基于Trio的車身焊接定位機器人控制系統研究

張生芳 毛俊峰 田 軒 曾 魁 沙智華

(大連交通大學，遼寧大連 116028)

為適應現代汽車生產節拍的加快和車身焊接工藝要求的不斷提高，在白車身底板焊接生產線中采用柔性化、智能化、高精度的三軸定位機器人代替傳統“專位專用”的固定式白車身底板定位裝置，可快速、精準地實現車身底板定位以及同一生產線上不同車型間定位的切換，大幅加快汽車生產節拍，提高生產效率，節約成本［1－2］。本文構建了一種以工控機(IPC)和Trio運動控制器為基礎的開放式車身焊接三軸定位機器人控制系統，介紹了控制系統軟硬件設計，并研究了利用面向對象的C#語言和Motion Perfect2軟件進行控制系統管理層和控制層軟件開發的方法。

1 控制系統總體方案

控制系統總體上由硬件系統和軟件系統兩部分構成，其總體構成如圖1所示。

控制系統中，下位機Trio運動控制器是整個控制系統的核心，負責完成數控系統插補運算、伺服脈沖輸出分配、相關邏輯控制信號(如原點信號、限位信號、伺服報警信號等)的輸入輸出等強實時性任務，并將運算處理結果實時輸出至驅動執行機構和相關外圍設備，實現定位機器人的運動控制。上位機IPC負責運行控制系統的上位管理軟件，通過它可設置機器人運動軸參數、顯示軸的運動狀態以及運行軌跡等，實現對定位機器人的控制并監控其運行狀態?？刂葡到y的執行機構采用位置控制方式，交流伺服機構接受下位機輸出的脈沖控制信號，可快速精確控制交流伺服電動機轉動，驅動滾珠絲杠螺母副運行至指定位置，從而實現定位機器人快速準確的三軸定位功能。

2 控制系統硬件設計

根據車身焊接定位機器人控制系統硬件各部分功能的不同，可將其分為3個模塊:操作監控模塊、運動控制模塊、終端執行模塊，如圖1所示。

2.1 操作監控模塊

操作監控模塊是控制系統的“眼睛”，包括上位機——工作站級工控機(IPC)、觸摸屏、控制面板等，通過USB、串口、網絡等方式可實現與其他模塊間的通訊。它能完成機器人運動參數設置、運動軌跡規劃、軌跡跟蹤、運行狀態監控等功能。操作監控模塊是操作人員完成人機交互，實現對機器人的相關控制操作和運行狀態監控的唯一途徑。

2.2 運動控制模塊

運動控制模塊包括下位機和交流伺服系統。下位機采用Trio MC206運動控制器，它采用高性能32位DSP技術，最多可同步控制4個步進軸或伺服軸運動，具有開放式結構，功能豐富、使用簡單、運行可靠［3－4］。交流伺服系統選用Minas A4交流伺服驅動系統:X、Y軸驅動器型號是MBDDT2210003，與之適配電動機型號為MSMD042P1U;Z軸驅動器型號為MCDDT3520003，與之適配電動機型號為 MSMD082P1V。驅動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。指令脈沖個數控制電動機轉動角度、脈沖頻率控制電動機轉速，指令脈沖方向控制電動機的旋轉方向。控制器輸出的控制脈沖與位置編碼器的反饋脈沖在驅動器中比較得出偏差，驅動器根據偏差值控制伺服電動機轉動，直到偏差值減小到零，完成位置控制。

MC206運動控制器與交流伺服驅動系統間的接線方式如圖2所示，脈沖控制信號由運動控制器DB9型接口輸入伺服驅動器。運動控制器內置使能繼電器(Amplifier Enable)端口與伺服驅動器使能信號線(29 SRV－ON)相連，通過WDOG=ON控制指令控制伺服驅動器的使能。此外伺服準備輸出(SRDY+)、伺服報警輸出(ALM+)、位置到達(COIN+)等信號可由I/O端輸入控制器。

