浅析fanuc工业机器人伺服控制

浅析FANUC工业机器人伺服控制

2009-03-11 09:59:26| 分类：机器人系统集成相

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前言：

早在自动化科未成立之前，由于过去我厂机器人管理和维护经验不足，加之当时的焊接系统还不尽合理，焊接用电缆线破裂后，冷却水流进机器人手腕中，又没有及时处理，造成机器人手腕部分生锈。不久机器人又因为工艺和维修等各方面的原因，停止使用。到2001年，机器人的重复定位精度差，手腕部分明显出现了5-8mm的偏差，车间对总装线的零件装配进行

了一系列的改进，这使北京GJR-G2点焊机器人的再次使用成为可能。但是，由于机器人处在较为潮湿的环境中长期不使用，机器人手腕早已生锈及电机内部的光电编码器进水，其内部的连线发霉脱断，抱闸释放单元通电后无法打开。2001年中，我组和北京精密机床厂共同协商立项，共同对机器人手腕和电机进行了大修。

下面我对FANUC机器人的驱动原理作一简要介绍。

1 FANUC工业机器人α/β轴传动组成与特点

α/β轴传动

1.1FANUC机器人轴驱动的的工作原理

主要由伺服电机、连接轴、螺伞齿轮、同步齿形带、摆线针轮减速器组成，如果计算机插补器输出的指令脉冲f包括方向和速度脉冲指令，当f=0，机器人α、β轴处于静止状态，由光电编码器的反馈脉冲p=0，由此可知比较环节偏差e=0; 反馈脉冲p也包括方向和速度反馈脉冲，通过脉冲处理器，经滤波、整形、放大等处理后，输入比较环节。当机器人运动时，计算机的插补器将进给指令脉冲f传送给伺服驱动板的比较环节，经由于比较环节偏差e为一个数字量所以脉冲信号要经伺服驱动板的数/模转换器，将数字信号变为模拟信号，伺服放大器把信号放大成大功率的驱动信号，伺服电机产生旋转。因为两个相互独立的计算机插补器指令脉冲e和反馈脉冲p在输入比较器中还需要一个脉冲采样电路，来对两个脉冲进行分时采样。通过二级齿轮减速机构和摆线针轮减速器的减速，将速度按一定的减速比减速，这样可以增加力矩，以

带动末端执行器工作。伺服电机的旋转的角度均由伺服电机安装在轴上的传感器反馈给机器人伺服驱动板的比较环节，此时偏差e=f-p，显然这个偏差是一个数字量，所以要经过数/模转换器转换，把数字量变为模拟给定电压。按照反馈原理可知e=f-p=0这说明机器人的传感器指示机器人已到达指定的位置，e=f-p≠0那么机器人伺服驱动板再次发出进给脉冲，伺服驱动板驱动伺服电机，经过反复若干次的反馈和驱动，使机器人到达了指定的位置。

2．FANUC工业机器人交流伺服电机位置反馈元件

2.0传感器部分

光电编

光电编码器码盘结构原理光电编码器的结构

北京GJR-G2工业机器人的光电编码器码盘，如图所示，当光电编码盘在随交流伺服电机旋转时，光线透过这两个光栅的线纹部分时，形成明暗相间的

条纹，被光电元件A、B接受，并变成测量脉冲。两者相差90°的相位，经放大、整形电路变成方波。若A 相超前于B相，则电机正转；若B相超前于A相，则电机反转。若以该方波的前沿或后沿产生记数脉冲，可以形成代表正相位移和反向位移的脉冲序列。从A 和非A，B和非B四个方波被引入位置控制回路，经辨向和乘以倍率后，变成代表位移的测量脉冲。经频率—电压变换器变成正比于频率的电压，作为速度脉冲反馈信号，供给伺服驱动板的比较器单元进行速度脉冲比较。

脉冲编码器的输出波形

3．FANUC工业机器人交流伺服电机的制动

3.0抱闸部分

抱闸抱闸在通电后打开，交流伺服电机可以工作，它的功能有两个方面：一方面，当伺服电机断电，抱闸将电机转轴抱死，机器人轴的位置不会因外力发生改变，机器人可停止。另一方面，在机器人运动中，机器人可通过抱闸可进行有效制动。

交流伺服电机部分

交流伺服电机的外形呈多边形且表面涂有黑漆，这样利于电机的散热，可以有效地避免发热对机床精度的影响。交流伺服电机的极数为8，其结构如图所示：

交流伺服电机的工作原理是，当定子三相通上交流电时，产生一个旋转磁场由于磁极同性相斥，异性相吸，定子旋转磁极与转子磁极的互相吸引，并带着转子一起旋转，因此，转子也将以同步转速与旋转磁场一起旋转。当转子加有负载转矩后，转子的磁极轴线将落后与定子磁场轴线θ角，随着负载的增加，θ角也随之增大，负载减小，θ角也变小。当负载不超过极限时，转子始终跟着旋转磁场以恒定的同步转速旋转。若负载超过极限时，转子不在按同步转速旋转，甚至可能不转。这就是电机的失步现象。我们早期设计的北京GJR-G2焊钳重量超重，工作时，机器人对工件的定位不准，高速运行或在某一姿态出现机器人负载过大和速度异常等报警信息，就是以上所说的原因。

永磁交流伺服电动机原理

3.1 FANUC工业机器人的α、β轴机械传动

北京GJR-G2工业机器人的α、β轴机械传动，如图

所示

其主要部件由连接轴、螺伞齿轮、同步齿形带、摆线针轮减速器组成，传动方法主要是齿轮传动和皮带传动两种。

3.2 北京GJR-G2工业机器人的减速器

减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低速度和增加转矩，以满足工作需要。北京GJR工业机器人的减速器采用了三种减速器：一种是齿轮减速器，一种是齿轮增速器，另一种是摆线针轮减速器，如图所示。

机器人的传动示意图

它们的各自特点是：

α、β轴的增速器：从各自的伺服电机输出转速，分别以20∶30和30∶45加速，通过驱动轴将此速度传递给下一级装置。

α、β齿轮减速器：驱动轴传递的速度，在分别以30∶20和45∶30进行传递。

经过这样的两次速度的传递，同步齿形带输入了与α、β伺服电机相同的转速，并将此速度以1∶87的转速比，经各自的摆线针轮减速器传递给β轴和α轴。而α轴以45∶30的增速转速比传递输出。

3.3 FANUC工业机器人的α、β轴齿轮间隙消除和调整

在北京GJR工业机器人的α、β轴齿轮传动过程中，当主动齿轮突然改变旋转方向时从动齿轮并不能立即随之反转而是有一个滞后量，造成齿轮传动的回差，这种非线性因素将会影响伺服系统的稳定性，为了消除齿轮间的间隙，齿轮的间隙调整采用刚性调整方法，如下图示：

齿轮的间隙调整示意图

齿轮的间隙调整

调整前各齿轮间的间隙较大，约为3-5毫米，所以我们分别对齿轮的间隙进行了调整，比如说调整上图所示的垫片厚度等方法来解决，调整后的齿轮间隙可通过如下方法来进行检测。