冶金领域机械臂安装电气控制原理浅谈

冶金领域机械臂安装电气控制原理浅谈

鲁盼

上海二十冶建设有限公司 上海 201999

摘要：本文介绍了一种可在多个轴上移动的机械臂，通过改善机械臂在各种臂载荷、臂的动态操作参数实现整个机械臂在操作位置范围内的动态性能和控制，并利用来自轴执行器的力或压力反馈以及所选回路命令信号和回路参数实现可变惯性缩放。同时在广泛的操作参数范围内保持稳定的伺服回路操作。其中可变惯性缩放是通过使用查找表对表条目进行适当插值来实现的。在数字轴处理器中适当的可变惯性比例因子由轴处理器确定，供相应的轴伺服回路使用。该技术可实现机械手装置在各种预定操作要求下可根据机械臂载荷的质量、特定轴上的指令速度以及机械臂的一个或多个主要控制轴的操作实现精确控制。

关键词：机械手；动态控制；伺服回路；比例因子

1. 背景技术

现有机械臂的控制系统没有针对机械臂的动态性能和负载进行优化，因为机械臂在其可控轴的整个操作位置范围内所经历的各种惯性负载。因此，在典型的现有技术控制系统中，伺服环路增益和环路参数由稳定性要求决定，具体取决于惯性负载的极端情况。此外对于实际机械手的所有可控轴，即使不是几乎不可能，也很难获得加速度反馈。在许多情况下，加速度反馈不能提供有关机械臂动态行为的理想反馈信息。机械臂上的工作载荷变化使机械臂的动态性能的控制更加复杂，机械臂上的工作载荷从空载到满载的变化，并且随着不同工作任务或工作任务的不同步骤的各种载荷而变化，不利于实现机械臂的动态精确控制。

技术原理

利用可变惯性缩放来处理各种命令信号和环路参数，并利用伺服环路在其整个工作范围内提供改进的机械臂的动态性能，可变惯性缩放作为机械臂位置和臂上的负载重量的函数提供。通过速度反馈的高性能速度控制回路、提供对主要控制的速度回路的跟踪或检查的位置误差回路以及具有力致动器反馈的可变惯性比例加速度命令信号，以提供改进的动态性能。使其中一个控制轴的伺服控制回路的命令信号根据臂负载、速度命令的大小和臂位置的函数可变地缩放。

具体实施步骤

步骤一，机械手具有可在多个轴上移动的手臂，包括响应程序数据和手臂位置数据提供位置误差、速度和加速度命令信号的控制装置，机械臂根据所述程序数据和位置误差执行工作循环，速度和加速度指令信号，控制系统包括：根据表示臂惯性在工作周期内的变化的比例因子，用于缩放一个或多个位置误差和加速度命令信号的惯性装置,装置响应于惯性缩放命令信号和命令信号未针对生成轴控制信号的惯性变化进行缩放和响应轴的控制信号，用于在多个轴中移动臂。

步骤二，机械臂和手组件在六个受控运动轴中的每一个轴上的绝对位置的数字信息，提供了一系列六个数字编码器，分别控制径向、偏航、垂直、弯曲、旋转和旋转，每个受控轴一个。为了在垂直轴上提供加速度反馈，加速度计和其它合适的动态传感组件安装在机械臂组件的外端附近。垂直轴上的加速度控制系统被选择性地利用。为了在弯曲、旋转和偏航轴上提供速度反馈，线速度传感器装置直接感测每个轴的相应致动器的速度。转速计被布置成感测绕弯曲轴、偏航轴和旋转轴的旋转。腕式弯曲轴转速计由安装在十字头组件上的安装后盖承载，并在转速计输入轴上设置有旋转接触轮。旋转接触轮设置在与手壳的圆形接触部分的旋转接触中，以测量手壳相对于十字头组件的手腕弯曲轴线的手腕弯曲。当手绕手腕弯曲轴旋转时，转速计产生电信号，其电压与手组件的瞬时速度成正比。在线控制装置通过数字数据总线与相应的轴控制器级进行通信。在线控制装置包括一个存储器，该存储器在其中存储了表示机械手将在预定工作程序上移动到的每个可控轴上的位置的数据。在线控制装置还包括电子电路，或计算机或微处理器，其利用存储在存储器中的数据，通过数据总线向每个轴控制器至生成基本命令信号，包括位置和速度命令信号。每个轴控制器包括轴微处理器、随机存取存储器级、电子可编程只读存储器级、数模转换器级和采样保持输出级。微处理器、采样和保持级、D-A转换器的数据输入和输出线通过数据总线互连。此外，微处理器包括地址输出数据总线，旋转编码器还通过输出数据线连接到数据总线以提供适当的数字反馈信息。

