六自由工业机器人控制系统硬件设计

中车株洲电机有限公司 周永欣 马文斌

六自由工业机器人控制系统硬件设计

中车株洲电机有限公司 周永欣 马文斌

随着工业生产飞跃发展，自动化程度迅速提高，实现工件装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具加工、装配的自动化，已愈来愈引起人们的重视。本文以六自由度工业机器人为依托，借助固高运动控制器，设计了控制系统的硬件，并通过实际运行完成对控制系统硬件的测试。

六自由度；工业机器人；固高；控制系统

1.引言

基于人工成本的不断增长，制造业“机器换人”为大势所趋，国内智能制造产业正在崛起。现代智能制造技术的蓬勃发展及更先进、更智能生产方式的普及，使小企业低效率、低精度的落后手工生产方式逐步发生改变，使大企业生产流程的稳定性、灵活性和高效性得以相应提升，促使庞大的高新技术产业群开始慢慢成型。中国制造业正历一场缓慢却深刻的变革——大量使用智能制造设备。

本文中六自由度机器人控制系统硬件部分主要构成有：一台固高运动控制器，示教器，通用I/O模块，交流伺服控制系统，变压器及其它附件。硬件结构如图所示。

系统硬件结构图

2.运动控制器介绍

2.1 运动控制器的主要功能

(1)操作系统承载平台，人机交互界面窗口；

(2)运动学计算，六个伺服电机协同控制的实现，是整个机器人控制系统的核心。

(3)运动示教，示教过程中控制机器人位姿变化。

(4)工作状态显示、记录等功能界面。

本文中机器人涉及6个自由度，选用固高GTC系列运动控制器，此控制器是将 PC 技术与运动控制技术相结合的产物。以X86 架构的 CPU和芯片组为系统处理器，采用高性能 DSP 和FPGA 作为运动控制协处理器，可以实现高性能控制计算。延续了固高科技运动控制器可以实现高性能多轴协调运动控制和高速点位运动控制的同时，实现普通 PC 机的所有基本功能，是理想的嵌入式一体化解决方案。

2.2 运动控制器与伺服系统的连接

驱动器与运动控制器的连接如图所示，运动控制器上的接口AXIS1、AXIS2、AXIS3、AXIS4、AXIS5、AXIS6分别接到轴1到轴6驱动器的CN1接口，控制方式选用位置控制。

运动控制器与伺服驱动端口接线图

控制器读驱动器的绝对位置是通过MODBUS协议。固高控制器提供了标准的232接口，台达A2驱动器提供232和485两种接线方式。由于台达驱动器不支持同时使用232和485端口，因此菊花链按485的接线方式来做，最后用232转485转换器接到控制器。固高机器人系统与台达驱动器的通讯是按1个停止位8个数据，奇校验，波特率9600的MODBUS ASCII来通讯，形成位置全闭环。

3.伺服系统设计

本文所述智能制造设备拟用于焊接。控制系统选用台达伺服系统，由交流伺服电机、交流伺服驱动器、光电编码器组成闭环控制系统。台达伺服系统具有全新的内部命令模式，应用灵活，高响应频率1000Hz，反应快速；20位编码器高精度定位；全闭环回路控制，可克服抗性问题；内置摩擦力补偿功能，可让机械快速转向；撞击力量保护功能，实时安全可靠；自动高低频抑振功能，系统调适简单容易，可接受高频脉冲输入命令4MHz；支持泛用网络RS-485/232;高速位置撷取功能，可精准记录位置；高速位置比较功能，可准确侦测位置；密码保护功能，可用于保护设计机密。伺服驱动器从控制器接受脉冲信号（脉冲信号的数量和频率决定了伺服电机的转角和转速）控制伺服电机转动。伺服驱动器从编码器获得闭环系统的位置反馈，并同时通过绝对值转增量编码的方法传送给运动控制器实现位置闭环。

为了保证断电时机器人各关节不会随自身重力而大幅转动，驱动均采用带制动器的伺服电机。电机制动器的打开由运动控制器输出信号，通过继电器控制制动器上的24V电源通断来控制，运动控制器在给伺服电机伺服使能之后，需要控制该通用输出口输出信号，使电机制动器打开。

4.控制系统辅助功能的设计

整个控制系统除了核心硬件部分之外，还需要一些辅助部分，主要包括电控柜、电源、再生电阻、示教器和保护电路等。

4.1 电控柜

控制系统大部分硬件整合安装到电控柜中，电控柜的设计要符合外形美观、操作方便等原则。电控柜的设计布局及电气原理如图所示。

控制柜设计及电气图

在内部布局上尽量避免了电路间的信号干扰，将硬件部分主要分成伺服驱动单元、运动控制器、直流电源、交流电源、滤波器、安全保护电路、接触器、继电器等几个模块。伺服驱动单元位于最上面，然后下面是断路器、接触器、中间继电器等、然后下边是接线端子、滤波器和运动控制器，在控制柜最下层的是交流电源，直流电源，布线位于各器件中间。

4.2 电源和保护电路

系统需要的电源支持主要有伺服驱动器所需的三相220V交流电源，控制器控制接口和开关继电器所需的24V直流稳压电源。三相220V交流电源选用三相380V转220V干式隔离伺服变压器，24V直流稳压电源先选用500W控制隔离干式变压器将三相380V交流电转为单220V交流电然后选用明纬导轨式安装开关电源转为24V直流稳压电源。

4.3 回生电阻

当电机的输出力矩和转速的方向相反时，它代表能量从负载端回馈至驱动器内。此能量灌注DCBus中的电容使得其电压值往上升。当上升到某一值时，回馈的能量只能靠回生电阻来消耗。驱动器内含回生电阻，当驱动器内回生电阻功率不够时需要外接回生电阻。经过计算给最大功率电机串联接入两个1Kw回生电阻。

4.4 示教器

机器人采用的示教器为GRP3000，显示为7寸4:3的液晶触摸显示屏，并配置了eHMI（千兆网人机界面接口）通讯电缆，同时还有多个薄膜按键和3位的钥匙开关及2位的安全开关。显示屏通过eHMI连接到运动控制器上，以运动控制器的图像信息显示到示教器的显示屏上，通过示教器的触摸屏及薄膜按键完成对整个机器人的控制。

5 结论

本文针对六自由度机器人，设计了整体的硬件结构，介绍了运动控制器的选择及其特点、并介绍了伺服系统及辅助电气系统部分的内容。

[1]李伟．六自由度关节式机器人控制系统开发．硕士论文,华东理工大学,2014．

[2]王殿君,刘淑晶．六自由度模块化机器人控制系统设计．制造业自动化,2015,06．

周永欣（1988-），男，湖南湘乡人，硕士，中车株洲电机有限公司助理工程师，研究方向：机电控制。