摘要：随着我国向创新型国家转型发展，以工业机器人为代表的工业自动化设备需求也不断上升。在这样的背景下，本文基于工业机器人伺服控制系统原理，先是分析该系统的结构，然后重点讨论工业机器人伺服控制器的硬件及成套系统开发，通过系统测试平台对工业机器人的衡量、负载等进行识别，目的是提高工业机器人伺服控制系统的精度及响应速度，最终能够实现工业机器人智能化控制，并为机器人的开发研究奠定良好基础。
关键词：工业机器人；伺服控制系统；控制精度；响应速度
0 引言
随着我国经济的快速发展，我国制造业也不断升级发展，且随着“中国制造2025”的提出，国家也越来越重视工业机器人技术在制造领域的应用，且对社会发展有着重要的推进作用。工业机器人是计算机及软件技术快速发展下的产物，主要由运动控制器、伺服控制系统、减速器等装置构成，是面向工业领域多自由度的一种自动工作机器。目前我国已经开始使用机器人替代人工完成任务，中国已经成为世界最大工业机器人使用市场，且每年对工业机器人的需求不断增长。由工信部制定的机器人产业“十三五”规划提出，力争在2020年完成工业机器人产业体系的构建与完善。但由于工业机器人的关键零部件仍然依赖于出口，针对这样的问题，国家将机器人及其零部件的发展作为重点发展对象进行规划，旨在进一步促进我国机器人产业链的发展。
1 技术方案制定
基于我国机器人产业链快速发展的需求下，本文主要对工业机器人的关键零部件——高速伺服控制器进行研究，依托于计算机技术、数字信号处理技术、综合嵌入式技术等多项技术，对这一关键零部件的控制系统进行分析，目的是提高其控制系统的控制精度和响应速度。
根据工业机器人发展现状及市场需求，对工业机器人伺服控制器项目的技术方案进行制定，具体分析其关键模块技术和应用。然后在理论基础上对工业机器人专用高速伺服控制器进行设计，并通过相关试验对其进行改进。
2 系统结构设计
工业机器人专用高速伺服控制器系统的结构图具体可见下图1。
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图1 系统结构示意图
根据图1所得知，该系统主要由PC液晶显示终端、运动控制卡、伺服控制器、I/O控制板及外部通信模块等要素构成。其中PC液晶显示终端的作用是实现人机交互，将PC机与外部通信模块互联，I/O板与示教器互联，由PC机对各部件进行实时参数控制；I/O控制板的功能作用是输入和输出控制外设传感器的信号；运动控制卡则是接收PC机给定的控制策略及指令控制，然后对伺服电机进行控制进而完成各种运动。
3 硬件开发设计
随着我国工业的快速发展，对工业机器人的控制系统要求也越来越高，主要体现在控制系统的通用性、开放性及延展性多个方面。目前工业机器人的控制器虽然能够高速而准确地产生各种所需形式的指令，但是由于伺服系统具有电气和机械惯性，要想实现伺服系统快速驱动对象和高精度完成控制指令还有一定的难度。在工业机器人控制系统中，伺服驱动系统是核心部件，其关系这工业机器人的定位精度、运动速度、承载能力及作业性能，因此也是工业自动化中的关键性技术。基于现代工业对工业机器人控制系统的要求，对其硬件技术进行分析。
3.1 架构模式
由于工业PC平台具有良好的成本优势及具有友好交互、多样可扩展功能、强大且精确的运算能力，因此工业PC硬件平台被广泛应用于工业机器人运动控制中。用户可以通过PC硬件平台中的VC++等高级编制语言进行人机界面的开发，同时能够直接使用其中可靠且成熟的运动函数进行控制软件的开发，另外在对软件进行修改和功能添加方面也比较方便，所开发出的软件也具有较强的移植性。基于这一优势，构建了工业IPC+PMAC运动控制卡的架构模式，在这一架构模式中设计了依托VC++高级编制语言的工业机器人软件控制系统。各部件负责的任务不同，PC上位机的VC++程序负责的是用户信息交互和处理、机器人各项运动参数的获取及机器人运动轨迹的计算，并对下位机进行指令发送；运动控制卡主要负责的是个关键电机的伺服控制，如脉冲输出、升降数处理等。
3.2 结构原理
分析工业机器人专用高速伺服控制器硬件设计的原理结构可知，所设计的运动控制卡是基于PCI总线基础上，通过利用高性能的ARM微处理其和FPGA可编程器件，以此对伺服运动控制卡进行优化设计，实现了多伺服和多轴协调控制的高性能伺服控制。在总体的硬件架构中，由各种部件组成，其中Pulse脉冲计数输出和数字I/O数模转化输出的功能，能够发出高频连续的脉冲信号，在通过PWM控制方式进行脉冲频率的调整便可实现电机转速的控制，且电机转角的大小可以通过调整脉冲数量的方式进行调整。脉冲主要分为脉冲+方向和脉冲+脉冲两种输出方式。
对于采集编码器，其角度位置可通过脉冲计数器功能实现，以此给机器反馈各关节的准确位置，并形成一个位置闭环反馈系统，能够有效降低传动误差值。而机械限位、机械原点、设备运行状态检测等，可通过数字I/O实现。在设计工业机器人专用伺服控制器硬件系统时，在速度控制方面设计了两种增减速模式，分别是S型和梯形，运动轨迹则主要有多轴联动直线差补及圆弧插补。由于现代工业对工业机器人的自动化控制要求较高，所以需要一套精准的定位控制系统支撑。根据这一要求，可将底层的运动控制软件与硬件集成，以此实现伺服控制系统的电机速度控制、位置控制的多项功能，且能够通过计算机对这些功能进行调用，既能够发挥出PC机的功能，也能够大大提升工作效率。
3.3 系统测试
在完成系统设计后，为了确保开发出的高速伺服控制器具有快速的响应速度及控制精度，还需要通过工业机器人伺服系统测试平台对研制的控制器系统进行测试。首先需要对研制的控制器系统实物进行检查，然后再对整机性能进行测试，具体使用的Dynalog.Inc.USA公司的机器人轨迹测试性能评估系统进行测试，测试的内容包括位置准确度、位置重复性、运动轨迹的准确性、运动轨迹的重复性、位置的稳定时间及位置超调量性能，通过对这六项性能的测试，对测试结果分析，目的是抑制机器人振动，并集中提高伺服控制器的运行速度、控制误差及系统抗干扰能力，这样工业机器人的定位速度更快和精度更高。
4 结语
本文基于工业机器人伺服控制系统原理的基础上，对其中控制器的设计和开发进行了分析，设计了一款基于VC++高级编程语言工业机器人软件控制系统，并基于PCI总线基础上，利用ARM微处理其和FPGA可编程器实现高速伺服运动控制，再将运动控制软件和硬件集成在一块，以此实现伺服控制系统多项功能控制。最后通过对研制的控制器六项整机性能进行测试和校准，结合测试结果可验证，该系统具有较好的准确性、快速性和抗干扰性。
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