：是支承手腕和手部的部件，由

10、动 力关节 和 连 杆组 成。用以承受工件或工具载 荷，改变 工件或 工具的空间 位置，并将它们 送至预 定的位置。机座：包括立柱，是整个工业 机器人的基础 部件 ，起着支承和联 接的作用 1.3 工业 机器人的组 成1.4.1 工业 机器人的控制系统控制系统 是机器人的重要组 成部分。按照控制回路的不同可将机器人控制系统 分为 开环 式和闭环 式；按对 机器人手部运动 控制轨 迹的不同，可分为 点位控制和连续 控制。1.4 工业 机器人的控制和编 程闭环 控制： 控制系统 把位置控制指令送到系统 的比较 器 ，再跟反映机器人实际 位置的反馈 信号进 行比较 ，得到位置差值 ，将其差值 加以放

11、大，驱动 伺服 电动 机旋转 ，使机器人某一环节 运动 。机器人新 的运动 位置经检测 再次送到比较 器与位置指令比 较 ，产 生新的误 差信号，误 差信号继续 控制机器 人运动 ，这 个过 程一直持续 到误 差信号为 零为 止。 1.4 工业 机器人的控制和编 程 点位控制（如点焊 机器人）：每个运动轴 通常都是单 独驱动 的, 各个运动轴 相 互协调 运动 ，实现 各个坐标 点的精确控制。在示教 状态 下，操作者使用示教盒上的控制按钮 ，分别 移 动 各个运动轴 ，使机器人臂部到达一个个控制点，按 下示教盒编 程按钮 存储 各个控制点的位置信息。再 现 或自动 操作时 ，哪个运动轴 移动

12、距离短便先到达 控制点，自动 停止下来等待其他运动轴 。 1.4 工业 机器人的控制和编 程1.4.2 工业 机器人编 程工业 机器人的编 程是与机器人所采用的控制系 统 相一致的。因而，不同机器人的运行程序的编 程 也有不同的方法。常用的编 程方法有示教法和离线编 程法等 1.4 工业 机器人的控制和编 程1 手控示教编 程 点位控制机器人示教编 程时 ，是通过 示教盒上 的按钮 ，逐一地使机器人的每个运动轴动 作，到 达需要编 程点位置后，操作者就将这 一点的位置 信息存储 在机器人的存储 器内。每个控制点的程 序都要经过 一次这样 的编 程过 程。 连续轨 迹机器人示教编 程时则 通过

13、操作者握 住机器人时 手部，以要求的速度通过 需要的路线 进 行示教，同时 由存储 器记录 每个运动轴 的连续 位置。 1.4 工业 机器人的控制和编 程 2 离线编 程法由计 算机控制的机器人一般都采用离线编 程法 ，这 种方法与NC 机床编 程方法较为 相似。它能某 种编 程语 言在计 算机终 端上离线为 机器人编 制程 序，然后将编 制好的程序输 入机器人存储 器，随时 供机器人使用。 优 点：设备 利用率高；便于信息集成， 1.4 工业 机器人的控制和编 程HSR-608 型工业 机器人电 气控制系统 主要由IPC 单 元、示教器单 元、PLC 单 元、伺服驱动 器等单 元组 成，各个

14、单 元间 的连 接关系见图 1-4 图1-4 HSR-JR608型工业机器人电气控制基本构成 1.5 华 数HSR-JR608 型工业 机器人电 气控制系统 整体认识 如图 可见 ，IPC单 元、PLC 单 元和伺服驱动 器是通过NCUC 总线连 接到一起，完成相互之间 的 通信工作。IPC是整个总线 系统 的主站，PLC 单 元 与伺服驱动 器是从站。NCUC 总线 接线 是从IPC 单 元的PROT0 口开始，连 接到第一个从站的IN 口 ，第一个从站OUT 口出来的信号接入下一从站的 IN 口，以此类 推，逐个相连 ，把各个从站串联 起 来，最后一个从站的OUT 口连 接到主站IPC单

15、元的 PORT3 口上，就完成了总线 的连 接。 1.5 华 数HSR-JR608 型工业 机器人电 气控制系统 整体认识1.5.1 IPC 单 元IPC 单 元是HSR-JR608 型工业 机器人的运算控制系 统 。工业 机器人在运动 中的点位控制、轨 迹控制、手爪空间 位置与姿态 的控制等都是由它发 布控制命令。它由微处 理 器、存储 器、总线 、外围 接口组 成。它通过总线 把控制命令 发 送给 伺服驱动 器，也通过总线 收集伺服电动 机的运行反 馈 信息，通过 反馈 信息来修正机器人的运动 。IPC 单 元外观 见图 1-5 。IPC 单 元的额 定工作电压 是DC24V ，通常由开关

