匯川技術(shù)在SCARA工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)解決方案

前言

   中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，制造業(yè)自動化、智能化時(shí)代已到來。在中國，工業(yè)4.0意味著傳統(tǒng)制造業(yè)需要進(jìn)行智能化升級，制造領(lǐng)域智能裝備必不可少，這就使得機(jī)器人產(chǎn)業(yè)有望在工業(yè)4.0時(shí)代迎來巨大的發(fā)展機(jī)遇。SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文譯名：選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂）是一種圓柱坐標(biāo)型的特殊類型的工業(yè)機(jī)器人。1978年，日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明SCARA。如今SCARA機(jī)器人還廣泛應(yīng)用于3C行業(yè)、塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。

SCARA介紹

   SCARA機(jī)器人有3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。另一個關(guān)節(jié)是移動關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動。該機(jī)器人具有四個軸和四個運(yùn)動自由度，(包括沿X,Y,Z方向的平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度)。

   SCARA系統(tǒng)在x,y方向上具有順從性，而在Z軸方向具有良好的剛度，此特性特別適合于裝配工作。

   SCARA水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人，是一種圓柱坐標(biāo)型的工業(yè)機(jī)器，主要由以下組成

匯川在SCARA機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)介紹

一、控制系統(tǒng)介紹

1、機(jī)器人控制器

   IMC100機(jī)器人控制器、IS620N伺服系統(tǒng)、IMC100系列高速擴(kuò)展模塊、視覺系統(tǒng)、ITP100系列示教器、HMI、工業(yè)計(jì)算機(jī)、低壓電源等組成。該系統(tǒng)支持種高速總線IMC100R控制器通過EtherCAT與IS62ON系列伺服高速通信，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精準(zhǔn)運(yùn)動控制盒姿態(tài)控制。IMC100R控制器通過Ethernet總線與工業(yè)PC、示教器、HMI等工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備通訊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的示教和監(jiān)控。本地的高速擴(kuò)展模塊通訊通過IRLINK總線將現(xiàn)場的IO信號和各種傳感器信號傳回IMC100R控制器。

⑴高性能

①實(shí)時(shí)性：支持16軸插補(bǔ)，最小控制周期125us，抖動周期小于100ns；

②動力學(xué)：支持6自由度機(jī)器人動力學(xué)解耦控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)力矩補(bǔ)償，提高機(jī)器人動態(tài)特性及軌跡跟蹤精度，支持機(jī)器人動力學(xué)模型參數(shù)辨識功能，提高機(jī)器人動力學(xué)模型不準(zhǔn)時(shí)引起的誤差精度；

③多通道：支持一臺控制器控制多臺機(jī)器人，同時(shí)支持多外部軸擴(kuò)展。

⑵靈活擴(kuò)展

①擴(kuò)展外部軸：支持多個外部插補(bǔ)軸及聯(lián)動軸；

②擴(kuò)展PLC：支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)PLC編程功能；

③配置簡單：伺服參數(shù)配置一體化，一鍵配置機(jī)器人類型。

⑶易用性

①易操作：支持搖桿、觸摸、鼠標(biāo)；

②易安裝：并排安裝，布線簡單；

③易編程：菜單化編程，離線編程。

⑷工業(yè)以太網(wǎng)

①　 EtherCAT總線：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器、伺服系統(tǒng)、擴(kuò)展模塊的高速通信，使系統(tǒng)簡單可靠；

②　 IR-Link總線：實(shí)現(xiàn)本地高速高精度擴(kuò)展模塊IO、AD、DA、編碼器等的需求，高速、高精度、

       高可靠；

③　 TCP/IP通訊：連接工業(yè)視覺終端、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、示教器，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

（二）伺服驅(qū)動器

　　IS620N匹配機(jī)器人控制器，具有以下特點(diǎn)：

  1 快

? IS620N的位置環(huán)掃描周期為250us，在同步位置模式下最小可以支持250us的同步位置周期。  

單軸定位周期5-6MS.

