鑄造流水線四自由度工業(yè)機器人控制系統(tǒng)

李寧 寧顯斌 盧子廣

【摘 要】本文以四坐標機器人為研究對象，通過分析機器人的運動特性及變量參數(shù)，利用編程軟件Motion Perfect2進行基本Basic指令的設(shè)計，完成機器人4軸的基本運動控制。為了使機器人在離線狀態(tài)下動作，利用觸摸屏完成機器人的示教再現(xiàn)功能，并利用觸摸屏上位機實現(xiàn)對機器人的控制，從而提高鑄造流水線上機器人的運動控制能力，

【關(guān)鍵詞】鑄造流水線 四自由度 工業(yè)機器人 控制系統(tǒng) 觸摸屏

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）02C-0185-03

隨著計算機集成制造、控制理論、信息和多傳感、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，鑄造工業(yè)領(lǐng)域引入了越來越多的機器人技術(shù)。作為一門新興的高新技術(shù)，機器人在鑄造工藝流水線上所起的作用也顯現(xiàn)出來，鑄造企業(yè)里各種工業(yè)機器人的數(shù)量逐年增加，成為鑄造企業(yè)提高其競爭實力不可或缺的機電一體化自動生產(chǎn)設(shè)備。鑄造用機器人不僅能夠?qū)⑷藦母邚姸取⒏哓摵珊臀ｋU的鑄造工作環(huán)境中解放出來，大幅度地提高勞動生產(chǎn)率和勞動安全系數(shù)，也可以改善鑄造產(chǎn)品質(zhì)量，提高鑄件精度。鑄造用高性能、高可靠性、高精度機器人的開發(fā)研究已成為鑄造工業(yè)生產(chǎn)的必然要求。本課題針對鑄造流水線上使用的四坐標機器人，設(shè)計了鑄造機器人開放式控制系統(tǒng)。

一、運動控制系統(tǒng)方案

鑄造機器人運動控制器將程序設(shè)計要求的轉(zhuǎn)角、位移量等信息，根據(jù)驅(qū)動裝置（考慮到成本及控制系統(tǒng)的復雜程度，選擇步進電機作為驅(qū)動裝置）、傳動裝置、執(zhí)行裝置各部分之間的轉(zhuǎn)換、運算關(guān)系，將各部分相匹配的信息發(fā)送給步進電機，從而控制步進電機的正反轉(zhuǎn)、脈沖數(shù)等，實現(xiàn)各軸（執(zhí)行裝置）的精確運動與位移。本設(shè)計采用以開環(huán)控制，通過點位控制來控制運動系統(tǒng)。

鑄造機器人主要是進行鑄件搬運等工作，這些工作的共同特點都在于機器人運動的間斷性及重復性。為了提高系統(tǒng)的安全性，本設(shè)計采用了傳感器模塊作為簡單的反饋裝置。傳感器將檢測到的危險信息，如各軸運動到極限位置、各軸遇到障礙物等。通過信號輸入端傳送給運動控制器，運動控制器接收信號并及時做出反應(yīng)，發(fā)送相應(yīng)的指令控制各軸的運動，以避免危險的發(fā)生，從而保證了整個系統(tǒng)與機械本體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

根據(jù)機器人實現(xiàn)功能、工作環(huán)境、應(yīng)用場合及成本等方面考慮，通過對各控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行分析比較，確定本設(shè)計采用PC機+人機交互界面+運動控制器的開放式控制系統(tǒng)，其中PC機和人機交互構(gòu)成系統(tǒng)上位機，下位機則由運動控制器構(gòu)成。各部分完成任務(wù)如下：

