作者 |?Frank Lamb

運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器人的故障排除和維護(hù)需要對(duì)電機(jī)和機(jī)器人中的所有組件和機(jī)制有深刻的了解。

運(yùn)動(dòng)控制涉及使用電機(jī)對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行定位和精確移動(dòng)。雖然運(yùn)動(dòng)控制并不總是閉環(huán)控制，但它不同于電機(jī)控制，后者的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證已知位置或運(yùn)動(dòng)。

01

步進(jìn)電機(jī)的原理和維護(hù)

步進(jìn)電機(jī)是一種無(wú)刷直流電機(jī)，其定子由多個(gè)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(shí)通電，使電機(jī)“步進(jìn)”到下一個(gè)位置。

基于微控制器的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器按適當(dāng)?shù)捻樞蚣せ铗?qū)動(dòng)晶體管。典型的步進(jìn)電機(jī)分辨率為每轉(zhuǎn)200步，但使用“微步進(jìn)”驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)1600步。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器有時(shí)也被稱為“斬波器”。

步進(jìn)電機(jī)通常在沒(méi)有反饋設(shè)備（如編碼器或解碼器）的情況下運(yùn)行，這使它們成為一種比伺服電機(jī)更便宜的定位方法，但它們也沒(méi)有太多的保持扭矩。除了電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器外，還需要分度器。它可內(nèi)置在驅(qū)動(dòng)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(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行分度。步進(jìn)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(hào)。

02

伺服系統(tǒng)的組件和維護(hù)

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

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

伺服驅(qū)動(dòng)器接受來(lái)自編碼器的脈沖輸入，并通過(guò)電流監(jiān)測(cè)扭矩。溫度傳感器和制動(dòng)器控制信號(hào)有時(shí)包含在控制電纜中。一般情況下，伺服驅(qū)動(dòng)器比變頻器更復(fù)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(yùn)動(dòng)。通常這是一種基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議，但有時(shí)也會(huì)使用光纖。

伺服控制算法基于PID的位置或轉(zhuǎn)矩控制。電機(jī)需要根據(jù)電機(jī)和負(fù)載特性進(jìn)行調(diào)整，以確保實(shí)現(xiàn)最佳性能。正是出于這個(gè)原因，來(lái)自同一制造商的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器通常配套出售和使用。有些電機(jī)內(nèi)置了驅(qū)動(dòng)器和控制器。這些“集成伺服”電機(jī)，可以聯(lián)網(wǎng)來(lái)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)或作為獨(dú)立的定位器來(lái)使用。

伺服電機(jī)和由變頻器控制的典型交流感應(yīng)電機(jī)之間的一個(gè)重要區(qū)別，是伺服電機(jī)在零速度下具有保持轉(zhuǎn)矩。如果電機(jī)軸在控制電源下偏離其位置，它會(huì)嘗試自我校正，如果沒(méi)有達(dá)到預(yù)設(shè)位置，則會(huì)導(dǎo)致控制器故障。

協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常使用“主”控制器或位置來(lái)調(diào)整其它控制器的速度。一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)取決于另一個(gè)軸或虛擬軸的位置變化。有一點(diǎn)很重要， 那就是使用專用于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的快速通信網(wǎng)絡(luò)?？梢允褂脤Ｓ玫倪\(yùn)動(dòng)控制器來(lái)協(xié)調(diào)伺服軸。通過(guò)集成機(jī)器視覺(jué)，將機(jī)械手引導(dǎo)到正確的位置。運(yùn)動(dòng)控制器可以集成到PLC機(jī)架中，或者是作為單獨(dú)系統(tǒng)使用。很多都有單獨(dú)的I/O模塊，可以使用IEC 61131 PLC語(yǔ)言進(jìn)行編程。

對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)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(tái)軟件。驅(qū)動(dòng)器和控制器通常具有內(nèi)置的診斷功能，以檢測(cè)電機(jī)及其所連接負(fù)載可能出現(xiàn)的問(wèn)題。聯(lián)軸器等機(jī)械元件也會(huì)出現(xiàn)故障?？傊?，請(qǐng)先閱讀您的文檔。

03

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的路徑感知

工業(yè)機(jī)器人用于生產(chǎn)制造和材料搬運(yùn)任務(wù)，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(yīng)用中所使用的機(jī)器類型。

機(jī)器人可以有多達(dá) 6-7 個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，也可以只有 3 個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。要到達(dá) X-Y 平面上的任意點(diǎn)，需要兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸；要到達(dá) X-Y-Z 空間中的任意點(diǎn)，需要三個(gè)運(yùn)動(dòng)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(gè)軸，即俯仰軸、滾動(dòng)軸和偏航軸。

圖3展示了在三維空間中到達(dá)任何點(diǎn)和方向所需的6個(gè)軸，但機(jī)器人使用不同的坐標(biāo)系，關(guān)節(jié)配置也可能不同。原點(diǎn)和方向也隨品牌的不同而有不同的定義，通?？梢栽谲浖羞M(jìn)行更改。

▲機(jī)器人坐標(biāo)軸和右手法則。

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

單個(gè)關(guān)節(jié)也可以獨(dú)立控制，通常以度為單位進(jìn)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(jìn)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(jìn)行定義，如U、V和W。

機(jī)器人能夠到達(dá)的區(qū)域被稱為工作范圍。可以在機(jī)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(shè)備集成到機(jī)器人工作單元中。

機(jī)器人控制器不斷進(jìn)行計(jì)算，以確保它們知道機(jī)器人相對(duì)于參考點(diǎn)和路徑的位置。當(dāng)沿著定義路徑移動(dòng)時(shí)，軸必須協(xié)同工作，因此機(jī)器人是協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制的最終形式。這就是為什么控制器通常用于支持實(shí)現(xiàn)和保持位置的任務(wù)。

