基于Trio的車(chē)身焊接定位機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

張生芳 毛俊峰 田 軒 曾 魁 沙智華

(大連交通大學(xué)，遼寧大連 116028)

為適應(yīng)現(xiàn)代汽車(chē)生產(chǎn)節(jié)拍的加快和車(chē)身焊接工藝要求的不斷提高，在白車(chē)身底板焊接生產(chǎn)線中采用柔性化、智能化、高精度的三軸定位機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)“專(zhuān)位專(zhuān)用”的固定式白車(chē)身底板定位裝置，可快速、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)車(chē)身底板定位以及同一生產(chǎn)線上不同車(chē)型間定位的切換，大幅加快汽車(chē)生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本［1－2］。本文構(gòu)建了一種以工控機(jī)(IPC)和Trio運(yùn)動(dòng)控制器為基礎(chǔ)的開(kāi)放式車(chē)身焊接三軸定位機(jī)器人控制系統(tǒng)，介紹了控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，并研究了利用面向?qū)ο蟮腃#語(yǔ)言和Motion Perfect2軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)管理層和控制層軟件開(kāi)發(fā)的方法。

1 控制系統(tǒng)總體方案

控制系統(tǒng)總體上由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，其總體構(gòu)成如圖1所示。

控制系統(tǒng)中，下位機(jī)Trio運(yùn)動(dòng)控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)完成數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)運(yùn)算、伺服脈沖輸出分配、相關(guān)邏輯控制信號(hào)(如原點(diǎn)信號(hào)、限位信號(hào)、伺服報(bào)警信號(hào)等)的輸入輸出等強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)，并將運(yùn)算處理結(jié)果實(shí)時(shí)輸出至驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和相關(guān)外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)定位機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。上位機(jī)IPC負(fù)責(zé)運(yùn)行控制系統(tǒng)的上位管理軟件，通過(guò)它可設(shè)置機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸參數(shù)、顯示軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及運(yùn)行軌跡等，實(shí)現(xiàn)對(duì)定位機(jī)器人的控制并監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用位置控制方式，交流伺服機(jī)構(gòu)接受下位機(jī)輸出的脈沖控制信號(hào)，可快速精確控制交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母副運(yùn)行至指定位置，從而實(shí)現(xiàn)定位機(jī)器人快速準(zhǔn)確的三軸定位功能。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)車(chē)身焊接定位機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件各部分功能的不同，可將其分為3個(gè)模塊:操作監(jiān)控模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、終端執(zhí)行模塊，如圖1所示。

2.1 操作監(jiān)控模塊

操作監(jiān)控模塊是控制系統(tǒng)的“眼睛”，包括上位機(jī)——工作站級(jí)工控機(jī)(IPC)、觸摸屏、控制面板等，通過(guò)USB、串口、網(wǎng)絡(luò)等方式可實(shí)現(xiàn)與其他模塊間的通訊。它能完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、軌跡跟蹤、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能。操作監(jiān)控模塊是操作人員完成人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的相關(guān)控制操作和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的唯一途徑。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制模塊包括下位機(jī)和交流伺服系統(tǒng)。下位機(jī)采用Trio MC206運(yùn)動(dòng)控制器，它采用高性能32位DSP技術(shù)，最多可同步控制4個(gè)步進(jìn)軸或伺服軸運(yùn)動(dòng)，具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，功能豐富、使用簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠［3－4］。交流伺服系統(tǒng)選用Minas A4交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):X、Y軸驅(qū)動(dòng)器型號(hào)是MBDDT2210003，與之適配電動(dòng)機(jī)型號(hào)為MSMD042P1U;Z軸驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為MCDDT3520003，與之適配電動(dòng)機(jī)型號(hào)為 MSMD082P1V。驅(qū)動(dòng)器采用位置控制方式，控制器指令脈沖輸入方式為:脈沖PULSE+方向SIGN。指令脈沖個(gè)數(shù)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度、脈沖頻率控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，指令脈沖方向控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?？刂破鬏敵龅目刂泼}沖與位置編碼器的反饋脈沖在驅(qū)動(dòng)器中比較得出偏差，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)偏差值控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到偏差值減小到零，完成位置控制。

MC206運(yùn)動(dòng)控制器與交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)間的接線方式如圖2所示，脈沖控制信號(hào)由運(yùn)動(dòng)控制器DB9型接口輸入伺服驅(qū)動(dòng)器。運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)置使能繼電器(Amplifier Enable)端口與伺服驅(qū)動(dòng)器使能信號(hào)線(29 SRV－ON)相連，通過(guò)WDOG=ON控制指令控制伺服驅(qū)動(dòng)器的使能。此外伺服準(zhǔn)備輸出(SRDY+)、伺服報(bào)警輸出(ALM+)、位置到達(dá)(COIN+)等信號(hào)可由I/O端輸入控制器。