該模塊是定位機器人運動控制的核心。經上位機IPC導入相關控制指令，觸發固化在Trio MC206運動控制器中的控制算法進行運算，輸出控制脈沖。交流伺服驅動器接受該脈沖信號，控制伺服電動機的轉動，驅動滾珠絲杠，實現對定位機器人的精確運動控制。

2.3 終端執行模塊

終端執行模塊包括精密滾珠絲杠的定位機器人本體。定位機器人本體實物如圖3所示。它采用直角坐標系結構，沿X、Y、Z軸方向有3個自由度。X、Y軸運動采用交流伺服電機直接驅動精密滾珠絲杠螺母副的形式來實現。為降低機器人的高度，Z軸采用電動機倒置、齒輪傳動的方式驅動滾珠絲杠螺母副。X、Y、Z軸既可在各自電動機的驅動下單獨運動，也可任意軸聯動。定位機器人中間傳動環節少，結構十分緊湊，通過對工件定位點的規劃及編程即可實現精確定位。

3 控制系統軟件設計

3.1 軟件系統構成

根據硬件系統的特點，控制系統軟件結構采用前后臺型模式［5］，并將其分為上位機管理軟件、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。上位機管理軟件作為前臺程序在IPC中運行;底層控制程序作為后臺程序在下位機Trio控制器中運行。通信程序在IPC與Trio控制器之間起通信作用，使二者協調工作。

3.2 上位機管理軟件

上位機管理軟件是在Visual Studio.NET 2008環境下采用面向對象的C#語言開發的。通過在項目中添加Trio ActiveX控件，即可根據個性化的功能要求調用控件中運動控制函數和邏輯控制函數，實現管理軟件對運動控制器的控制與通訊。上位機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設置、控制器使能、三軸JOG手動運行、三軸直線插補運動并實時返回各軸運動坐標等功能。

3.3 底層控制程序

底層控制程序在Trio運動控制器集成開發環境Motion Perfect2軟件中，采用Trio Basic語言編寫，用于完成插補運算、電動機速度控制、位置檢測、輸入輸出I/O邏輯控制等高實時性任務。Trio運動控制器具有多程序同時運行機制，可最多同時運行8個底層程序。用戶可根據功能不同，將底層程序設置成不同的子程序模塊循環執行，并以特定全局變量VR()的值或某個I/O的狀態作為是否執行該子程序功能的判斷條件。

下面通過一個在Motion Perfect2軟件中編寫的程序實例，說明如何通過底層運動控制程序使機器人在X－Y平面上實現如圖6所示的運動軌跡。

程序實例編寫要點及部分源代碼如下:

(1)X軸、Y軸基本軸參數初始化

(2)軸運動指令

4 結語

本文研發了以IPC+Trio運動控制器為基礎的車身焊接三軸定位機器人開放式控制系統，詳細進行了控制系統軟硬件設計，并給出了軟件編程實例。經控制系統集成和調試表明，該控制系統開發周期短、精度高、開放性好、人機界面友好。定位機器人投入車身焊接生產線使用后，經三坐標測量儀測定，定位機器人在80 mm/s速度下運動重復定位精度≤0.05 mm，完全滿足白車身底板快速、準確的定位控制要求，且運行穩定可靠。

［1］張愛民，王倩.基于總線模式的工業機器人控制系統［J］.制造技術與機床，2010(11):40－42.

［2］張浩，樊留群，馬玉敏.數字化工廠技術與應用［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［3］Trio Motion Technology Ltd.Trio技術手冊［Z］.上海:Trio Motion Technology Ltd.，2006.

［4］郭慶鼎，孫宜標，王麗梅.現代永磁電動機交流伺服系統［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［5］劉偉，簡毅，張建飛.三棱形磨床開放式數控系統軟件開發與研究［J］.制造技術與機床，2009(6):34 －37.