機(jī)器人控制器的二次開發(fā)

戴 棟，陳海秀，王海俊

(1.南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京 210044;2.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210044)

奧地利KEBA是一家提供機(jī)器人控制系統(tǒng)解決方案的公司。該公司以KeMotion為核心的控制系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)并行的Robot Control(RC)與Motion Control(MC)控制模式，提供示教再現(xiàn)的用戶層編程方式，用戶可以隨意定制自己的Teach-In示教程序來實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方式與運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。該系統(tǒng)在底層RC開發(fā)上幾乎不再受到限制，程序員可以在開放式的RC平臺(tái)上配合被控對(duì)象完成既定功能開發(fā)，比如具有焊接功能的關(guān)節(jié)型機(jī)器人、具有噴涂功能的關(guān)節(jié)型機(jī)器人等。KEBA公司在德國3S公司CoDeSys基礎(chǔ)上開發(fā)出基于r系列控制器解決MC控制方案的KeStudio開放式的開發(fā)平臺(tái)，支持多種類型機(jī)器人，如2D-3D Cartesian Robot、RR Scara Robot、RRL Scara Robot、LRR Scara Robot、Delta Robot、Articulated Robot及General Robot等。本文結(jié)合KeMotion機(jī)器人控制器，在RC中實(shí)現(xiàn)了8軸多關(guān)節(jié)型機(jī)器人對(duì)焊接設(shè)備的控制，并且在用戶程序上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接功能。

1 KEBA控制系統(tǒng)介紹

KEBA控制系統(tǒng)由手持終端KeTop、機(jī)器人控制器KeMotionControl、外部設(shè)備組成。控制器CPU部分是系統(tǒng)的核心，支持KeMotion Control r4000 r5000系列、KeSystems Control S_CP24xCP25xSM系列的CP252/X CPU模塊，使用的是定制的基于Intel x86的嵌入式微處理器，其上運(yùn)行的是Vx-Works實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。控制器帶有CF卡插槽、存儲(chǔ)系統(tǒng)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)和應(yīng)用軟件。外部擴(kuò)展I/O模塊上KeMotion控制系統(tǒng)采用模塊化的方式構(gòu)建，所以可以方便地外擴(kuò)I/O模塊進(jìn)行功能擴(kuò)展，包括可以擴(kuò)展支持各種總線(CAN、Sercos、Profibus)模塊，以及模擬量或者數(shù)字量的輸入輸出模塊。外部設(shè)備或擴(kuò)展模塊通過以太網(wǎng)或總線與控制器相聯(lián)。KEBA公司提供的PC機(jī)上的工具軟件有TeachEdit、KeStudio、UosView、Scope 和 TeachView。TeachEdit、KeStudio分別為RC程序和PLC程序的編程工具。UosView和Scope為控制系統(tǒng)監(jiān)視診斷工具。UosView顯示 VxWorks的變量信息。Scope顯示圖形仿真控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程，能讀取在控制器中設(shè)定顯示的變量，并且可以模擬顯示被控對(duì)象模型。TeachView為終端用戶操作軟件，可以安裝在手持終端上或PC上。

2 基于KEBA的控制器二次開發(fā)

KEBA公司為KeMotion控制系統(tǒng)提供了一套完整的功能開發(fā)、用戶操作、在線診斷/模擬、內(nèi)存檢測工具，包括Expert RC開發(fā)、用戶Teach-In在線編程和支持IEC61131國際化標(biāo)準(zhǔn)的PLC程序開發(fā)。KEBA公司提供了支持Robot Control(RC)編程環(huán)境的TeachEdit平臺(tái)和支持Motion Control開發(fā)的編程環(huán)境的KeStudio平臺(tái)。TeachEdit平臺(tái)可以在線調(diào)試，支持 TeachTalk語言。TeachTalk語言是系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的在線編程語言和專業(yè)級(jí)機(jī)器人流程開發(fā)語言，可以訪問KEBA系統(tǒng)的固件，可以支持ROUTINE生成不同用途的宏和類，以便End-user程序調(diào)用。而Teach-In終端用戶程序是終端用戶運(yùn)用KAIRO編程語言編寫的應(yīng)用程序，可以調(diào)用TeachTalk語言生成的宏或者類，形成特定功能的開發(fā)包。PLC部分負(fù)責(zé)電氣邏輯和實(shí)時(shí)外部信號(hào)采樣處理，通過與RC通信，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制過程進(jìn)行控制。圖1為機(jī)器人控制器KeMotion開發(fā)結(jié)構(gòu)。

