運動控制涉及使用電機對執(zhí)行器進行定位和精確移動。雖然運動控制并不總是閉環(huán)控制，但它不同于電機控制，后者的主要目標是實現(xiàn)并驗證已知位置或運動。

　　01

　　步進電機的原理和維護

　　步進電機是一種無刷直流電機，其定子由多個電磁鐵圍繞齒輪狀轉(zhuǎn)子排列而成。環(huán)形排列的磁體被分為不同的組，這就是相。每相同時通電，使電機“步進”到下一個位置。

　　基于微控制器的步進驅(qū)動器按適當?shù)捻樞蚣せ铗?qū)動晶體管。典型的步進電機分辨率為每轉(zhuǎn)200步，但使用“微步進”驅(qū)動器，可以實現(xiàn)每轉(zhuǎn)1600步。步進驅(qū)動器有時也被稱為“斬波器”。

　　步進電機通常在沒有反饋設備(如編碼器或解碼器)的情況下運行，這使它們成為一種比伺服電機更便宜的定位方法，但它們也沒有太多的保持扭矩。除了電機和驅(qū)動器外，還需要分度器。它可內(nèi)置在驅(qū)動器中，并與主控制器通信，或由可編程邏輯控制器 (PLC) 等控制器發(fā)送脈沖，對驅(qū)動器進行分度。步進系統(tǒng)的故障排除可能包括檢查控制電路中的電壓和通信，甚至使用示波器查看脈沖信號。

　　02

　　伺服系統(tǒng)的組件和維護

　　伺服或伺服機構(gòu)是一種使用反饋來控制位置和扭矩的裝置。它們可以是電動、液壓或氣動的，但在工業(yè)自動化中使用的大多數(shù)伺服系統(tǒng)都是電機驅(qū)動的。

　　伺服電機可以是有刷永磁直流電機、無刷永磁交流電機或交流感應電機。它們通常內(nèi)置一個編碼器或解析器。它們還經(jīng)常與齒輪頭集成在一起。電機組件上有兩個電纜接頭，這樣就可以分別傳輸來自編碼器/傳感器(反饋電纜)的信號與電機電源。

　　伺服驅(qū)動器接受來自編碼器的脈沖輸入，并通過電流監(jiān)測扭矩。溫度傳感器和制動器控制信號有時包含在控制電纜中。一般情況下，伺服驅(qū)動器比變頻器更復雜，并且通常內(nèi)置邏輯功能。現(xiàn)代控制器幾乎總是配置高速通信端口，可以與其它控制器連接以協(xié)調(diào)運動。通常這是一種基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議，但有時也會使用光纖。

　　伺服控制算法基于PID的位置或轉(zhuǎn)矩控制。電機需要根據(jù)電機和負載特性進行調(diào)整，以確保實現(xiàn)最佳性能。正是出于這個原因，來自同一制造商的電機和驅(qū)動器通常配套出售和使用。有些電機內(nèi)置了驅(qū)動器和控制器。這些“集成伺服”電機，可以聯(lián)網(wǎng)來執(zhí)行復雜任務或作為獨立的定位器來使用。

　　伺服電機和由變頻器控制的典型交流感應電機之間的一個重要區(qū)別，是伺服電機在零速度下具有保持轉(zhuǎn)矩。如果電機軸在控制電源下偏離其位置，它會嘗試自我校正，如果沒有達到預設位置，則會導致控制器故障。

　　協(xié)調(diào)運動時，通常使用“主”控制器或位置來調(diào)整其它控制器的速度。一個軸的運動取決于另一個軸或虛擬軸的位置變化。有一點很重要， 那就是使用專用于運動系統(tǒng)的快速通信網(wǎng)絡。可以使用專用的運動控制器來協(xié)調(diào)伺服軸。通過集成機器視覺，將機械手引導到正確的位置。運動控制器可以集成到PLC機架中，或者是作為單獨系統(tǒng)使用。很多都有單獨的I/O模塊，可以使用IEC 61131 PLC語言進行編程。