步骤三，加速度命令信号连接到可变电阻级的输出。可变电阻级的输入连接到加速度命令信号。可变电阻级在可变缩放级的控制下操作以可变缩放加速度命令输入。由臂上的负载重量和臂的位置确定的臂上的惯性负载来修改加速度命令输入信号，模拟伺服控制回路至可以提供来自各种控制装置的适当的位置、速度和加速度命令信号，包括提供由机械臂的预先计算的离线动态臂轨迹运动产生的在线命令信号的类型，或严格根据示教阶段记录的位置数据计算在线动态参数和命令信号的类型。

步骤四，可变电阻级根据附着在臂上的工作载荷和根据从径向轴编码器导出的径向轴的编码器位置读数而由级改变。在认为是可取的其它具体实施方式中，惯性缩放平台还根据从垂直轴编码器导出的垂直轴臂位置改变加速度命令信号。

步骤五，就加速度指令信号的可变惯量缩放以提供指令信号以及位置环路处的可变惯量缩放在机械臂的工作范围内提供了改进的动态性能，包括臂位置和臂负载。通过可变惯性缩放，根据机械臂遇到的惯性范围内的稳定环路操作，环路增益最大化。使用压力反馈作为精确表示机械臂的惯性质量系统是可取的，并且与可变惯性缩放相结合，提供扭矩或力回路，从而改善控制系统的动态性能。因此，与使用加速度反馈的系统相比，将压力反馈与可变惯性缩放相结合，可以提高动态性能，这在实际机械臂结构上很难准确获得，在某些情况下也很难准确获得。在机械臂的伺服控制中使用惯性缩放加速度或力回路有利于对机械臂不断变化的动态条件提供快速回路响应。

步骤六，旋转伺服环路与旋转轴控制器以数字模拟、伺服环布置的方式配合操作并接收来自旋转轴控制器的加速度、速度和位置误差指令信号，回转轴控制器提供位置误差命令信号、速度指令信号和加速度指令信号。旋转轴控制器以类似于模拟等效级和的数字格式提供可变惯性缩放功能，用于位置误差命令和加速命令的可变惯量缩放。为了响应总线上的基本速度指令信号信息，旋转轴控制器通过在微处理器的控制下执行的计算和存储程序来提供详细的位置、速度和加速度指令信号数据。采样和保持阶段在数据总线的控制下提供位置误差命令、速度命令和加速命令并相应地更新。旋转编码器根据旋转轴的绝对位置在处向微处理器提供数字编码器信息，用于结合来自在线控制装置的基本位置命令信号来计算位置误差命令。此外，回转轴控制器通过查找表和查找表内的适当插值提供加速度命令信号和位置误差命令信号的惯性缩放。此外，惯性比例因子在查找表中也被归类为给定机械臂负载重量在工作程序中的特定点在手臂上或离开臂的函数。回转轴控制器通过数据总线从在线控制设备接收定义的径向轴位置信息。在线控制装置还通过数据总线接收来自径向轴控制器以及垂直轴控制器、弯曲轴控制器、偏航控制器和旋转轴控制器的编码器信息

2. 技术优势

本技术在具有多个轴上移动的机械臂上在臂载荷、臂的动态操作参数和整个臂操作位置范围内改进了机械臂的动态性能和控制。一个或多个受控轴的控制系统包括伺服控制回路，利用来自轴执行器的力或压力反馈，以及所选回路命令信号和回路参数的可变惯性缩放。根据机械臂惯性缩放的可变惯性提供了改进的机械臂的动态性能，同时在广泛的操作参数范围内保持稳定的伺服回路操作。在首选排列中，可变惯性缩放是通过使用查找表对表条目进行适当插值来实现的。查找表存储在数字轴处理器中，适当的可变惯性比例因子由轴处理器确定，供相应的轴伺服回路使用。根据机械手装置的各种预定操作要求的查找表包括表示惯性比例因子的数据条目，这些数据条目根据机械臂载荷的质量、特定轴上的指令速度以及机械臂的一个或多个主要控制轴的操作位置。