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SCARA四轴机械手控制系统工作原理

发布日期:2020-04-09

  杨明,张如昊,张军,朱昊天,孙永平,陈扬洋,徐殿国


      摘要:SCARA工业机械手因速度快、精度高及机构特点,特别适合于装配工作,因而在3C、食品药品、汽车工业等生产领域有着广泛应用,如装配印刷电路板和零部件等。首先,讲解轨迹规划并对其进行分类,包括基本轨迹规划、最优轨迹规划和人工智能轨迹规划,并总结了各类方法的优点和存在的问题。其中基本轨迹规划是在关节空间进行多项式、样条曲线插补,在笛卡尔空间进行速度规划、直线和圆弧插补;最优规划包括时间最优、能量最优、冲击最优;人工智能是建立在遗传算法和机器学习的基础上对轨迹进行规划。实现轨迹规划需要控制器驱动器等硬件基础和控制策略保障轨迹跟踪,综述了现有的控制系统架构及控制方法。目前主流的控制系统包括运动控制卡型和基于工业总线型,利用工业以太网可以实现自动化系统的网络化。同时,为方便读者选择合适的SCARA机械手,介绍了国内市场的情况,并对比了一些产品的性能及优缺点。最后,对未来发展进行了展望,主要包括驱控一体型控制系统、机械手模块化及人机协作方面。


  20世纪80年代是工业生产技术高速发展的时期,伴随着自动化技术和集成化技术的飞速发展,机械手技术也随之提升,工业机械手迎来了高速发展的黄金时期。目前,工业机械手在实际工业生产中得到了广泛的应用,其技术也日趋完善,但是先进的工业机械手技术仍掌握在少数发达国家手中,其中影响力较大的主要是欧洲和日本等国家的机械手公司,如 Panasonic,YAMAHA,EPSON,KUKA和ABB等。


  与国外相比,我国机械手起步较晚,而且受很多关键技术制约,发展受到很大的影响。并且,一直以来,核心技术缺乏突破,机械手的关键部件依赖进口,因此我国国产的 SCARA 机械手其精度、速度和稳定性与国外相比有很大的差距,且成本居高不下,因此我国也提出了大力发展机械手的目标。若要完成以上目标,不仅需要改善电机、减速器等本体设计,还需要改善我们的伺服驱动控制、运动控制、轨迹规划等方面技术。本文归纳梳理了国内外关于SCARA机械手的文献,旨在给读者一点启示。


     SCARA 即选择顺应性装配机械手,是一种圆柱坐标型工业机械手,是目前应用最为广泛的一种装配机械手,在日用家电、仪器仪表、小型电器及精密机械装配等领域有着十分广泛的应用。在实际工业生产中,应用最为广泛的一类机械手应用系统的主要构成如图1所示,其主要部分是由人机界面(示教盒)、运动控制系统、伺服驱动器和传感器构成的一个闭环系统。若要对机械手进行控制,首先要进行运动学与动力学建模。运动学建模一般采用D-H建模,其误差可用矩阵法、矢量法建立机械手误差模型。矩阵法是通过相连杆件间的误差传递来表达末端执行器的位姿误差,得到由于构件结构误差和传动误差引起的机械手末端位置误差的变化规律。矢量法是在同一个坐标系下通过矢量的加法和乘法来表达末端的位姿矩阵。动力学建模主要考虑机械手实时的动态性能及运动过程中关节受力与关节位置、速度的关系,其不仅由机械臂的相对位置决定,还由机械手的构造形式和末端姿态等共同决定。只有动力学方程很精确,对机械手的控制才能很精确。误差方面,Lagrange法和Newton-Euler法建立的动力学方程都可以转化为用一个参数组合表示的线性形式,得到观测矩阵与基本参数集,以此来辨识系统参数,减小误差。


  当今工业机械手的发展越来越要求高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修等,并且要求成本降低。目前有以下几方面发展趋势。
  1)机械手控制系统向驱控一体方向发展,结构紧凑、体积小,没有传统方式下数据通信速度和带宽限制。
  2)机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机械手。
  3)人与机械手相互配合,“人机协作”是更智能化的表现。


