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1 引言 隨著(zhù)現代工業(yè)的迅速發(fā)展， 普通的人工勞動(dòng)力已經(jīng)不適合強度高、環(huán)境惡劣的工作要求。而隨著(zhù)機器人制造水平的提高， 具有高效率、質(zhì)量穩定、通用性強的機器人已經(jīng)受到越來(lái)越多的青睞， 并被廣泛應用到柔性制造生產(chǎn)線(xiàn)上。目前， 工業(yè)生產(chǎn)中的搬運、焊接、噴涂等繁重工作已經(jīng)逐漸被機器人所取代， 此外， 特種機器人在深海探測、消防救災等領(lǐng)域也得到應用［1］。早在20 世紀70 年代， 國外一些工業(yè)發(fā)達國家的機器人就進(jìn)入了實(shí)用化的階段。經(jīng)過(guò)30 多年的研究應用與改進(jìn)， 目前無(wú)論在技術(shù)水平方面還是裝備數量上， 以日本和德國為代表的少數幾個(gè)工業(yè)發(fā)達國家都具有絕對的優(yōu)勢［1］。如瑞典的ABB、日本的川崎重工、德國的KUKA等。我國“863” 計劃已經(jīng)將機器人的研究列入其中，開(kāi)發(fā)具有良好穩定性和實(shí)用性的機器人也得到了企業(yè)的廣泛重視。本文主要介紹一種基于SMP 純軟件運動(dòng)控制內核的機器人控制系統以及它在焊接方面的實(shí)際應用。 2 系統總體結構 SMP 系統是美國Soft ServoSystem 公司研發(fā)的基于PC 的純軟件運動(dòng)控制內核。SMP 軟件運行在裝有Ardence＇s RTX 的Windows 系統下， 通過(guò)主計算機的CPU 運行實(shí)時(shí)運動(dòng)引擎， 具有閉環(huán)反饋、多軸插補、運動(dòng)程序處理和PLC 邏輯運算功能�？纱钆銿ersioBus 光纖、Panasonic RTEX、Yaskawa MECHATROLINK、Mitsubishi SSCNET 和FXI－40等多種伺服通訊網(wǎng)絡(luò )［2］。本機器人控制系統選用FPA－200適配卡與松下A4N 系列伺服系統構建系統的通訊平臺。 2．1 系統整體結構 SMP 系統運行環(huán)境為Windows2000 ／XP， 硬件上使用普通PC 或者性能更加穩定的IPC， 高速的CPU 內核承擔純軟件方式的運動(dòng)插補和PLC 運算， 并通過(guò)標準的PCI 插槽與FPA－200 建立總線(xiàn)通信， 經(jīng)由FPA－200 適配卡上面的網(wǎng)絡(luò )接口和光纖接口直接與A4N 伺服驅動(dòng)及I ／O 進(jìn)行連接。利用CPU 進(jìn)行純軟件運算， 節省了獨立的運動(dòng)控制卡和PLC 設備， 有效地降低了硬件成本。通過(guò)FPA－200 的光纖接口， 可進(jìn)一步擴展I ／O 模塊， 增加外圍設備輔助功能。整體結構圖如圖1 所示。 2．2 SMP 軟件結構 SMP 軟件的底層模塊包含三個(gè)可升級的實(shí)時(shí)引擎：PLC 引擎、SMP 引擎和SMP 運動(dòng)解析器， 三個(gè)引擎相互循環(huán)配合完成運動(dòng)控制的運算。CPU 給予底層模塊最高優(yōu)先級待遇。SMP 的上層模塊則用于執行SMP 控制器， 如程序的加載、參數的設定、文件的管理和用戶(hù)界面的運行。利用Ardence RTX 對Windows 進(jìn)行實(shí)時(shí)性擴展， SMP Real-Time DLL 中間鏈接層使上層模塊的應用程序可實(shí)時(shí)調用和讀取底層模塊的運動(dòng)引擎數據和系統狀態(tài)信息［2］。 3 機器人硬件構成 機器人的硬件結構由四個(gè)部分組成： 工業(yè)計算機和觸摸屏顯示示教盒、FPA－200 RTEX 網(wǎng)絡(luò )適配卡、松下A4N電機及伺服驅動(dòng)器和機器人本體。 工業(yè)計算機是系統運行的硬件基礎， 示教盒的應用軟件界面直接面向對象操作。FPA－200 通過(guò)IPC 上的標準PCI 插槽與主機建立總線(xiàn)通信， 適配卡的工作電源同樣由PCI 總線(xiàn)提供。FPA－200 上RX、TX 兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )結構接口， 利用100Mbit ／s 的以太網(wǎng)絡(luò )將關(guān)節伺服驅動(dòng)串聯(lián)起來(lái)， 并以0．