?ethercat  100M速率，一幀到底，單軸1US延時(shí)，0.1ms 可以刷新100個軸

          比如：雕銑機(jī)，鉆攻中心，機(jī)器人，印刷包裝機(jī)械等

 2 高性能

  IS620N的位置環(huán)帶寬為1.2kHz，位置環(huán)掃描周期為4kHz，速度環(huán)\電流環(huán)掃描周期為16kHz，最快定位時(shí)間可達(dá)5~6ms。能夠完全滿足LED，LCD，雕銑，機(jī)器人，印刷，模切等設(shè)備。

3 精準(zhǔn)

   EtherCAT 300個節(jié)點(diǎn) 120m距離 15ns同步誤差、 ±20ns同步抖動 ，在對實(shí)時(shí)性及同步性要求非常高的領(lǐng)域比如印刷等，可以得到很好的效果。

注：同步誤差指任意兩節(jié)點(diǎn)收到同步信號的時(shí)間偏差；同步抖動指同步信號間隔時(shí)間的變動誤差。

（三）示教器

參數(shù)設(shè)置與編程示教可選的示教器或基于PC平臺的示教軟件，可以根據(jù)需要選擇

（四）擴(kuò)展模塊

     可以擴(kuò)展AM600的I/O模塊、AD、DA等模塊

二、執(zhí)行機(jī)構(gòu)

（一）本體

結(jié)構(gòu)件：一般存在焊接型結(jié)構(gòu)件，或鑄造型結(jié)構(gòu)件。

Q1：第1、2關(guān)節(jié)的軸中心距

Q2：第2、3關(guān)節(jié)的軸中心距

Q3：絲杠零點(diǎn)的Z軸位置坐標(biāo)

Q4：絲杠的導(dǎo)程

(二) 伺服電機(jī)

1電機(jī)核心是我們自主研發(fā)的編碼器：

匯川絕對值編碼器工作原理

每一個相同柵格相位差都在唯一的區(qū)間內(nèi)

   系統(tǒng)采用游標(biāo)原理實(shí)現(xiàn)單圈絕對位置功能。假設(shè)第一道與第二道柵格分別為1024與1023，則在每個光柵（如1024柵格與1023柵格的第10個柵格）彼此相同的第X個柵格間，有唯一固定范圍的相位差值，來實(shí)現(xiàn)絕對位置的識別，原理同游標(biāo)卡尺。如1023\1024,在第X個柵格相位差范圍為：(2π/1023)(X-1)<θ<=(2π/1023)*X.。實(shí)際上1024和1023兩個碼道即可實(shí)現(xiàn)10位分辨率的絕對位置信息。

2特點(diǎn)

① 絕對值編碼器分辨率為23位，相當(dāng)于0.015角秒。

② 省掉機(jī)械開關(guān)和原點(diǎn)。

③ 耐溫120度，抗震達(dá)到10G  

（三） 減速機(jī)（減速，增大轉(zhuǎn)矩）

   把電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動力通過輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達(dá)到減速的目的，并傳遞更大的轉(zhuǎn)矩。

   類型：圓柱齒輪減速器、渦輪減速器、行星減速器、行星齒輪減速器、RV減速器、擺線針輪減速器和諧波減速器

其中：RV減速器和諧波減速器是精密減速器中重要的兩種減速器。

二、匯川產(chǎn)品配置                

三、SCARA參數(shù)設(shè)置

1）機(jī)器人型號設(shè)置<設(shè)置>-<機(jī)器人設(shè)置>-<機(jī)器人型號>

a.選擇類型：串聯(lián)              b.軸數(shù)：四軸             c.外部軸：無

2）結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置<設(shè)置>-<機(jī)器人設(shè)置>-<結(jié)構(gòu)參數(shù)>

 J1   225             J2 175                J3 ：0                  J4 ：16

3) 減速比設(shè)置<設(shè)置>-<機(jī)器人設(shè)置>-<減速比>

 J1 : 50                J2:  50               J3:  16                 J4 : 20

4) 編碼器位數(shù)設(shè)置<設(shè)置>-<編碼器設(shè)置< p="">

J1： 23               J2 :23                J3：23                   J4：23

5) 機(jī)器人零點(diǎn)標(biāo)定

 （1）第1關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)零點(diǎn)位置：

與機(jī)器人坐標(biāo)系的X坐標(biāo)軸重疊。

（2）第2關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)零點(diǎn)位置：

第1、2關(guān)節(jié)完全伸直的位置

（3）第3關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)零點(diǎn)位置：

絲杠的行程上限位置

（4）第4關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)零點(diǎn)位置：

軸的平面（或上下機(jī)械擋塊的槽）朝向第2機(jī)械臂的位置

6）左右手方法校準(zhǔn)第二關(guān)節(jié)精度：

需對機(jī)器人的作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算時(shí)，第2關(guān)節(jié)的精度是非常重要的。

準(zhǔn)備：

1.頂尖治具，盡量保證與絲杠中心對心

2.工作臺固定一頂尖‘

在伺服不使能狀態(tài)，分別用左右手姿態(tài)對準(zhǔn)頂尖治具和工作臺頂尖，記錄此時(shí)的第2關(guān)節(jié)伺服的脈沖值pls1,pls2，理論零點(diǎn)的脈沖位置為 (pls1+pls2)/2