驱控一体


  随着对速率传输速度、控制精度的要求越来越高,驱控一体方案得到人们关注。驱控一体通过将驱动、运动、控制3层进行完美的结合,没有传统方式下数据通信速度和带宽限制,各层交互数据同步性好、精度更高。可使速度前馈、加速度前馈、低通滤波等新的控制算法得以实现,并将功率级和模拟控制电路以及保护等集成起来,产生一种集成功率模块,因此允许新型控制器以相同甚至更小的外形尺寸取代传统的控制器和驱动器。整个装置结构紧凑、接线减少、可靠性增加,与分散单元相比,在同步和响应速率上效果更好,并且能实现更高的加工性能,可用于高速高精加工领域。驱控一体化采用控制器和驱动器共用内存,数据共享,传输更多控制、状态信息,通信速度高达 100 MB/s,减小了线路上的数据传输延迟;其体积小、重量轻,部署灵活;高性能处理能够完成复杂的机械手算法。伺服在急速加减速时也会产生大的震动,导致误差加大,驱控一体系统通过预知速度变化信息,推算轴转矩变化,动态送入伺服电流环来控制误差。机械手要走向哪个角度,控制器是预先知道的,驱控一体能够实现在机器运动之前让控制器把预先知道的情况告诉伺服驱动器,而不是让伺服驱动器凭借其走动的轨迹来计算推算,其结果就是能够做到反馈的提前。伺服驱动器对于机械手运动到哪个位置的速度和惯量都提前计算好,增加了伺服驱动器和控制器之间的交互,从而把工作做得更好。其缺点为:硬件设计难度大,软件总体功能多、更复杂,设计难度大;驱控一体能直接控制的伺服轴数有限,不易扩展;若驱控一体内部实现电机电源模块,则只能针对不同的电机功率范围分别设计出不同的电源模块;若驱控一体内部没有电流控制电源模块,则还要采用光纤等高速通信方式,传输电流控制信息到多个伺服电流放大器。利用 DELTA-ASDAMS 驱控一体控制器,从运动学方程出发,利用其计算各关节的运动位移和转动角,完成了对 SCARA 机械手高精度的控制。


机械手模块化
  模块化可重构机械手由一些功能结构相似的机械模块组成,每一个模块都是一个控制、传动和驱动的集合体,模块之间可以互相连接和脱离,通过这些模块的柔性组合安装,构建构型不同的模块化可重构机械手。重构机械手的重构过程有手动重构和自动重构2种,手动重构的机械手一般都是用在工作环境己知的情况下,而自动重构的机械手主要用在对未来作环境难以预测的情况下。


   国外很早就开展了模块化工业机械手的研究,目前国内一些机构也对模块化工业机械手有了研究。哈尔滨工业大学机械手研究所的朱延河等人,提出了一种模块化可重构机械手系统;清华大学的赵广涛等人在可重构机械手的模块自同构方面展开了研究,将模块化机械手的模块设计成摆动模块和旋转模块2类,作为机械手中常见的摆动关节和旋转关节,分别具有独立的结构和运动功能,同时通过辅助模块来实现整体组合结构的重构“人机协作”机械手作为一种新型机械手,不仅具有机械手的“精准”,又同时具有人一般的“灵活”,近来备受业界关注与青睐,也是工业4.0的关键技术。人机协作的前提是安全性保障,包括零助力示教与碰撞检测,只有实现很好的安全性能,才允许机械手与人交互,配合完成工作,才有可能实现“机械手进万家”。目前的防撞算法主要包括非接触式与接触式安全防撞控制策略。


  非接触式指在碰撞发生前就进行预测,防止碰撞发生。提出通过激光红外扫描与视觉传感器结合对机械手即将发生碰撞与否做出预测,调整机械手姿态,并采用适当的控制算法避免碰撞。非接触式控制一般涉及多传感器融合、模式识别和图像处理等技术。接触式指机械手发生碰撞后采取安全控制措施减少或消除碰撞造成的伤害,保护被碰对象。目前接触式控制主要采用传感器(如力矩传感器、加速度传感器等)感知非常规力的发生来检测是否发生碰撞,如KUKA LBR iiwa机械手、沈阳新松GCR20-1100协作机械手,当其碰撞到人体时,通过传感器输出来控制机械手停止或减速运行。目前也有一些无传感器碰撞检测方法,如川崎重工的duAro双SCARA机械手通过检测电流异常来判断碰撞。也可以利用实际检测力矩与理论计算力矩对比,根据其差值大小判断碰撞是否发生。提出利用碰撞时的动量变化偏差来检测碰撞,也是一个可行的办法。
  

       在3C、新能源等上升行业的带动下,凭借其高精度、快速性定位特点,SCARA机械手成为热点,有关 SCARA 机械手的文章数量也一度呈上升状态。而随着驱控一体、模块化以及人机协作的发展与应用,SCARA机械手必将变得更加智能化,应用领域更广泛,其效率也会更高。此外,本文中有关轨迹规划和控制系统方面内容,也适用于其他关节型机械手。


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