5～1ms 的周期速度對六個(gè)關(guān)節伺服驅動(dòng)實(shí)行高速循環(huán)控制和可編程加減速控制［3］。系統通訊具有極高的響應性和穩定性。 伺服電機直接安裝在機器人關(guān)節上， 從機械內部走線(xiàn)。在機器人底部用標準航空插頭與伺服驅動(dòng)連接。A4N 伺服驅動(dòng)上的X5 接口提供了豐富的I ／O接點(diǎn)， 通過(guò)PLC 編程， 由X5 接口上的I ／O 點(diǎn)完成對焊槍能設備的控制， 如圖3 所示。 本系統采用的SMP－850 可實(shí)現8 軸插補聯(lián)動(dòng)控制。通過(guò)FPA－200 的VersioBus 光纖接口擴展IM－300 I ／O 模塊，最多可增加到416 輸入輸出點(diǎn)。 4 應用軟件開(kāi)發(fā) SMP 系統提供了應用于Visual C＋＋、Visual Basic 和Java 的應用軟件庫接口、MAPI 源代碼和對引擎內核的實(shí)時(shí)調用DLL 文件。強大的MDK 二次開(kāi)發(fā)軟件包可方便用戶(hù)根據操作習慣和實(shí)際需要開(kāi)發(fā)自己的應用軟件。本文介紹的機器人控制系統選用Visual Basic 軟件作為開(kāi)發(fā)環(huán)境。 4．1 軟件開(kāi)發(fā)流程 應用軟件的運行首先要實(shí)現對SMP 系統的初始化和RTX 引擎的啟動(dòng)。SMP 系統的初始化包括SMP 設備打開(kāi)和系統參數加載。系統初始化和RTX 引擎啟動(dòng)成功后， 設置系統操作模式， 打開(kāi)中斷循環(huán)并與遠程設備建立通訊。程序主循環(huán)過(guò)程中斷狀態(tài)正常時(shí)， 打開(kāi)PLC 引擎并使伺服電機。在不同操作模式下， 根據實(shí)際需用編寫(xiě)界面操作程序。軟件編寫(xiě)過(guò)程中， 通過(guò)MDK 二次開(kāi)發(fā)包提供的MAPI 調用語(yǔ)句和動(dòng)態(tài)鏈接文件DLL， 可實(shí)時(shí)讀取界面操作所需要的引擎狀態(tài)和系統信息。 4．2 示教操作界面 手動(dòng)示教模式的功能是讓操作人員記錄機器人位置姿態(tài)并生成焊接軌跡。在機器人的實(shí)際應用中， 需要操作人員在手動(dòng)操作模式下移動(dòng)機器人關(guān)節使焊槍末端始終沿著(zhù)規定的焊接軌跡移動(dòng)， 然后在示教模式下記錄運動(dòng)過(guò)程中的關(guān)鍵位置點(diǎn)， 并根據焊接的要求插入打開(kāi)焊槍、關(guān)閉焊槍、輸入焊接速度、暫停等功能指令， 最后保存軌跡生成可再現的示教程序［4］。程序中對焊槍的控制是將M 指令進(jìn)行譯碼后， 交給PLC 引擎運算， 并通過(guò)PLC 輸出點(diǎn)控制焊槍的開(kāi)始點(diǎn)和結束點(diǎn)。示教功能界面如圖5 所示。在自動(dòng)運行界面下， 操作者可重復調用保存好的示教軌跡程序， 控制機器人運動(dòng)， 完成焊接。 5 結束語(yǔ) 本文介紹的基于PC 機和Windows 系統的機器人控制系統具有運行穩定、系統內核升級方便、應用軟件開(kāi)發(fā)周期短、界面友好等優(yōu)點(diǎn)。本系統實(shí)現了對6 個(gè)自由度機器人的聯(lián)動(dòng)控制， 完成了示教編程、參數設定， 自動(dòng)運行等功能模塊的編程。搭配松下A4N 系列伺服和廣東伺博科NBC－350 二氧化碳氣保焊機， 在實(shí)際的焊接應用中取得了良好的效果。通過(guò)對焊接速度和焊接電流， 電壓等參數的調節， 焊接質(zhì)量達到了技術(shù)要求， 軌跡準確， 焊縫平滑。接下去， 機器人系統的進(jìn)一步研究工作將主要在以下兩個(gè)方面： （1） 深入研究機器人運動(dòng)的速度前饋和加減速算法，提高機器人在高速運動(dòng)下的定位精度， 減少振動(dòng)， 保證機器人運動(dòng)的平穩性； （2） 建立機器人三維模型， 研究機器人逆運動(dòng)學(xué)算法， 規劃機器人的空間運動(dòng)軌跡， 編寫(xiě)離線(xiàn)編程加工程序。 |