　　對伺服系統(tǒng)進行故障排除，除了典型的電氣診斷方法，通常還需要了解平臺軟件。驅(qū)動器和控制器通常具有內(nèi)置的診斷功能，以檢測電機及其所連接負載可能出現(xiàn)的問題。聯(lián)軸器等機械元件也會出現(xiàn)故障。總之，請先閱讀您的文檔。

　　03

　　機器人運動控制的路徑感知

　　工業(yè)機器人用于生產(chǎn)制造和材料搬運任務，其物理配置取決于所需的功能。有效載荷和速度要求有助于確定在特定應用中所使用的機器類型。

　　機器人可以有多達 6-7 個運動軸，也可以只有 3 個運動軸。要到達 X-Y 平面上的任意點，需要兩個運動軸;要到達 X-Y-Z 空間中的任意點，需要三個運動軸。要完全控制 "手臂 "末端的工具位置，除了 X、Y 和 Z 軸外，還需要另外三個軸，即俯仰軸、滾動軸和偏航軸。

　　圖3展示了在三維空間中到達任何點和方向所需的6個軸，但機器人使用不同的坐標系，關(guān)節(jié)配置也可能不同。原點和方向也隨品牌的不同而有不同的定義，通常可以在軟件中進行更改。

　　▲機器人坐標軸和右手法則。

　　X、Y和Z位置被稱為笛卡爾坐標，但它們可以從不同的參考點定義。如果從機器人的底部或環(huán)境參考點來定義，則被稱為世界坐標。在這種情況下，原點參考系是靜止的。從執(zhí)行器的角度進行尋址時，則被稱為工具坐標，原點隨終端執(zhí)行器一起移動。這也可包括從工具連接點到工具接觸零件的偏移。也可以定義局部坐標，通常將原點設置在工作區(qū)域內(nèi)。這允許為托盤或其它就地系統(tǒng)復制參考點。

　　單個關(guān)節(jié)也可以獨立控制，通常以度為單位進行定義。距離通常以公制單位(mm)定義，但也可以在軟件中按用戶定義的單位進行縮放。除了X、Y和Z之外，滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航還可以用其它字母進行定義，如U、V和W。

　　機器人能夠到達的區(qū)域被稱為工作范圍。可以在機箱內(nèi)定義平面和空間，以防止碰撞或確保安全，也可以將光幕等安全設備集成到機器人工作單元中。

　　機器人控制器不斷進行計算，以確保它們知道機器人相對于參考點和路徑的位置。當沿著定義路徑移動時，軸必須協(xié)同工作，因此機器人是協(xié)調(diào)運動控制的最終形式。這就是為什么控制器通常用于支持實現(xiàn)和保持位置的任務。

　　與機器人打交道時需要理解的一個重要問題是奇點。在這種情況下，由于物理或數(shù)學約束，機器人無法沿特定路徑移動其終端執(zhí)行器。機器人最終可能會處于無法繞特定點旋轉(zhuǎn)工具的位置，這有時被稱為萬向節(jié)鎖定。在其它物理配置中，通過某些方向移動關(guān)節(jié)可能會損壞相關(guān)的電纜或軟管，因此當移動機器人靠近奇點或旋轉(zhuǎn)軸過遠時需要小心。通常有多個關(guān)節(jié)配置，可以實現(xiàn)相同的工具位置和方向，這通常被稱為冗余自由度。

　　機器人控制器通常能夠執(zhí)行邏輯功能和操作外部設備，但它們通常內(nèi)置在工作單元中，并連接到“主”控制器，如PLC。控制器可以是通過電源和信號電纜連接到機器人單元，也可以內(nèi)置在機器人底座中。連接可以是24 Vdc的物理連接、通信鏈路或通過內(nèi)部路由到終端執(zhí)行器或工具的“直通”端口和連接器。直通端口通常包括氣動軟管。機器人可以根據(jù)其物理配置進行分類。圖4展示了工業(yè)應用中常見的一些機器人。

　　6軸鉸接臂在重型有效載荷應用中比較常見，而4軸SCARA通常用于定向拾取和放置。Delta配置非常快，經(jīng)常在電子行業(yè)中用于元件放置。另外一個需要注意的術(shù)語是協(xié)作機器人(Cobot)：是為在共享空間內(nèi)直接與人類進行互動而設計的，與此處所示的配置并不相同。

