中國制造業轉型升級，制造業自動化、智能化時代已到來。在中國，工業4.0意味著傳統制造業需要進行智能化升級，制造領域智能裝備必不可少，這就使得機器人產業有望在工業4.0時代迎來巨大的發展機遇。SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文譯名：選擇順應性裝配機器手臂）是一種圓柱坐標型的特殊類型的工業機器人。1978年，日本山梨大學牧野洋發明SCARA。如今SCARA機器人還廣泛應用于3C行業、塑料工業、汽車工業、電子產品工業、藥品工業和食品工業等領域。

SCARA介紹

SCARA機器人有3個旋轉關節，其軸線相互平行，在平面內進行定位和定向。另一個關節是移動關節，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軸的旋轉自由度）。

SCARA系統在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水平多關節機器人，是一種圓柱坐標型的工業機器，主要由以下組成（見圖1）：

匯川在SCARA機器人應用系統介紹

一、控制系統介紹

（一）機器人控制器

IMC100機器人控制器、IS620N伺服系統、IMC100系列高速擴展模塊、視覺系統、ITP100系列示教器、HMI、工業計算機、低壓電源等組成。該系統支持高速總線IMC100R控制器通過EtherCAT與IS62ON系列伺服高速通信，實現機器人的精準運動控制盒姿態控制。IMC100R控制器通過Ethernet總線與工業PC、示教器、HMI等工業現場設備通訊，實現機器人的示教和監控。本地的高速擴展模塊通訊通過IRLINK總線將現場的IO信號和各種傳感器信號傳回IMC100R控制器。

（1）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：支持6自由度機器人動力學解耦控制，實現實時力矩補償，提高機器人動態特性及軌跡跟蹤精度，支持機器人動力學模型參數辨識功能，提高機器人動力學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。

（2）靈活擴展

① 擴展外部軸：支持多個外部插補軸及聯動軸；
② 擴展PLC：支持IEC61131-3標準，實現PLC編程功能；
③ 配置簡單：伺服參數配置一體化，一鍵配置機器人類型。

（3）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。

（4）工業以太網

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

② IR-Link總線：實現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：連接工業視覺終端、遠程監控終端、示教器，實現互聯互通。

（二）伺服驅動器

IS620N匹配機器人控制器，具有以下特點：

（1）快

? IS620N的位置環掃描周期為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的位置環帶寬為1.2kHz，位置環掃描周期為4kHz，速度環電流環掃描周期為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，模切等設備（見圖3）。

（3）精準

EtherCAT 300個節點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域比如印刷等，可以得到很好的效果（見圖4）。

（三）示教器

參數設置與編程示教可選的示教器或基于PC平臺的示教軟件，可以根據需要選擇（見圖5）。

（四）擴展模塊

可以擴展AM600的I/O模塊、AD、DA等模塊。

二、執行機構

（一）本體

結構件：一般存在焊接型結構件，或鑄造型結構件（見圖6）。

Q1：第1、2關節的軸中心距
Q2：第2、3關節的軸中心距
Q3：絲杠零點的Z軸位置坐標
Q4：絲杠的導程

（二）伺服電機

1. 電機核心是我們自主研發的編碼器：

匯川絕對值編碼器工作原理：

系統采用游標原理實現單圈絕對位置功能。假設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，相當于0.015角秒。
② 省掉機械開關和原點。
③ 耐溫120度，抗震達到10G

（三）減速機（減速，增大轉矩）

把電動機、內燃機等高速運轉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、匯川產品配置（見表1 ）

四、SCARA參數設置

1）機器人型號設置<設置>-<機器人設置>-<機器人型號>

a.選擇類型：串聯b.軸數：四軸c.外部軸：無

2）結構參數設置<設置>-<機器人設置>-<結構參數>

J1 : 225J2 : 175J3 : 0J4 : 16

3) 減速比設置<設置>-<機器人設置>-<減速比>

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

4) 編碼器位數設置<設置>-<編碼器設置

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

5) 機器人零點標定（見圖7）

（1）第1關節的機構零點位置：

與機器人坐標系的X坐標軸重疊。

（2）第2關節的機構零點位置：

第1、2關節完全伸直的位置

（3）第3關節的機構零點位置：

絲杠的行程上限位置

（4）第4關節的機構零點位置：

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節精度：

需對機器人的作業點進行坐標計算時，第2關節的精度是非常重要的。

7）軸極限設置<設置>-<軸極限設置>

機器人標定后，伺服在不使能狀態下，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置，單位全部為角度。

8）運動參數設置<設置>-<運動參數>

速度設置最大允許速度為再現運行狀態下機器人末端直線運行的最大速度，單位：mm/s

最大運行姿態速度為再現運行狀態下機器人姿態運行的最大速度，單位：deg/s

關節允許速度為再現運行狀態下各關節最大關節速度，單位deg/s，

該參數的設置通常通過電機額定轉速、減速比進行計算

以第一軸速度為例：

加減速度設置：

加速度初始參數設置按照加加速時間T1=50ms，即加速時間100ms加速到最大速度求出Jerk，程序內加加速度Jerk為加速度a的80倍。以一軸加速度為例：

然后根據伺服轉矩使用情況和機械結構振動情況進行調整，調整時還需配合伺服的剛度等級設置，以1軸為例900加速度時振動較大，減小加速度，最終調至720。減速度根據最高速運行時，停止距離進行調整，初始設置為加速度的5倍左右。

五、系統方案優勢

1）控制器采用ARM的A8系統，內核采用Linux實時內核，保障操作系統的實時性，插補周期1ms；

2）匯川提供全套電氣產品以及高精、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，降低國產機器人的總體成本，提高國產機器人的競爭力；

5）匯川提供綜合設計能力（EMC）以及工藝實施；

6）擁有驅動器電流環核心算法和23位絕對值編碼器核心技術，實現精準定位；

7）匯川能為客戶提供機器人測試標準體系以及動力學，聚焦工藝開發；

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

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不斷的產品改進和方案優化，更好的為客戶服務；

11）匯川是為擁有自主研發與生產控制系統和伺服馬達的國產企業，特別運動控制解決方案上的能力已可媲美歐美水平。

六、機器人發展趨勢

機器人在近些年開始走進大眾視野，并隨著人工智能技術、先進制造技術和移動互聯網的創新融合而飛速發展。越來越多的服務型機器人被研發出來，開始改變人類的社會生活方式。隨著人工成本的上漲、工作環境的改變、人口老齡化和多元化的市場競爭，各企業面臨著重重壓力。工業機器人產業是一個快速成長中的新興產業，將對未來生產和社會發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”發布也確立了機器人等十大行業作為下一階段的重點發展方向，在政策利好相繼影響下，機器人也將迎來新一輪的爆發期。(e