在虛擬控制對(duì)象(機(jī)器人)情況下，離線編程系統(tǒng)Teachview提供用戶程序平臺(tái)，開發(fā)并通過仿真再現(xiàn)窗口Scope監(jiān)測、模擬及調(diào)試控制對(duì)象的動(dòng)作或者希望達(dá)到的效果。控制模型構(gòu)造工具把控制對(duì)象解釋成支持機(jī)器人開發(fā)的編程語言，通過KeS-tudio配置虛擬控制對(duì)象(機(jī)器人)，在PC上對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行虛擬RC/MC開發(fā)。虛擬開發(fā)調(diào)試完畢后修改配置文件，移植到實(shí)際控制對(duì)象(機(jī)器人)系統(tǒng)中去。用戶調(diào)試監(jiān)測層、機(jī)器人控制層、控制對(duì)象層之間通過以太網(wǎng)或者總線形式通信。機(jī)器人控制器支持外擴(kuò)I/O模塊，之間通過K-BUS級(jí)聯(lián)通信。KeMotion控制系統(tǒng)常用的擴(kuò)展I/O模塊有DM272/A、DO272/A、FX271/A、AM280/A。

圖1 機(jī)器人控制器KeMotion開發(fā)結(jié)構(gòu)

2.1 Robot Control軟件開發(fā)

控制器中安裝有Robot Control機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制程序。Robot Control系統(tǒng)具備了專業(yè)級(jí)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制功能。一般Robot Control程序開發(fā)可以分為2個(gè)層面:一是上層終端用戶級(jí)，是終端用戶編寫的程序;另一個(gè)是底層專家級(jí)，可以是系統(tǒng)固件中的一些基本庫函數(shù)或是程序員開發(fā)的功能。終端用戶程序可以使用終端用戶語言KAIRO在手持終端KeTop上編寫，也可以在PC上使用KEBA公司的開發(fā)工具TeachView編寫。底層RC程序可以通過PC上的TeachEdit離線模擬開發(fā)或者在線聯(lián)調(diào)。開發(fā)者可以使用TeachTalk編程語言在PC上使用TeachEdit開發(fā)工具進(jìn)行專家編程，并使用TeachTalk語言編寫功能宏(Macro)，提供給終端用戶使用。

運(yùn)行在手持終端KeTop示教器上的Teach-View軟件是基于WinCE的嵌入式系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)與控制器連接通信。可以通過手持終端連接至控制器控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，也可以編寫終端用戶程序?qū)C(jī)器人進(jìn)行示教操作、手動(dòng)操作，監(jiān)視其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。End-User開發(fā)語言 KAIRO是KEBA公司專門為機(jī)器人操作者設(shè)計(jì)的一種編程語言。利用KAIRO語言中的終端用戶指令集，終端用戶可以很容易地創(chuàng)建機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序。指令包括了基本的運(yùn)動(dòng)指令、設(shè)置指令、系統(tǒng)功能、數(shù)學(xué)函數(shù)、流程控制和I/O設(shè)備讀寫等。一般來說這些功能指令被稱為宏，相當(dāng)于TeachTalk中的ROUTINE。所以可見這個(gè)指令集是開放的，可通過TeachTalk編寫相應(yīng)的Macro來擴(kuò)展。在PC上使用TeachT-alk編程語言在KEBA提供的開發(fā)工具TeachEdit中進(jìn)行二次開發(fā)，就是所謂的專家編程。KAIRO語言把機(jī)器人程序中的命令翻譯成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式，包括數(shù)學(xué)幾何計(jì)算、路徑插補(bǔ)、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、機(jī)器人坐標(biāo)系變換等。圖2是Robot Control的流程。圖3是RC中對(duì)應(yīng)用程序的操作方式。KeTop操作控制流程中區(qū)別對(duì)待Project及Program的Load與Open操作，前一種操作是加載到控制器上，后一種操作僅僅是編譯所打開的Program，不具有RC運(yùn)動(dòng)控制功能。

圖2 Ketop RC控制順序流程

圖3 Ketop程序控制流程

2.2 基于KeMotion控制器的機(jī)器人焊接功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1 焊接過程控制