　　04

　　讓機器人編程更容易

　　機器人可以使用計算機或通過示教器進行編程。需要對兩類代碼進行編程：程序和位置數(shù)據(jù)。為了執(zhí)行從一個位置移動到另一個位置的任務，機器人終端執(zhí)行器首先需要定義起點和終點，然后需要編寫如何到達那里的程序。這可能涉及額外位置，還需要外部信號來告訴機器人物體存在或開始移動。

　　可以通過在軟件中列出來定義位置，但使用示教器更容易。示教器允許操作員移動各個軸，將機器人“驅(qū)動”到所需位置。為滿足精度和安全要求，一般為低速。在操縱機器人時，還需要按下一個3位“死區(qū)開關(guān)”。彈簧加載開關(guān)需要保持在中間位置，如果一直按下或釋放，機器人將無法移動。

　　程序是對不同位置的一系列移動。它們可以單獨觸發(fā)，也可以鏈接在一起。機器人技術(shù)中使用的語言多種多樣，通常為制造商專有。它們通常類似于Basic或Assembly之類的語言，帶有JUMP和MOVE語句。也可以使用其它高級腳本語言，來構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或創(chuàng)建數(shù)學算法，例如計算路徑或位置。一些語言允許并行處理，允許機器人一次執(zhí)行多個動作，例如在相機跟蹤移動對象時計算移動向量。

　　位置數(shù)據(jù)表和編程過程位于不同的內(nèi)存區(qū)域，因此可以在不影響另一個的情況下更改其中一個。這允許通過計算機或示教器編輯表格，來變更或“修改”位置。位置通常是在世界坐標中定義的，但6軸機器人的各個軸的位置可能會因終端執(zhí)行器的工具處于相同位置而有所不同。可以通過將機器人驅(qū)動到具有特定軸配置的位置并選擇“示教”或使用“引導”的技術(shù)來示教位置。該技術(shù)允許用戶在軸放松狀態(tài)下手動將軸推到一系列特定位置，從而描述路徑。

　　05

　　機器人故障排除和維護的注意事項

　　機器人故障排除和維護包括使用軟件或示教器來調(diào)整(微校正)位置，更換終端執(zhí)行器上的工具，并維護電氣或氣動連接。與運動控制器和變頻器一樣，機器人控制器通過提供故障數(shù)據(jù)來指示系統(tǒng)出現(xiàn)的問題。大多數(shù)故障都會導致機器人停止移動，并可能要求操作員在糾正故障后將機器人移動到“安全”位置。

　　機器人工作單元與機器人接口通常帶有PLC和HMI。PLC與機器人通信，在HMI上顯示接收到的故障代碼和其它數(shù)據(jù)。這涉及兩個通信鏈路(機器人PLC和PLC-HMI)，因此確保它們正常工作非常重要。

　　終端執(zhí)行器可能具有M8或M12電纜連接、帶端子的接線盒、ASI(執(zhí)行器傳感器接口)或以太網(wǎng)遠程I/O等通信接口。如果傳感器終端配置蓋子，那么事先知道通信接口的類型可能會有所幫助。檢查文檔或檢查夾具或工具區(qū)域以查看這些連接。

　　顯示了機器人工作單元的典型布局。線條的不同顏色表明，不同元件之間的連接可以是離散布線、通信、氣動，或者在機器人與控制器連接的情況下是電源和反饋布線的組合。這可能會使故障排除變得復雜，因為處理機械、電氣和控制專業(yè)，所需知識的范圍廣泛。

　　在這些系統(tǒng)中，通常存在不受機器人控制器控制的執(zhí)行器，例如工件夾具中。這需要PLC和機器人控制器發(fā)出“握手”信號。用于材料處理和輸送系統(tǒng)的外部系統(tǒng)也可以與PLC接口，并且還可以存在多個機器人。防止多個機器人和工具之間的碰撞可能非常復雜。安全裝置，如光幕、地板掃描儀和門開關(guān)，可以與機器人控制器和PLC接口。也可以使用機器視覺為機器人定位零件，從而將系統(tǒng)的復雜性引入另一個層次。