第5章喷涂机械臂控制系统设计及机械臂系统实验 5.1引言 喷涂机器人的控制系统主要包括硬件系统与软件系统，其在复杂环境中工作时需要有很好的实时性和开放性。目前机械臂的控制大多采用分布式控制系统，具有更好的扩展性与实时性。目前主要的伺服通信总线主要包括CAN、Ethercat、USB和RS232等，Ethercat总线具有更短的响应时间等优点，因此针对机械臂的运动复杂性和实时响应性能的要求，采用基于Ethercat总线的分布式控制系统。以开发周期短、响应速度快为设计原则，设计机械臂控制系统的方案，从而确定机械臂控制系统的硬件组成。在确定硬件组成的基础上利用VC++6.0和Open Inventor设计上位机人机交互界面，并运用解算得到正逆运动学实现机械臂的控制。 在控制系统确定的同时，机械臂的性能指标也直接影响机械臂的工作性能，从而影响喷涂机械臂的喷涂质量，需要进行机械臂的样机实验，对机械臂的主要性能进行检测。 5.2控制系统方案及硬件组成 机械臂控制系统采用基于Ethercat总线的分布式伺服控制结构，包括两层结构，主要由主控计算机、运动控制器、伺服驱动器、编码器组成。第一层为人机交互层与轨迹规划层，由机械臂主控计算机实现，负责机械臂的运动学解算和轨迹规划，发送控制指令至运动控制器，同时，提供人机交互作业控制界面。第二层为运动控制层，运动控制器接收到上层主控计算机发送的指令，对底层的伺服驱动器和伺服电机进行控制，同时还负责从驱动器采集和处理反馈模块的信息。 机械臂控制系统方案与硬件组成如图5-1所示，控制系统主要由计算机、控制器、驱动器、交流伺服电机、光电编码器、制动器等组成。为实现整个喷涂机械臂控制系统的开发周期，以控制方便、功能完善为选择原则，选择开发成熟的控制器、驱动器等控制元件。驱动器选择Elmo公司的Gold系列伺服驱动器，控制器采用Elmo公司的Gold Maestrc系列的运动控制器。针对驱动器，软件EAS C Elmo ApplicationStudio)为驱动器和电机调试提供了人性化的调试界面及编程环境。采用EAS可以对电机和编码器进行快速和专家级的设置和调试，其自整定的功能可以极大地减少电机的调试时间，为减少开发时间提供了极大的人帮助。针对控制器的控制，GDS C GMAS Developer Studio)可支持C语言、C++等多种编程语言，可以为控制器的编程实现机械臂的多轴运动和信息传递提供更大的方便。 根据机械臂控制系统的方案设计与硬件组成的型号选择，设计如图5 -2所示的机械臂控制柜。 控制柜包含机械臂的供电系统与控制系统，其中两个直流电源经过驱动器整个机械臂提供动力。此外还包括六个伺服驱动器和一个运动控制器。将整个喷涂机器人的控制系统集成到一密闭的电气柜之中，不仅便于在液压展臂与喷涂机械臂的接口模块处安装，还为后期机械臂的移动、控制与调试提供了方便。 伺服电机采用Mecpion交流伺服电机，Mecpion交流伺服电机的体积小功率高，其大惯量转子能够匹配大负载，保证运动平稳。此外电机自带19位绝对值编码器，无需选择参考位置即可随时获得电机的绝对位置，机械臂的运动控制提供了更高的准确性和稳定性。根据喷涂机械臂的性能指标，通过计算仿真，选用了四种不同功率的交流伺服电机，三个200V/400W、一个200V/600W，一个200V/1100W和一个400V/2200W 。

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