PC機用于控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)與調(diào)試（人機交互操作界面、運動控制器等軟件程序的設(shè)計）；人機交互主要完成系統(tǒng)離線狀態(tài)下命令的發(fā)送，并在緊急情況下實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動、急停等操作，避免系統(tǒng)硬件、軟件、機器人本體結(jié)構(gòu)受到破壞；運動控制器，作為控制系統(tǒng)核心部件，起著橋梁樞紐的作用。它將接收到的上位機下達的指令或命令通過分析、判斷、計算等過程，再將信號發(fā)送給驅(qū)動裝置、執(zhí)行裝置，完成機器人的整個運動過程。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）核心部件選型。本設(shè)計中所選用的運動控制器采用Euro205X型運動控制器（Trio公司產(chǎn)品），它是一種U型結(jié)構(gòu)的數(shù)字運算控制器，是控制系統(tǒng)在Euro205的基礎(chǔ)上更加完善的控制器，獨立的120MHZ的DSP微處理器，大大加快了計算機數(shù)據(jù)處理和電機運動的速度。

人機交互界面產(chǎn)品的選擇采由WeinView公司的eView MT500系列觸摸屏，其主要包括兩部分：一部分用于對外部環(huán)境的檢測及顯示，即觸摸屏的檢測裝置，另一部分是觸摸屏內(nèi)部的分析判斷和對信號的處理裝置，即觸摸屏的控制器。

（二）系統(tǒng)硬件搭建及通信。根據(jù)機器人硬件結(jié)構(gòu)模塊的組成部分，機器人控制系統(tǒng)的硬件搭建主要包括運動控制器與機器人本體的連接、運動控制器與PC機的連接、運動控制器與人機界面（觸摸屏）的連接、運動控制器與遙控模塊的連接。由于運動控制器是硬件結(jié)構(gòu)搭建的橋梁和樞紐，故在介紹各部分連接之前，先對運動控制器的引腳作一介紹。

機器人控制系統(tǒng)各硬件的通信主要包括下位機與上位機之間的通信（即運動控制器與PC機、觸摸屏的通信）和上位機與上位機之間的通信（即PC機和觸摸屏的通信）兩部分。各部分間的通信均采用“串行通信”方式。所謂的“串行通信”，是指設(shè)備間使用二根數(shù)據(jù)信號線（可能還需要控制線）一位一位地進行傳輸，其中每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個固定的時間長度。這種通信方式具有數(shù)據(jù)線使用少、成本低等優(yōu)點。

三、鑄造機器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）Trio控制程序設(shè)計。Trio程序的設(shè)計使用Motion Perfect 2，它比Motion Perfect 1在保留了核心功能的同時，增加了很多新的增強功能。Motion Perfect 2有如下新的特征：支持Trio公司生產(chǎn)的各個系列型號運動控制器的編程；在編寫程序的過程中，增加了語句輔助、誤差輔助功能，并可進行脫機程序編輯；可連接到其他外部應(yīng)用軟件，如CAD2Motion（該軟件可以用于轉(zhuǎn)化為CAD，產(chǎn)生兩個到Trio Basic程序的空間運動路徑）；增強的通信功能，如被保護的RS232通信模式，支持USB的高速通信，CAN總線通信等；其他新的或功能增強的工具，如表格編輯器，變量編輯器，填寫、保存表格文件，可定義尺寸的示波器等。

（二）Trio程序的設(shè)計。Trio程序的設(shè)計是整個控制系統(tǒng)的軟件核心，用于完成電機控制、傳感器狀態(tài)查詢等實時性要求比較高的任務(wù)。Trio Basic程序主要包括初始化、報警等模塊，在特定的條件下，各個模塊之間通過程序流程控制指令進行切換、執(zhí)行任務(wù)。下面是報警程序模塊的程序指令：

loop：'the programme of alarm

IF VR（9）=1 OR VR（10）=1 OR VR（11）=1 OR VR（12）=1THEN

GOTO loop

ELSEIF （IN（0）=0 OR IN（1）=0） OR （IN（3）=0 OR IN（4）=0） OR IN（9）=0 OR

（IN（6）=0 OR IN（2）=0） THEN

OP（11，ON）

FOR i=0 TO 3

BASE（i）

WHILE MTYPE<>0

CANCEL

WEND

NEXT i

WAIT UNTIL （IN（0）=1 AND IN（1）=1） AND （IN（3）=1 AND IN（4）=1） AND IN（9）=1 AND （IN（6）=1 AND IN（2）=1）

OP（11，OFF）

（三）Trio程序的在線調(diào)試。由于Trio運動控制器在離線狀態(tài)下，只能進行程序的離線編輯，所以要進行在線調(diào)試，檢測程序是否正確，需將PC機與運動控制器進行連接。