16、电 源 为 其供电 。 1-5 IPC单元外观 1.5 华 数HSR-JR608 型工业 机器人电 气控制系统 整体认识1.5.2 示教器单 元示教器单 元是HSR-JR608 型工业 机器人的人机交互 系统 。通过该设备 ，操作人员 可对 机器人发 布控制命令、 编 写控制程序、查 看机器人运动 状态 、进 行程序管理等操 作，示教器的外形图见图 1-6 。 该设备 的额 定工作电压为 DC24V ，通常由开1-6 示教器 单 元外观 关电 源为 其供电 。 图1-6 示教器单元外 观 1.5 华 数HSR-JR608 型机器人电 气控制系统1.5.3 PLC 单 元PLC 是工业 机器人中

17、非常重要的运算系统 ，它主要完成 与开关量算有关的一些控制要求，例如机器人急停的控制、 手爪的抓持与松开、与外围设备协 同工作等。在机器人控制系统 中，IPC 单 元和PLC 协调 配合，共 同完成工业 机器人的控制。PLC 单 元的额 定工作电压 DC24V ，通常由开关电 源为 其供电 。 图1-7 PLC外观图 1.5 华 数HSR-JR608 型工业 机器人电 气控制系统 整体认识1.5.4 伺服驱动 器伺服驱动 器接收来自IPC 装置的送来的进给 指令，这 些指令经过驱动 装置的变换 和放大后，转变 成伺服电动 机 进给 的转 速、转 向与转 角信号，从而带动 机械结 构按照指 定要

18、求准确运动 。HSV160U 伺服驱动 器的额 定工作电压 是三相交流 220V 。在企业 中动 力电 源都是三相380V ，这 就需要伺服 变压 器把三相交流380V 的电 源变 成三相交流220V ，为 伺 服驱动 器供电 。其外观见图 1-8 。 图1-8 伺服驱动器外观 图 1.5 华 数HSR-JR608 型工业 机器人电 气控制系统 整体认识1.5.5 伺服电动 机伺服电动 机将伺服驱动 器的输 出转变为 机械 运动 ，它与伺服驱动 器一起构成伺服控制系统 。目 前应 用最多的是交流伺服电动 机。伺服电动 机是由伺服驱动 器进 行供电 的，所 提供的电 能是一种电压 、电 流、频

19、率随着指令的变 化而变 化的电 能。其外观见图 1-9 。 图1-9 伺服电机外观图 1.5 华 数HSR-JR608 型工业 机器人电 气控制系统 整体认识1.5.6 光电 式脉冲编码 器闭环 控制是提高机器人控制系统 运动 精度的 重要手段，而位置检测传 感器则 是构成闭环 控制 必不可少的重要元件。编码 器在机器人控制系统 中用于检测 伺服电 动 机的转 角、转 速和转 向信号，该 信号将反馈给 伺服驱动 器和IPC单 元，在伺服驱动 器内部进 行 速度控制，在IPC单 元内部进 行转 角控制。 1.5 华 数HSR-JR608 型工业 机器人电 气控制系统 整体认识1.6.1 伺服控制

20、系统伺服控制系统 是一种能够 跟踪输 入的指令信号 进 行动 作，从而获 得精确的位置、速度及动 力输 出的自动 控制系你统 。在HSR-JR608 型工业 机器人电 气控制系统 中，由IPC单 元、伺服驱动 器、伺服电动 机和光 电 式编码 器构成伺服控制系统 。在该 控制系统 中 ， IPC作为 控制核心，发 出控制命令，该 命令被 伺服驱动 器接收到，之后驱动 伺服电动 机按照指 令要求运动 。伺服电动 机的运动 情况由光电 式脉 冲编码 器检测 ，编码 器将检测结 果反馈给 伺服 驱动 器和IPC单 元，用于修正给 定的指令，这 个 过 程一直持续 到误 差信息为 零为 止。 1.6

21、HSR-JR608 型工业 机器人电 气柜内的控制系统1.6.2 PLC 控制系统PLC 控制系统 主要完成开关量的控制工作，它的控制内 容包括急停处 理，限位保护 、各个轴 的抱闸 等。 工业 机器人通常来说 不是单 独完成某些工作的，它都是和其 他自动 化设备组 成工业 控制系统 ，完成具体的工作。在组 成工业 控制系统 的过 程中，就需要PLC 与外部设备进 行通 讯 ，使工业 机器人与外部设备协调 工作。 1.6.3 继电 控制系统继电 控制系统 是利用具有继电 特性的元件进 行控制的 自动 控制系统 。所谓继电 特性是指在输 入信号作用下输 出 仅为 通、断状态 的特性，所以继电 控制也称通断控制。由 于PLC 技术 的发 展，继电 控制系统 在电 气控制系统 中正在 逐步的被PLC 取代。 1.6 HSR-JR608 型工业 机器人电 气柜内的控制系统LOGO 谢 谢！