直角坐標搬運機器人控制系統(tǒng)研究

金嘉琦，徐振偉，劉 暢

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

直角坐標搬運機器人控制系統(tǒng)研究

金嘉琦，徐振偉，劉 暢

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

對控制系統(tǒng)的一般組合形式進行概述，并根據(jù)直角坐標搬運機器人工作特點設計PC+運動控制卡的控制方式。基于VB進行軟件設計，以PC機、運動控制卡、伺服驅(qū)動器、傳感器等硬件部分形成機器人完整控制系統(tǒng)。既能精確的控制機器人工作又能實時的監(jiān)控機器人的工作狀態(tài)。為搬運機器人控制系統(tǒng)設計提供解決方案。

直角坐標機器人；控制系統(tǒng)；運動控制卡；VB

0 前言

隨著中國制造2025實施制造強國戰(zhàn)略發(fā)展的大潮，機器人越來越多的應用到各個領(lǐng)域。直角坐標機器人由于其結(jié)構(gòu)緊湊、強度高、運動簡單、工作范圍廣的特點，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛運用。直角坐標機器人系統(tǒng)是由機器人本體、工作裝置、控制系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、人機界面、防護裝置等組成。而控制系統(tǒng)是機器人的大腦，控制著整個機器人系統(tǒng)的運行方式，為靈活運行高效工作提供保障。

1 運動控制系統(tǒng)總體方案

市場上常用的自動化設備運動控制系統(tǒng)包括以下幾種形式[1]：

(1)單片機系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本較低；但由于本身無自開發(fā)能力必須借助開發(fā)工具來開發(fā)應用軟件，抗干擾能力差，處理任務單一。因此多用于消耗品上，一般不用于工業(yè)設備。

(2)PLC控制系統(tǒng)。PLC的I/O驅(qū)動能力強，易于擴展，圖形化開發(fā)界面，抗干擾能力強；但其體系結(jié)構(gòu)封閉，各PLC產(chǎn)品互不兼容，編程語言及指令也各異，學習過程較為復雜。

(3)專用運動控制器。專用運動控制器是針對設備特定的運動方式和運動特點專門開發(fā)的控制器。其針對性強，控制功能良好，傳輸效率高，抗干擾能力強。但開發(fā)成本高，柔性極差。

(4)PC+運動控制卡控制系統(tǒng)。運動控制卡采用高速DSP或?qū)I(yè)運動控制芯片來滿足控制需要，通過PCI與PC機相連，具有超強數(shù)據(jù)處理能力，可以實時采集各種各樣的數(shù)據(jù)信息對生產(chǎn)設備進行控制。且能執(zhí)行比較復雜的控制算法。

隨著PC機的廣泛使用，PC+運動控制卡方案的使用率越來越高，通常用于運動過程、機械軌跡都比較復雜，而且柔性比較強的機器[2]。由于直角坐標機器人工作需要較高的柔性，所以本文選擇PC+運動控制卡組合控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制原理

直角坐標搬運機器人控制系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。運動控制卡通過PCI連接PC機，組成上位機和下位機兩部分。上位機在系統(tǒng)中為PC機，主要負責系統(tǒng)監(jiān)控、人機界面的管理和指令控制，協(xié)調(diào)系統(tǒng)進行工作；運動控制卡為下位機，主要負責處理對上位機發(fā)出指令的處理，實現(xiàn)復雜精確的軌跡運動[3]。伺服驅(qū)動器負責接收運動控制卡發(fā)出的運動指令，驅(qū)動伺服電機運動，并根據(jù)編碼器與傳感器反饋的速度和位置信號對電機進行調(diào)整。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of control system

機器人工作需要良好的精確性和穩(wěn)定性，所以采用速度與位置的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)原理如圖2所示。通過伺服驅(qū)動器對其中的前饋增益、比例放大、積分增益的設置來調(diào)節(jié)速度閉環(huán)的特性；運動控制卡通過PID+速度前饋(PID+Kv濾波器)復合控制的方式，來改善實際位置與指令的關(guān)系[4-5]。通過對各參數(shù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電機精確運動，完成預定工作的目的。其控制計算方法為

(1)

式中，Ui為輸出值；ei為采樣周期的輸入與輸出的位置誤差；Vi為電機速度；Kp為比例放大系數(shù)；Ki為積分增益系數(shù)；Kd為微分增益系數(shù)；Kv為速度前饋系數(shù)。

圖2 伺服控制系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of servo control system

2.2 運動控制卡結(jié)構(gòu)與工作原理

DMC2410C-A是雷賽公司推出的PCI總線4軸運動控制卡，能驅(qū)動絕大多數(shù)的伺服驅(qū)動器。DMC2410C-A卡以脈沖驅(qū)動方式帶動電機，脈沖數(shù)量控制電機轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，頻率控制電機轉(zhuǎn)動的速度，還能將報警、到位等信號接入控制卡，實時反饋伺服狀態(tài)。并配備有WINDOWS系統(tǒng)下的動態(tài)鏈接庫，用VB、VC等工具方便編寫應用軟件，同時提供了界面直觀、功能豐富的MOTION2000調(diào)試軟件，可輕松的測試控制卡接口及電機驅(qū)動系統(tǒng)。

ACC3410-EX是用于連接運動控制卡與PC機及驅(qū)動器的接線盒，圖3為接線盒接口布置示意圖。接口 X1 是與運動控制卡連接的接口。接口 X4～X7 為軸 1～軸 4 的信號接口；接口 X14 為專用輸入信號接口；接口 X10 為通用輸入信號接口；接口 X11 為通用輸入信號接口；接口 X12 為通用輸出信號接口；接口 X13 為通用輸出信號接口；接口 X8 為急停接口；接口 X9 為電源接口。