1.絕對式電機(jī)，在示教界面絕對零點(diǎn)處輸入J2的零點(diǎn)脈沖(pls1+pls2)/2。

7） 軸極限設(shè)置<設(shè)置>-<軸極限設(shè)置>

機(jī)器人標(biāo)定后，伺服在不使能狀態(tài)下，手動推到擋塊極限位置，保持好停止時(shí)的余量，從編程界面讀取軸極限的位置進(jìn)行設(shè)置，單位全部為角度。

8）運(yùn)動參數(shù)設(shè)置<設(shè)置>-<運(yùn)動參數(shù)>

速度設(shè)置最大允許速度為再現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)器人末端直線運(yùn)行的最大速度，單位:mm/s

最大運(yùn)行姿態(tài)速度為再現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)器人姿態(tài)運(yùn)行的最大速度，單位：deg/s

關(guān)節(jié)允許速度為再現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)下各關(guān)節(jié)最大關(guān)節(jié)速度，單位deg/s,

該參數(shù)的設(shè)置通常通過電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、減速比進(jìn)行計(jì)算

以第一軸速度為例：

加減速度設(shè)置：

加速度初始參數(shù)設(shè)置按照加加速時(shí)間T1 =50ms，即加速時(shí)間100ms加速到最大速度求出Jerk，程序內(nèi)加加速度Jerk為加速度a的80倍    以一軸加速度為例：

T1 = 50ms加速到最大速度3000r/min

a = j/80 = 900

然后根據(jù)伺服轉(zhuǎn)矩使用情況和機(jī)械結(jié)構(gòu)振動情況進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時(shí)還需配合伺服的剛度等級設(shè)置，以1軸為例900加速度時(shí)振動較大，減小加速度，最終調(diào)至720。

減速度根據(jù)最高速運(yùn)行時(shí)，停止距離進(jìn)行調(diào)整，初始設(shè)置為加速度的5倍左右。

四、系統(tǒng)方案優(yōu)勢

1）控制器采用ARM的A8系統(tǒng)，內(nèi)核采用Linux實(shí)時(shí)內(nèi)核，保障操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，插補(bǔ)周期1ms;

2）匯川提供全套電氣產(chǎn)品以及高精、高速、智能的完整自動化取放解決方案；

3）開放的二次平臺，可以輕易獲得除機(jī)器人本體之外的，靈活的邏輯控制

4）SCARA機(jī)器人的ETHERCAT總線化，降低國產(chǎn)機(jī)器人的總體成本，提高國產(chǎn)機(jī)器人的競爭力;

5）匯川提供綜合設(shè)計(jì)能力（EMC）以及工藝實(shí)施；

6）擁有驅(qū)動器電流環(huán)核心算法和23位絕對值編碼器核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位；

7）匯川能為客戶提供機(jī)器人測試標(biāo)準(zhǔn)體系以及動力學(xué)，聚焦工藝開發(fā);

8）控制器IMC100與IS620N采用EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，具備與電流環(huán)同步的水準(zhǔn)，可以輕易實(shí)現(xiàn)動力學(xué)的控制；

9）及時(shí)交付貨物能力;

10）匯川作為本土化上市公司為客戶提供持續(xù)不斷的產(chǎn)品改進(jìn)和方案優(yōu)化，更好的為客戶服務(wù)；

11）匯川是為擁有自主研發(fā)與生產(chǎn)控制系統(tǒng)和伺服馬達(dá)的國產(chǎn)企業(yè)，特別運(yùn)動控制解決方案上的能力已可媲美歐美水平。

五、機(jī)器人發(fā)展趨勢:

   機(jī)器人在近些年開始走進(jìn)大眾視野，并隨著人工智能技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新融合而飛速發(fā)展。越來越多的服務(wù)型機(jī)器人被研發(fā)出來，開始改變?nèi)祟惖纳鐣罘绞?。隨著人工成本的上漲、工作環(huán)境的改變、人口老齡化和多元化的市場競爭，各企業(yè)面臨著重重壓力。工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是一個快速成長中的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起越來越重要的作用。我國機(jī)器人使用密度處于極低水平，機(jī)器人使用密度的提升將帶動機(jī)器人需求量的提升?！爸袊圃?025”發(fā)布也確立了機(jī)器人等十大行業(yè)作為下一階段的重點(diǎn)發(fā)展方向,在政策利好相繼影響下,機(jī)器人也將迎來新一輪的爆發(fā)期。