運動控制器提供31個串口與PC機通信，當串口設(shè)置不恰當時，PC機也不會連接到運動控制器。如果控制器上電后默認的程序串口與控制器不一致時，控制器會做出修改串口設(shè)置提示。圖1是PC在COM2口連接到運動控制器。

連接到運動控制器后，運動控制器會對導入的工程進行檢測，在第一次運行程序時，需對工程的程序進行在線編譯，以檢測程序的正確性。

四、觸摸屏界面設(shè)計

觸摸屏主要完成對機器人的離線操作，包括系統(tǒng)啟動、命令執(zhí)行、動作切換、狀態(tài)參數(shù)顯示等操作。本設(shè)計采用Easy Builder500組態(tài)軟件編寫。

（一）設(shè)計步驟。觸摸屏界面設(shè)計分三步進行。

第一步：確定觸摸屏操作界面的基本結(jié)構(gòu)形態(tài)，形成觸摸屏操作界面的初步

模型結(jié)構(gòu)，本設(shè)計中，觸摸屏的設(shè)計利用模塊化思想，功能實現(xiàn)模塊可根據(jù)需要及機器人功能的增加隨時擴充。

第二步：分析控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量、邏輯信號等，確定觸摸屏設(shè)計中所需要的輸入與控制信號特性、信號數(shù)量，以便正確地選擇與設(shè)置元件；在計算機（軟件組態(tài)）上制造觸摸屏界面，并進行離線調(diào)試修改等。

第三步：將軟件組態(tài)上的畫面下載到觸摸屏，并進行觸摸屏與控制器等的調(diào)試工作。

（二）離線模擬圖。由于Easy Builder500具有離線模擬功能，所以在觸摸屏操作界面設(shè)計好之后，可通過離線模擬對界面進行演示，以檢驗操作界面設(shè)計是否正確和美觀?；诖?，本部分主要顯示了觸摸屏主要操作界面的離線模擬圖。如圖2顯示了運動演示界面的模擬圖。

五、總結(jié)

本文以四自由度回轉(zhuǎn)機器人為機械本體，以機器人完成繪圖工作為背景，設(shè)計了其控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用了PC機+觸摸屏+運動控制器的開放式控制系統(tǒng)，觸摸屏采用WeinView公司的eView MT500系列，利用Easy Builder500軟件組態(tài)完成了觸摸屏的操作面板設(shè)計；運動控制器為系統(tǒng)的下位機部分，采用的是Trio公司的Euro205X型運動控制器，利用Motion Perfect 2完成了Trio程序的編寫。設(shè)計中，機器人的機械本體、上位機程序的設(shè)計都采用模塊化的思想，方便了系統(tǒng)的維護和修改，同時提高了系統(tǒng)的可互換性、可移植性和可操作性。

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【作者簡介】李 寧（1978— ），男，廣西南寧人，碩士，廣西機電職業(yè)技術(shù)學院副教授，研究方向：工業(yè)機器人控制、焊縫跟蹤系統(tǒng)；寧顯斌（1984— ），男，廣西玉林人，碩士，廣西機電職業(yè)技術(shù)學院講師，研究方向：工業(yè)機器人控制，計算機圖像處理；盧子廣（1963— ），男，廣西南寧人，博士，廣西大學教授，研究方向：智能控制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

（責編 蘇 洋）