與機(jī)器人打交道時(shí)需要理解的一個(gè)重要問(wèn)題是奇點(diǎn)。在這種情況下，由于物理或數(shù)學(xué)約束，機(jī)器人無(wú)法沿特定路徑移動(dòng)其終端執(zhí)行器。機(jī)器人最終可能會(huì)處于無(wú)法繞特定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)工具的位置，這有時(shí)被稱為萬(wàn)向節(jié)鎖定。在其它物理配置中，通過(guò)某些方向移動(dòng)關(guān)節(jié)可能會(huì)損壞相關(guān)的電纜或軟管，因此當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人靠近奇點(diǎn)或旋轉(zhuǎn)軸過(guò)遠(yuǎn)時(shí)需要小心。通常有多個(gè)關(guān)節(jié)配置，可以實(shí)現(xiàn)相同的工具位置和方向，這通常被稱為冗余自由度。

機(jī)器人控制器通常能夠執(zhí)行邏輯功能和操作外部設(shè)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?？刂破骺梢允峭ㄟ^(guò)電源和信號(hào)電纜連接到機(jī)器人單元，也可以內(nèi)置在機(jī)器人底座中。連接可以是24 Vdc的物理連接、通信鏈路或通過(guò)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(dòng)軟管。機(jī)器人可以根據(jù)其物理配置進(jìn)行分類。圖4展示了工業(yè)應(yīng)用中常見(jiàn)的一些機(jī)器人。

6軸鉸接臂在重型有效載荷應(yīng)用中比較常見(jiàn)，而4軸SCARA通常用于定向拾取和放置。Delta配置非?？?，經(jīng)常在電子行業(yè)中用于元件放置。另外一個(gè)需要注意的術(shù)語(yǔ)是協(xié)作機(jī)器人（Cobot）：是為在共享空間內(nèi)直接與人類進(jìn)行互動(dòng)而設(shè)計(jì)的，與此處所示的配置并不相同。

04

讓機(jī)器人編程更容易

機(jī)器人可以使用計(jì)算機(jī)或通過(guò)示教器進(jìn)行編程。需要對(duì)兩類代碼進(jìn)行編程：程序和位置數(shù)據(jù)。為了執(zhí)行從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的任務(wù)，機(jī)器人終端執(zhí)行器首先需要定義起點(diǎn)和終點(diǎn)，然后需要編寫(xiě)如何到達(dá)那里的程序。這可能涉及額外位置，還需要外部信號(hào)來(lái)告訴機(jī)器人物體存在或開(kāi)始移動(dòng)。

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

程序是對(duì)不同位置的一系列移動(dòng)。它們可以單獨(dú)觸發(fā)，也可以鏈接在一起。機(jī)器人技術(shù)中使用的語(yǔ)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(yǔ)言，帶有JUMP和MOVE語(yǔ)句。也可以使用其它高級(jí)腳本語(yǔ)言，來(lái)構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或創(chuàng)建數(shù)學(xué)算法，例如計(jì)算路徑或位置。一些語(yǔ)言允許并行處理，允許機(jī)器人一次執(zhí)行多個(gè)動(dòng)作，例如在相機(jī)跟蹤移動(dòng)對(duì)象時(shí)計(jì)算移動(dòng)向量。

位置數(shù)據(jù)表和編程過(guò)程位于不同的內(nèi)存區(qū)域，因此可以在不影響另一個(gè)的情況下更改其中一個(gè)。這允許通過(guò)計(jì)算機(jī)或示教器編輯表格，來(lái)變更或“修改”位置。位置通常是在世界坐標(biāo)中定義的，但6軸機(jī)器人的各個(gè)軸的位置可能會(huì)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(guò)將機(jī)器人驅(qū)動(dòng)到具有特定軸配置的位置并選擇“示教”或使用“引導(dǎo)”的技術(shù)來(lái)示教位置。該技術(shù)允許用戶在軸放松狀態(tài)下手動(dòng)將軸推到一系列特定位置，從而描述路徑。

05

機(jī)器人故障排除和維護(hù)的注意事項(xiàng)

機(jī)器人故障排除和維護(hù)包括使用軟件或示教器來(lái)調(diào)整（微校正）位置，更換終端執(zhí)行器上的工具，并維護(hù)電氣或氣動(dòng)連接。與運(yùn)動(dòng)控制器和變頻器一樣，機(jī)器人控制器通過(guò)提供故障數(shù)據(jù)來(lái)指示系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題。大多數(shù)故障都會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人停止移動(dòng)，并可能要求操作員在糾正故障后將機(jī)器人移動(dòng)到“安全”位置。

機(jī)器人工作單元與機(jī)器人接口通常帶有PLC和HMI。PLC與機(jī)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(gè)通信鏈路（機(jī)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(yuǎn)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(huì)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(jī)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(dòng)，或者在機(jī)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(huì)使故障排除變得復(fù)雜，因?yàn)樘幚頇C(jī)械、電氣和控制專業(yè)，所需知識(shí)的范圍廣泛。

在這些系統(tǒng)中，通常存在不受機(jī)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(jī)器人控制器發(fā)出“握手”信號(hào)。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(gè)機(jī)器人。防止多個(gè)機(jī)器人和工具之間的碰撞可能非常復(fù)雜。安全裝置，如光幕、地板掃描儀和門(mén)開(kāi)關(guān)，可以與機(jī)器人控制器和PLC接口。也可以使用機(jī)器視覺(jué)為機(jī)器人定位零件，從而將系統(tǒng)的復(fù)雜性引入另一個(gè)層次。

審核編輯：黃飛

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