該模塊是定位機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的核心。經(jīng)上位機(jī)IPC導(dǎo)入相關(guān)控制指令，觸發(fā)固化在Trio MC206運(yùn)動(dòng)控制器中的控制算法進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制脈沖。交流伺服驅(qū)動(dòng)器接受該脈沖信號(hào)，控制伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，實(shí)現(xiàn)對(duì)定位機(jī)器人的精確運(yùn)動(dòng)控制。

2.3 終端執(zhí)行模塊

終端執(zhí)行模塊包括精密滾珠絲杠的定位機(jī)器人本體。定位機(jī)器人本體實(shí)物如圖3所示。它采用直角坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)，沿X、Y、Z軸方向有3個(gè)自由度。X、Y軸運(yùn)動(dòng)采用交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠螺母副的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。為降低機(jī)器人的高度，Z軸采用電動(dòng)機(jī)倒置、齒輪傳動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母副。X、Y、Z軸既可在各自電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，也可任意軸聯(lián)動(dòng)。定位機(jī)器人中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)少，結(jié)構(gòu)十分緊湊，通過(guò)對(duì)工件定位點(diǎn)的規(guī)劃及編程即可實(shí)現(xiàn)精確定位。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)硬件系統(tǒng)的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用前后臺(tái)型模式［5］，并將其分為上位機(jī)管理軟件、底層控制程序、通訊程序3部分，各部分具體功能如圖4所示。上位機(jī)管理軟件作為前臺(tái)程序在IPC中運(yùn)行;底層控制程序作為后臺(tái)程序在下位機(jī)Trio控制器中運(yùn)行。通信程序在IPC與Trio控制器之間起通信作用，使二者協(xié)調(diào)工作。

3.2 上位機(jī)管理軟件

上位機(jī)管理軟件是在Visual Studio.NET 2008環(huán)境下采用面向?qū)ο蟮腃#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的。通過(guò)在項(xiàng)目中添加Trio ActiveX控件，即可根據(jù)個(gè)性化的功能要求調(diào)用控件中運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)和邏輯控制函數(shù)，實(shí)現(xiàn)管理軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的控制與通訊。上位機(jī)管理軟件控制界面如圖5所示，該管理軟件可完成三軸軸參數(shù)設(shè)置、控制器使能、三軸JOG手動(dòng)運(yùn)行、三軸直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)返回各軸運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)等功能。

3.3 底層控制程序

底層控制程序在Trio運(yùn)動(dòng)控制器集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Motion Perfect2軟件中，采用Trio Basic語(yǔ)言編寫(xiě)，用于完成插補(bǔ)運(yùn)算、電動(dòng)機(jī)速度控制、位置檢測(cè)、輸入輸出I/O邏輯控制等高實(shí)時(shí)性任務(wù)。Trio運(yùn)動(dòng)控制器具有多程序同時(shí)運(yùn)行機(jī)制，可最多同時(shí)運(yùn)行8個(gè)底層程序。用戶(hù)可根據(jù)功能不同，將底層程序設(shè)置成不同的子程序模塊循環(huán)執(zhí)行，并以特定全局變量VR()的值或某個(gè)I/O的狀態(tài)作為是否執(zhí)行該子程序功能的判斷條件。

下面通過(guò)一個(gè)在Motion Perfect2軟件中編寫(xiě)的程序?qū)嵗f(shuō)明如何通過(guò)底層運(yùn)動(dòng)控制程序使機(jī)器人在X－Y平面上實(shí)現(xiàn)如圖6所示的運(yùn)動(dòng)軌跡。

程序?qū)嵗帉?xiě)要點(diǎn)及部分源代碼如下:

(1)X軸、Y軸基本軸參數(shù)初始化

(2)軸運(yùn)動(dòng)指令

4 結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)了以IPC+Trio運(yùn)動(dòng)控制器為基礎(chǔ)的車(chē)身焊接三軸定位機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)，詳細(xì)進(jìn)行了控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，并給出了軟件編程實(shí)例。經(jīng)控制系統(tǒng)集成和調(diào)試表明，該控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短、精度高、開(kāi)放性好、人機(jī)界面友好。定位機(jī)器人投入車(chē)身焊接生產(chǎn)線使用后，經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)定，定位機(jī)器人在80 mm/s速度下運(yùn)動(dòng)重復(fù)定位精度≤0.05 mm，完全滿(mǎn)足白車(chē)身底板快速、準(zhǔn)確的定位控制要求，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

［1］張愛(ài)民，王倩.基于總線模式的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010(11):40－42.

［2］張浩，樊留群，馬玉敏.數(shù)字化工廠技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］Trio Motion Technology Ltd.Trio技術(shù)手冊(cè)［Z］.上海:Trio Motion Technology Ltd.，2006.

［4］郭慶鼎，孫宜標(biāo)，王麗梅.現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

［5］劉偉，簡(jiǎn)毅，張建飛.三棱形磨床開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)與研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009(6):34 －37.