圖3 ACC3410-EX接口布置示意圖Fig.3 Interface layout diagram of ACC3410-EX

3 控制系統(tǒng)軟件開發(fā)

由于VB具有良好的圖形用戶界面，并能輕松創(chuàng)建控件可以方便的使用提供的組件創(chuàng)建和開發(fā)程序?；赩B程序開發(fā)，機器人軟件控制界面如圖4。

控制系統(tǒng)軟件開發(fā)需滿足機器人工作要求：(1)機器人可以完成一鍵回到原點設置；(2)手動運行時實現(xiàn)四軸(X、Y、Z、R)聯(lián)動和單軸運動；(3)實現(xiàn)機器人按程序自動運行；(4)實時監(jiān)測機器人運動狀態(tài)速度、位移等；(5)開關(guān)機器人工作裝置吸盤。

圖4 人機控制界面Fig.4 Man-machine control interface

在進行精確的運動控制之前，需要設定運動坐標系的原點。在機器人運動單元上，每個軸都有一個位置傳感器用于設置位置參考點，即原點位置。在正常運動之前，都需要用回零指令控制運動滑塊向原點方向運動，當控制卡檢測到原點信號后，滑塊自動停止。運動平臺上用于正向限位的傳感器信號EL、反向限位的傳感器信號EL-。原點返回采用原點電平狀態(tài)作觸發(fā)信號：

(1)使用 d2410_set_HOME_pin_logic 函數(shù)設置原點開關(guān)的有效電平；

(2)使用 d2410_config_home_mode 函數(shù)設置回原點方式；

(3)設置運動的速度形式曲線；

(4)使用 d2410_home_move 函數(shù)進行回原點運動；

(5)回到原點后，指令脈沖計數(shù)器清零。

機器人控制界面分為手動運行和自動運行兩種運行方式，手動運行狀態(tài)下可實現(xiàn)選擇某一工作軸，并設置速度倍率進行正向反向移動。還可以選擇手輪運動更加方便的調(diào)整機器，根據(jù)手搖的速度發(fā)出脈沖。在此模式下，吸盤開關(guān)按鈕可以實現(xiàn)手動控制抓取釋放工件。

自動運行模式即程序運行模式如圖5，點擊程序啟動按鈕運動控制卡發(fā)出脈沖信號，對伺服電機進行聯(lián)合控制實現(xiàn)各個軸的分別動作到達工件所在位置或卸料位置，并通過氣缸對搬運吸盤的開關(guān)控制，進行工件的抓取與釋放。實現(xiàn)機器人按工作軌跡運動并進行物件搬運工作。

圖5 自動運行模式Fig.5 Automatic operation mode

DMC2410C-A卡各工作軸都有編碼器輸入接口，用于檢測直線運動單元的位移或速度(電機的轉(zhuǎn)角)。編碼器有 EA、EB、EZ 三個信號，脈沖計數(shù)信號由 EA 和 EB 端口輸入；它可以接收兩種類型的脈沖信號：正負脈沖輸入或 A/B 相正交信號，EZ 信號是編碼器零位信號。以實現(xiàn)機器人運動狀態(tài)的實時監(jiān)控。

4 結(jié)論

本文根據(jù)直角坐標搬運機器人工作特點設計PC+運動控制卡的控制方式?；赩B進行軟件設計，以PC機、雷賽DMC2410C-A運動控制卡、伺服驅(qū)動器、編碼器、傳感器等硬件部分形成機器人完整控制系統(tǒng)[6]，既能精確的控制機器人工作又能實時的監(jiān)控機器人的工作狀態(tài)。通過完整的控制系統(tǒng)設計過程，為搬運機器人控制提供解決方案。

[1] 王炎歡，陳阿三，劉鑫茂.直角坐標機器人控制系統(tǒng)的研制[J].輕工機械，2010,28(4)：67-69.

[2] 徐斌.基于運動控制卡的機械手控制系統(tǒng)研究[J].合肥學院學報(自然科學版)，2010,20(3)：86-88.

[3] 張志遠，李琪，畢海深.基于直角坐標機器人的軟袋再包裝自動上料系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化，2012,34(3)：11-14.

[4] 孔慧勇.基于運動控制卡的全閉環(huán)控制系統(tǒng)研究[D].成都：四川大學，2003.

[5] 趙鐵軍，王鋼，王新.等離子弧表面強化機器人控制系統(tǒng)研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2015(7)：114-117.

[6] 盧濤，于海生，吳賀榮.基于VC的直角坐標機器人控制系統(tǒng)設計[J].青島大學學報(工程技術(shù)版)，2014,29(1)：7-11.

[7] 孟德欣，謝婷，王先花.VB程序設計[M].北京：清華大學出版社，2009.

Research on the control system of cartesian-coordinates cransport robot

JIN Jia-qi, XU Zhen-wei, LIU Chang

(School of mechanical engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110807, China)

Based on research of the control system general combination，this paper designs control PC and motion control card in accordance with the work features of cartesian coordinate transport robot. Software design based on VB, to part of the PC, motion control card, servo drive, sensors forming a complete robot control system. Both precise control of the robot can work and working status real-time monitoring of the robot. This can provide solutions for the transport robot control system.

cartesian coordinates robot; control systems; motion control card; VB

2016-08-01；

2016-09-03

金嘉琦(1955-)，男，沈陽工業(yè)大學教授。

TP242.2

A

1001-196X(2016)06-0049-03