前言

中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，制造業(yè)自動化、智能化時代已到來。在中國，工業(yè)4.0意味著傳統(tǒng)制造業(yè)需要進行智能化升級，制造領(lǐng)域智能裝備必不可少，這就使得機器人產(chǎn)業(yè)有望在工業(yè)4.0時代迎來巨大的發(fā)展機遇。SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文譯名：選擇順應(yīng)性裝配機器手臂）是一種圓柱坐標型的特殊類型的工業(yè)機器人。1978年，日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明SCARA。如今SCARA機器人還廣泛應(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動。該機器人具有四個軸和四個運動自由度，(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)機器人，是一種圓柱坐標型的工業(yè)機器，主要由以下組成

匯川在SCARA機器人應(yīng)用系統(tǒng)介紹

一、控制系統(tǒng)介紹

（一）機器人控制器

IMC100機器人控制器、IS620N伺服系統(tǒng)、IMC100系列高速擴展模塊、視覺系統(tǒng)、ITP100系列示教器、HMI、工業(yè)計算機、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，實現(xiàn)機器人的精準運動控制盒姿態(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，實現(xiàn)機器人的示教和監(jiān)控。本地的高速擴展模塊通訊通過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實時性：支持16軸插補，最小控制周期125us，抖動周期小于100ns；

② 動力學(xué)：支持6自由度機器人動力學(xué)解耦控制，實現(xiàn)實時力矩補償，提高機器人動態(tài)特性及軌跡跟蹤精度，支持機器人動力學(xué)模型參數(shù)辨識功能，提高機器人動力學(xué)模型不準時引起的誤差精度；

③ 多通道：支持一臺控制器控制多臺機器人，同時支持多外部軸擴展。

⑵靈活擴展

①擴展外部軸：支持多個外部插補軸及聯(lián)動軸；

② 擴展PLC：支持IEC61131-3標準，實現(xiàn)PLC編程功能；

③ 配置簡單：伺服參數(shù)配置一體化，一鍵配置機器人類型。

⑶易用性

①易操作：支持搖桿、觸摸、鼠標；

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)

①EtherCAT總線：實現(xiàn)機器人控制器、伺服系統(tǒng)、擴展模塊的高速通信，使系統(tǒng)簡單可靠；

② IR-Link總線：實現(xiàn)本地高速高精度擴展模塊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、遠程監(jiān)控終端、示教器，實現(xiàn)互聯(lián)互通。

（二）伺服驅(qū)動器

IS620N匹配機器人控制器，具有以下特點：

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，0.1ms 可以刷新100個軸

    比如：雕銑機，鉆攻中心，機器人，印刷包裝機械等

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，最快定位時間可達5~6ms。能夠完全滿足LED，LCD，雕銑，機器人，印刷，模切等設(shè)備。

3 精準

EtherCAT 300個節(jié)點 120m距離 15ns同步誤差、 ±20ns同步抖動 ，在對實時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)點收到同步信號的時間偏差；同步抖動指同步信號間隔時間的變動誤差。

（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）擴展模塊

可以擴展AM600的I/O模塊、AD、DA等模塊

二、執(zhí)行機構(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：絲杠零點的Z軸位置坐標

Q4：絲杠的導(dǎo)程

(二) 伺服電機

1電機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)采用游標原理實現(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，來實現(xiàn)絕對位置的識別，原理同游標卡尺。如1023\1024,在第X個柵格相位差范圍為：(2π/1023)(X-1)<θ<=(2π/1023)*X.。實際上1024和1023兩個碼道即可實現(xiàn)10位分辨率的絕對位置信息。 

2 特點

① 絕對值編碼器分辨率為23位，相當(dāng)于0.015角秒。

② 省掉機械開關(guān)和原點。

③ 耐溫120度，抗震達到10G  

（三） 減速機（減速，增大轉(zhuǎn)矩）

把電動機、內(nèi)燃機等高速運轉(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。

三、匯川產(chǎn)品配置

SCARA參數(shù)設(shè)置

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

       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

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

5) 機器人零點標定

     （1）第1關(guān)節(jié)的機構(gòu)零點位置：

               與機器人坐標系的X坐標軸重疊。

     （2）第2關(guān)節(jié)的機構(gòu)零點位置：

               第1、2關(guān)節(jié)完全伸直的位置

     （3）第3關(guān)節(jié)的機構(gòu)零點位置：

               絲杠的行程上限位置

     （4）第4關(guān)節(jié)的機構(gòu)零點位置：

               軸的平面（或上下機械擋塊的槽）朝向第2機械臂的位置 

6）左右手方法校準第二關(guān)節(jié)精度：

需對機器人的作業(yè)點進行坐標計算時，第2關(guān)節(jié)的精度是非常重要的。

準備：

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)對準頂尖治具和工作臺頂尖，記錄此時的第2關(guān)節(jié)伺服的脈沖值pls1,pls2，理論零點的脈沖位置為 (pls1+pls2)/2

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

7） 軸極限設(shè)置<設(shè)置>-<軸極限設(shè)置>

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

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

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

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

關(guān)節(jié)允許速度為再現(xiàn)運行狀態(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)置通常通過電機額定轉(zhuǎn)速、減速比進行計算

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)置按照加加速時間T1 =50ms，即加速時間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

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

減速度根據(jù)最高速運行時，停止距離進行調(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實時內(nèi)核，保障操作系統(tǒng)的實時性，插補周期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，可以輕易獲得除機器人本體之外的，靈活的邏輯控制

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

5）匯川提供綜合設(shè)計能力（EMC）以及工藝實施；

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)，實現(xiàn)精準定位；

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

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

9）及時交付貨物能力;

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)和伺服馬達的國產(chǎn)企業(yè)，特別運動控制解決方案上的能力已可媲美歐美水平。

五、機器人發(fā)展趨勢:

機器人在近些年開始走進大眾視野，并隨著人工智能技術(shù)、先進制造技術(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。我國機器人使用密度處于極低水平，機器人使用密度的提升將帶動機器人需求量的提升。“中國制造2025”發(fā)布也確立了機器人等十大行業(yè)作為下一階段的重點發(fā)展方向,在政策利好相繼影響下,機器人也將迎來新一輪的爆發(fā)期。