工业机器人电气控制系统设计分析
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摘 要 工业机器人指工业领域应用的一种多关节机械手或者是拥有多个自由度的机器装置，它主要通过自身动力以及相关的电气控制来实现各种功能运动。现代的工业机器人拥有可编辑、拟人化、通用性等相关特点，同时随着PLC电气控制系统的引入和发展，工业机器人得到了更高的发展，广泛地应用于机械制造、电力工程、医药、冶炼、物流等行业。
关键词 机械机构;PLC;工业过程;设计分析
1 工业机器人简介
工业机器人主要由主体、驱动系统与控制系统组成，工业机器人主体即机座和执行机构构成，一般机器人拥有3～6个运动自由度。驱动系统由动力装置和传动机构构成，以用来执行相应的动作。控制系统是对驱动和执行机构发出和控制指令的系统。
常见的工业机械人类型包含：直角坐标机器人、SCARA机器人、Delta机器人、4自由度标准工业机器人以及6自由度标准工业机器人等。他们主要用于机器焊接、物品搬运、涂胶、喷漆以及切割测量等。机器人的主要由机械系统、电控系统、示教盒、软件系统等组成，其技术特点及优势如下表[1]：
2 机器人控制系统基本结构
机器人的电气控制系统主要由上位计算机、运动控制器、驱动器、电动机、执行机构和反馈装置构成。计算机一般采用微型机或者微处理器构成的调度指挥机构。示教盒是机器人工作轨迹和参数设定及人机交换操作平台，其拥有自己独立的CPU处理中心和储存单元，同时与主计算机串行通信以实现信息交互。
电动机一般采用进步电机、直流伺服电机或者交流伺服电机，进步电机是一种可以将电脉冲信号变换成相应的角位移或者直线位移的执行元件。其拥有3%～5%的步距角精度，外表允许80～90度的高温，力矩会随着转速升高而降低。拥有结构简单、维护方便、高可靠性等优点。直流伺服电机具有高优性的启动、制动的特性，可以实现相应迅速、控制功率耗损小的优点。交流伺服电机连续工作范围大，机械特性比较硬，同时因为无电刷和换向器，因此工作可靠，维护保养要求低，同功率下较直流电机体积和重量更小[2]。
3 控制系统分类
3.1 集中控制系统
集中控制系统是一种结构简单、成本低，使用一台计算机可实现全部控制功能的系统。该系统主要的特点是可以充分利用PC资源的开放性，因此具有多种控制卡、可通过PCI插槽及标准串口、并口集成控制系统的开放性。同时该系统便于信息采集和分析，其整体和协调性较好，系统硬件的扩展较为方便。但其缺点是控制较为集中，出现问题影响范围广，缺乏相应的灵活性。
3.2 主从控制系统
主从控制系统主要通过主、从两级的处理器进行全部功能的控制，其主系统主要实现管理、坐标变换、轨迹生成以及系统诊断等功能;而从系统主要是实现机器人的关节动作的控制。主从系统的控制主要特点是实时性较好，广泛适用于高精度和高速度系统的控制使用。
3.3 分散控制系统
分散控制系统主要是将系统分为几个模块，每一模块控制不同的任务和策略，系统会根据目标及任务进行综合协调和分配，同时通过子系统进行协调完成控制，在该系统结构中因为子系统是由控制器和不同被控制对象或设备构成，各个子系统间通讯主要是通过网络进行联系。其特点是实时性好，容易实现扩展。
4 机器人控制器
工业机器人控制器是影响机器人性能的关键部件，是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，决定着机器人的性能优势。控制器可进行多个任务操作，可具有网络通信功能，生产效率更加高。其具有多任务功能、网络功能、丰富的网络通信功能。机器人的控制可分为串行、并行两种结构类型，串行处理结构主要指控制算法采用串行机来进行处理。并行处理结构将控制算法并行处理。控制器的系统结构特点发展同时也朝着开放式系统结构、合理模块化设计、高效任务划分方向进行发展。同时也朝着实时性、多任务、网络通信、直观人机接口方向进行展望。
5 编码器
编码器是用来对控制对象的实际位置检测的传感器，是构成控制系统的必要元件。编码器按照不同的形式可分为直线型、旋转型编码器和增量式、绝对式编码器，四种类型。
旋转光电编码器主要由发射部分、码盘以及检测部分组成，发射部分即光源;码盘为光栅盘在一定直径的圆板上按照一定的编码形成的开通若干个长方形孔;检测部分处理检测信号的电路板。
绝对编码器是通过刻线码道，每条码道依次以2线、4线、8线、16线进行刻线编码，在编码器的每一个位置通过读取每道刻线的通、暗，进而获得从2的零次方到2的n-1次方的唯一二進制代码，这样就形成不受停电干扰的由光电码盘机械位置位置编码。
增量编码器具有精度高、结构简单，成本低的特点，可是实现无接触测量，其广泛适合测角，也可以适合测速。但其缺点是在脉冲传输中易干扰产生累积误差。
6 结束语
本文通过对工业机械人中的电气控制系统详述，简要的分析了电气控制系统在现代工业机器人中的应用设计。电气控制系统在经过直接数字控制系统、柔性制造系统、计算机集成制造系统。综合运用计算机辅助设计、集散控制系统的发展，逐渐形成了从产品设计及制造和生产管理的智能化生产的完整系统，将自动化生产技术推进到更高的水平。后续随着微电子技术、电子电力技术、检测传感技术的发展，电气控制技术将会得到更大的发展。
参考文献
[1] 汤涛.现代工业机器人结构与电气控制系统设计应用[M].北京：机械工业出版社，2005：22.
[2] 张秋，周波.机械设备的逻辑控制设计分析应用[M].北京：化学工业出版社，2010：33.
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