工业机器人电气控制系统设计分析

王圆星，陈 鹏，李洪谊，郭洪月

（沈阳通用机器人技术股份有限公司，辽宁 沈阳 110179）

工业机器人主要是指工业行业中从事相关生产、运输、存储等的智能机器助手，而其电气控制系统是掌控和命令工业机器人的核心程序。电气控制系统的完善和健全是保障工业机器人稳定工作的关键，同时也是提高工业行业生产质量和效率的重点，但电气控制系统设计复杂而又困难，是工业领域中必须要攻克的一大重难点。

1 工业机器人

工业机器人是当前工业行业提高生产效率和安全性的有效手段，主要是由机器主体、驱动系统、智能控制系统构成，同时还包含机器人座机、执行机构等，一般情况下有着3-6个自由度。其中，驱动系统主要构成要素是传动装置与电力装置，运行目标是执行相关操作明命令和动作来完成生产作业，而智能控制系统是执行机构与驱动装置的核心指令发送区，用以传送操作命令控制机器人的行为操作。在工业领域中，常见工业机器人有直角坐标机器人、Delta 机器人、4/6自由度标准机器人等，这些类型的机器人在工业生产中主要负责焊接、运输、喷漆、切割和测量等项目。一个完整的工业机器人在工作中需要机械系统、电力控制系统、示教盒、命令软件等技术支撑，从科技角度来说它有几下几方面工作优势：

2 工业机器人电气控制系统

上位计算机、运动控制器、驱动系统、电动机、命令执行机构等是构成工业机器人电气控制系统的主要构件，但最重要的是计算机操控系统，也就是微型机、微处理器构成的调度指挥程序，这只保障成功操作机器人作业的关键。而工业机器人的工作轨迹和工作参数设定则是示教盒完成的，同时示教盒还承担着人机交换操作的重任，它有着独立的CPU 处理中心和存储单元，能保证实现与核心控制计算机之间的新信息交换和交流，确保串行通信实现高效率完成操作指令。

除此之外，电动机是工业机器人实现动能操作的重点，其主要构成是进步电机、直流伺服电机或交流伺服电机。其中进步电机能充分实现电脉冲信号的有效变换，促进转换成相应的角位移或者直线位移执行元件，其结构简单、维护便捷、可靠性高；而直流伺服电机最大的特点是控制功率损耗小、启动与制动效率高；但交流伺服电机与前两个不同，它主要是工作范围大、电机体积和重量小，在工作中更好移动和养护。

3 分析工业机器人电气控制系统设计

3.1 集中操控系统

对于工业机器人来说，一台计算机就能轻松实现集中控制，主要是因为其集中控制系统结构简单、成本低、易实现。工业机器人集中控制系统需要多种控制卡、可通过PCI 插槽和标准串口，这也使其呈现出一定的开放性特点。同时该集中控制系统对于信息的采集和分析十分便捷，整体协调性极佳，但不可忽视的是它也有一定的不足之处，比如问题影响范围大、灵活性不够等。

3.2 主从控制系统

工业行业机器人的主从控制系统是主从两级处理器组成且实现控制目的。其中主控制系统主要控制工作是坐标变换、运动轨迹生成、高效管理、系统问题诊断等，是工业机器人作业期间的管家和自动维护程序。而从控制系统的主要负责内容是机器人的关节运动控制，也就是常见的机器人摆臂、屈膝等动作指令实现。主从控制系统对于工业机器人操作来讲主要优点是实时性强，对于高精度、高速度的操作要求能更好实现。

3.3 分散控制系统

工业机器人的分散控制系统是指将核心控制系统进行模块划分，并给每一模块都分配不同控制任务，然后在总系统的带领下实现分工合作和统一，并实现与子系统之间的高效协调完成控制目标。分散控制系统中，子系统的控制器由不同控制对象和设备组成，主要信息通讯依靠互联网实现，这一点的优势是扩展性强、实时性好。

3.4 机器人核心控制器

核心控制器是工业机器人的关键构件，是保障机器人可以有效完成指令进行作业的重要装置，与机器人的整体工作性能息息相关。机器人核心控制器能实现网络通信，在一定程度上保证了有效提高工作质量和效率，同时与计算机和互联网之间的互通促进了工业生产时的多功能操作实现。此外，控制器对于机器人的控制分为并行、串行两种，并行主要是实现机器人操作时的控制算法并行处理，串行则是控制算法的串行机处理。总体来说，机器人核心控制器在工业生产中有着实时性高、通信性强、人机高效合作的优势，对于机器人的开放性系统结构和模块化设计意义重大，从科技发展角度来说有利于工业领域实现智能化、自动化。

3.5 智能编码器

对于机器人而言，智能编码器是实现对控制对象的实际位置检测和实施系统控制的关键，编码器类型有直线型、旋转型、增量式、绝对式四种。其中旋转编码器的主要构成元件是发射器、码盘、检测组织，发射器主要是指光源、码盘是光栅盘，检测组织是处理检测信号的电路板。绝对编码器的运行是利用刻线码道，依次按照2线、4线、8线、16线进行刻线编码，每一次的读码是2的零次方至2的n-1次方的惟一二进制代码，最终形成了不受电信号干扰地光码盘机械位置编码。增量编码有着最大的特点，结构简单、精度高、资源成本低，对于实现无接触测量和广泛测角十分有效，并且对于测速也有一定作用，只不过脉冲信号传输存在干扰问题这一点还需要进行改进，以避免产生更大的误差而影响工业生产。

4 结束语

综上所述，工业领域中的工业机器人电气控制系统设计复杂而又艰难，对于现代工业生产制造而言是至关重要的工作内容。工业机器人电气控制系统设计中集中操控系统、主从控制系统、分散控制系统、机器人控制器、编码器等都是非常重要的内容，需要设计者以及研发制造者不断的进行完善，从而保障工业生产的质量和效率，促进工业行业发展逐渐走向智能化、自动化，在保证工业领域安全生产的基础上有效增强国家经济增长，确保国家在当前经济全球化背景下的国家地位与核心竞争力。