機(jī)器人焊接過程中需要有2個(gè)控制的過程:一是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制過程;另一個(gè)是焊接控制過程。機(jī)器人控制過程包括機(jī)器人焊接路徑規(guī)劃、焊接機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控以及機(jī)器人示教編程;焊接控制過程則包括焊機(jī)控制、送絲機(jī)與保護(hù)氣等控制。機(jī)器人焊接過程如圖4所示。

圖4 機(jī)器人焊接過程

一次焊接過程可以這樣來描述:示教盒手持終端編程，設(shè)置焊接工件外的起始點(diǎn)，一般也稱作安全點(diǎn)，然后示教焊接開始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)。焊接路徑是通過機(jī)器人示教器示教完成的，可以通過用戶編程實(shí)現(xiàn)。焊接過程通過開發(fā)焊接宏來實(shí)現(xiàn)。通常在焊接之前，為了驗(yàn)證焊接路徑的有效性，大多數(shù)情況需要進(jìn)行模擬焊接，即不啟動(dòng)焊接功能，只是單一進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。模擬焊接信號(hào)需要在手持終端手動(dòng)設(shè)置。焊接過程流程控制如圖5所示。

圖5 焊接過程流程控制

2.2.2 焊接系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

電弧焊接機(jī)器人框架結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中I/O模塊分成2級(jí):第1級(jí)是機(jī)器人控制器外部擴(kuò)展I/O口和機(jī)器人控制器通過K-BUS級(jí)聯(lián)通信;第2級(jí)是焊接模塊接口卡RINT X12和機(jī)器人控制外擴(kuò)I/O以工業(yè)總線連接的形式通信。機(jī)器人控制器外擴(kuò)I/O口一方面讀取手持終端輸入的外部模擬量，并通過焊接模塊接口卡RINT X12反饋到電焊機(jī)中去，實(shí)現(xiàn)對(duì)與電弧相關(guān)模擬量的微調(diào);另一方面通過焊接模塊接口卡RINT X12獲得焊接過程反饋信號(hào)，輸入到機(jī)器人控制器中去，實(shí)現(xiàn)對(duì)電焊機(jī)狀態(tài)以及焊接過程的監(jiān)控與問題診斷。

圖6 電弧焊接系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2.3 焊接功能軟件開發(fā)

機(jī)器人焊接功能焊接過程流程如圖7所示。

圖7 機(jī)器人焊接功能焊接過程流程

焊接功能的開發(fā)一般在Control中實(shí)現(xiàn)。輸入控制功能需要在示教器上實(shí)現(xiàn)，這就是預(yù)送氣、預(yù)送絲和回抽絲。程序中涉及到的使用手持終端KeTopt50上的按鍵包括 EmergencyStopT50、Key-SwitchLeft、KeySwitchRight、F1、F2，具 體 如 表 1所示。

表1 KeTopT50按鍵設(shè)定

最后在KeMotion機(jī)器人控制器軟件開發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制焊接設(shè)備焊接模塊功能，如圖8所示，包括起弧、收弧、送氣、送絲、手動(dòng)/自動(dòng)等功能控制。

圖8 焊接模塊功能

圖9(a)為手持終端TeachView的用戶層編程，深色部分是通過TeachEdit編程平臺(tái)開發(fā)出的供用戶使用的指令，在專家層RC中一般稱之為ROUTINE，而在用戶層一般稱之為宏或者具有某種功能的模塊。圖9(b)為焊接功能起弧程序的參數(shù)設(shè)置界面，通過底層Rc專家級(jí)開發(fā)而來。

圖9 機(jī)器人電弧焊接用戶層開發(fā)程序

3 結(jié)束語

本文以6軸多關(guān)節(jié)型機(jī)器人在KEBA機(jī)器人控制器上的開發(fā)實(shí)現(xiàn)為例，介紹了新型通用型控制器軟件的二次開發(fā)方法，主要包括Robot Control底層專家平臺(tái)開發(fā)及End-user用戶界面平臺(tái)開發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)了KeMotion控制器對(duì)焊接設(shè)備的控制，開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的6軸焊接機(jī)器人。通過本文的討論與研究，一方面形成了一套機(jī)器人控制器二次開發(fā)的方法，另一方面實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人焊接方案，為一般意義上的機(jī)器人控制器的開發(fā)提供參考。

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