上下料機器人與數(shù)控機床群無線通信系統(tǒng)設(shè)計

楊 尹，顧寄南

YANG Yin, GU Ji-nan

（江蘇大學 制造業(yè)信息化研究中心，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

隨著工廠自動化水平的提高，工業(yè)機器人在數(shù)控機床領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。服務(wù)數(shù)控機床的工業(yè)機器人大體上分為上下料和換刀機器人兩大類。這些機器人首先要獲取數(shù)控機床上下料和換刀等信息，信息經(jīng)控制系統(tǒng)處理后輸出控制信號控制執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動作。數(shù)控機床和工業(yè)機器人的可靠信息傳輸對機器人的整體功能尤為重要。近年來無線通信技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，無線通信在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用也日趨廣泛，本文以服務(wù)于數(shù)控機床群的上下料機器人為例，介紹了一種基于ZigBee技術(shù)的上下料機器人與數(shù)控機床群的無線通信系統(tǒng)，并通過實驗驗證系統(tǒng)信息傳輸?shù)目尚行浴?/p>

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)為ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中ZigBee終端設(shè)備為數(shù)控機床群，ZigBee協(xié)調(diào)器為上下料機器人。終端設(shè)備通過傳感器獲取機床上下料信息并將信息發(fā)送至空中，協(xié)調(diào)器從空中接收到上下料信息，將信息顯示在液晶屏上，并通過RS232串口發(fā)送至機器人控制系統(tǒng)。系統(tǒng)運行過程分為五個階段，分別是協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)階段，終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)階段，終端設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送階段，協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)接收階段，協(xié)調(diào)器串口數(shù)據(jù)發(fā)送階段。為了避免終端發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突，ZigBee協(xié)議的媒體訪問控制層采用CSM/CA接入算法，同時媒體訪問控制層支持確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，要求每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，如果傳輸中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)，從而建立可靠的數(shù)據(jù)通信模式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)控機床端硬件設(shè)計

數(shù)控機床端的硬件系統(tǒng)包括傳感器模塊和ZigBee模塊兩部分，傳感器模塊的作用是獲取數(shù)控機床的上下料信息，ZigBee模塊的作用是將傳感器獲取到的信息通過無線方式發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器。

傳感器模塊采用霍爾測轉(zhuǎn)速傳感器，它是由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、史密特觸發(fā)器、溫度補償電路和集電極開路的輸出級組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強度，輸出是一個數(shù)字電壓信號。霍爾測轉(zhuǎn)速傳感器用以測量機床主軸的轉(zhuǎn)速，而主軸的轉(zhuǎn)速又代表了機床的上下料信息，轉(zhuǎn)速為零表示機床需要上下料，轉(zhuǎn)速不為零表示機床不需要上下料，因此霍爾測轉(zhuǎn)速傳感器可以獲取機床上下料信息。

ZigBee模塊采用深圳飛比電子科技有限公司生產(chǎn)的ZigBee開發(fā)板，該板由CC2530芯片和一些外圍器件組成，板上有LED、按鍵和RS232接口等資源。數(shù)控機床端的ZigBee模塊是星型網(wǎng)絡(luò)的終端，它與傳感器模塊直接連接。霍爾測轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后輸入CC2530，通過編程記錄輸入的脈沖數(shù)目，如果在一定的間隔時間內(nèi)脈沖數(shù)目不再增加，則認為機床主軸停止轉(zhuǎn)動，此時ZigBee終端將發(fā)送上下料信息給ZigBee協(xié)調(diào)器。

2.2 機器人端硬件設(shè)計

機器人端硬件由ZigBee模塊和串口模塊組成，ZigBee模塊為整個星型網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，它負責建立網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)控機床端ZigBee終端設(shè)備發(fā)出的上下料信息，并將信息通過RS232串口模塊發(fā)送至機器人控制系統(tǒng)，模塊上的的液晶屏也同步顯示接收的信息。實驗用PC代替機器人控制系統(tǒng)，用RS232串口將ZigBee模塊和計算機相連，在PC上顯示機器人控制系統(tǒng)收到的上下料信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)議棧是一種基于優(yōu)先級的輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件設(shè)計就是在協(xié)議棧的基礎(chǔ)上根據(jù)任務(wù)的需要開發(fā)應(yīng)用層程序，將應(yīng)用層程序和協(xié)議棧整合后植入芯片便可實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)軟件包括數(shù)控機床端和機器人端軟件設(shè)計兩個部分。數(shù)控機床端軟件的主要功能是記錄霍爾傳感器輸入的脈沖數(shù)目，在一段時間內(nèi)記錄的脈沖不再變化時就認為主軸停止，此時調(diào)用發(fā)送函數(shù)將上下料信息發(fā)送出去。機器人端軟件的主要功能是接收終端發(fā)來的上下料信息，當收到上下料信息時便調(diào)用函數(shù)將此信息發(fā)送給串口。

4 實驗測試

實驗系統(tǒng)由三個ZigBe模塊、霍爾傳感器和PC組成。三個ZigBee模塊中有兩個為ZigBee終端，一個為ZigBee協(xié)調(diào)器，它們共同構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)。實驗通過按鍵模擬機床工作狀態(tài)，按鍵按下表示終端正在發(fā)送機床上下料信息。ZigBee協(xié)調(diào)器PC由RS232接口相連，在PC上顯示收到的上下料信息。

表1 實驗現(xiàn)象

圖1 實驗現(xiàn)象

5 結(jié)論

實驗現(xiàn)象表明上下料機器人和數(shù)控機床群之間建立了星型無線通信網(wǎng)絡(luò)，ZigBee終端通過霍爾傳感器獲取機床的上下料信息并將信息傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將收到的上下料信息顯示在液晶屏上，并同時將信息由RS232串口傳至機器人控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)控機床群和上下料機器人之間的信息傳輸。

[1]瞿雷. zigBee技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2006.

[2]田淑梅, 高希軍. 基于ZigBee的多機器人通信系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 通信技術(shù), 2010, 43(5): 207-209.

[3]凌志浩, 周怡頲, 鄭麗國. ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用研究[J]. 華東理工大學學報(自然科學版), 2006, 32(7):801-805.

[4]唐慧強, 劉璇. 基于ZigBee的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].北京交通大學學報, 2008, 32(6): 90-92.

[5]Ding F, Song GM, Li JQ, Song AG.Home control system based on ZigBee wireless sensor networks[J]. Journal of Southeast University (English Edition), 2008, 24(4): 420-423.

[6]Shahin Farahani.ZigBee wireless networks and transceivers[M]. USA: Elsebier, 2008.