混聯雕刻機器人的實時綜合監測系統研究

羅繼曼，林巧智，劉 悅，孫曉偉

(沈陽建筑大學 交通與機械工程學院，沈陽 110168)

混聯雕刻機器人的實時綜合監測系統研究

羅繼曼，林巧智，劉 悅，孫曉偉

(沈陽建筑大學 交通與機械工程學院，沈陽 110168)

為實現混聯機器人運動實時監測，基于以太網RTnet進行了實時綜合監測系統研究。采用現場總線技術，在Linux操作系統環境下，運用Qt和C++軟件編程，完成多功能測試系統的監測和顯示功能。搭建了本測試系統主要硬件和軟件平臺，并給出整個測試系統的工作步驟。本測試界面實現如下功能：將雕刻機器人運動位置、速度、拉力測試的實時結果用曲線或數據等形式動態顯示于測試界面上，實現了對整個混聯雕刻機器人運動狀態的實時測試。

實時；監測系統；以太網；Linux

0 引言

傳統的測試系統主要由“測試電路”組成，所具備的功能少，隨著計算機技術的迅速發展，測試系統采用以計算機為核心的高精度、高性能、多功能的特點測試系統[1～4]。工業機器人的實時測試系統，常采用先進的I/O總線和數字化總線，依據總線建立測試系統能確保硬件、軟件、系統級的兼容性、互換性、和重構性[5～7]。

新型混聯雕刻機器人有5個自由度，可以完成沿X、Y、Z軸的移動，和繞X、Y軸轉動。運動的復雜性需要搭建實時監控與測試系統，能在真實運動情況下或模擬運動情況下對機器人的特性、參數、功能、可靠性等進行測試和計算，用以完成試驗數值、狀態、特性的獲取、傳輸、分析、處理、顯示、報警等功能。本測試系統在Linux操作環境下，運用Qt編程測試界面，將混聯雕刻機器人特性參數，如位置特性，軌跡特性，速度特性，三個主動軸的拉力特性等，以曲線形式或數據形式顯示在測試界面，便于工作人員直觀分析研究。為此，本文對混聯雕刻機器人的實時測試系統進行了研究[8～10]。

1 基于以太網RTnet的實時綜合監測系統的特點

以太網(Ethemet)最初源自于1975年美國Xerox公司和Standford大學建造的一個Z19MbPs的CSMA/CD系統。以太網的飛速發展使以太網全面應用于工業控制領域成為可能。以太網具有以下優點：l)通信速率高。2)應用廣泛。以太網是目前應用最為廣泛的網絡通信技術，幾乎所有的編程語言都支持以太網的應用開發,如Java、VisualC十十、VisualBasic等。3)成本低廉。4)易于信息集成。以太網很容易與intemet連接，能實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的信息無縫集成。5)可持續發展潛力大[11～13]。

以太網產品設計時，在實時性、材質的選用、產品的強度以及適用性等方面能滿足工業現場的需要。將以太網用于工業機器人監測系統中有以下特點：l)以太網通信實時性強，采用星型網絡拓撲結構，降低了所有網段和主干網的網絡負荷，虛擬局域網等新技術也有助于提高以太網的實時性。2)工業環境適應性和可靠性。3)工業以太網協議，由于工業控制網絡不單單是一個完成數據傳輸的通信網絡，而且還是一個借助網絡完成控制功能的控制系統。它除了完成數據傳輸之外，往往還需要依靠所傳輸的數據和指令，執行某些控制計算與操作功能，由多個網絡節點協調完成控制任務。由以上特性，以太網在工業機器人實時綜合測試系統中得到廣泛應用[14,15]。

2 混聯雕刻機器人測試系統搭建

混聯雕刻機器人測試系統主要由中央控制臺、實時測試仿真單元和控制輸出單元，以及輔助測試裝置組成，混聯雕刻實時測試系統硬件組成和數據流如圖1所示。

圖1 實時測試系統硬件組成和數據流

2.1 混聯雕刻機器人控制系統硬件平臺

2.1.1 混聯雕刻機器人 NC主機

NC主機是整個測試系統的控制中心，NC主要分為前后臺工作方式，前臺為系統進行加工操作，實時顯示狀態信息；前臺硬件包括：液晶顯示屏、功能鍵、編程與控制鍵盤、機床操作按鈕、倍率修調旋鈕以及急停按鈕等組成。后臺進行文本編輯、系統配置、PLC編輯編譯及系統調試提供顯示界面,其主要硬件包括：PCI卡，PCI卡插槽，PCI卡中嵌入一個Microblaze處理器。前后臺功能切換按鍵即可切換到后臺屏幕，如圖2所示。

圖2 NC控制面板

2.1.2 混聯雕刻機器人從站單元

從站單元是整個混聯雕刻機器人測試系統的集散中心，主要硬件有：電源板，計數器從站單元CNT，I/O從站，計數器I/O 32路輸入端子板和20路輸出端子板，軸控制站SVSV，手持盒接口。32 路端子板為I/O從站的輸入信號與機床的電氣控制信號之間提供了連接端口。20路輸出端子板為I/O從站的輸出信號與數控機床的電氣控制信號之間提供了連接端口。雕刻機器人測試系統的從站系統組成如圖3所示。

圖3 從站系統組成

2.1.3 混聯雕刻機器人傳感器

混聯雕刻機器人分別在X軸和Y軸裝有SGC-4.2光柵線位移傳感器，在并聯部分的三條主動鏈L1、L2、L3三根軸上安裝MCL-S2拉壓力傳感器。SGC-4.2光柵線位移傳感器主要應用于直線移動導軌機構，可實現移動量的精確顯示和自動控制，廣泛應用于切削機床加工量的數字顯示。MCL-S2 系列S式拉力傳感器適用于一些要求精度高的機床。傳感器如圖4所示。

圖4 SGC-4.2光柵線位移傳感器和 MCL-S2拉壓力傳感器

2.2 混聯雕刻機器人測試系統軟件構成

混聯雕刻機器人測試系統主要由任務管理軟件、實時測試仿真單元軟件、控制輸出單元軟件，以及顯示終端軟件組成，混聯雕刻機器人測試系統軟件組成如表1所示。

表1 混聯雕刻機器人軟件組成

2.2.1 混聯雕刻機器人任務管理軟件

任務管理軟件即為中央控制系統，主要負責各個子系統的協調工作，其功能主要包括系統的初始化，數據接收、打包、轉發、模型下載，故障警報等。NC主機軟件也劃分為上下兩層結構，上層是用戶空間的實時檢測界面，下層是內核空間的檢測模塊。時任務通過RTAI提供的FIFO管道和共享內存與Linux用戶空間中的進程進行通信，任務獲取的實時數據通過FIFO管道方式傳遞到用戶空間，大量數據則運用共享內存進行數據傳遞。軟件結構以及相應的任務管理軟件任務數據流如圖5所示。

圖5 軟件結構圖和任務管理軟件數據流圖

2.2.2 混聯雕刻機器人實時測試軟件

混聯雕刻機器人實時測試軟件主要完成信號采集、信號傳輸，模型仿真計算、信號控制輸出等功能，具有自動和手動兩種控制模式。測控軟件的手動與自動功能可通過任務管理計算機發送的指令進行區分。測控軟件主要功能模塊分為自檢、控制功能、信號采集功能和數據通信等，測試軟件的頂層控制流程和數據流如圖6所示。

圖6 測控軟件頂層控制流程圖和測試軟件信息數據流圖

3 混聯雕刻機器人測試系統工作步驟

混聯雕刻機器人測試系統的工作步驟如下：首先對整個測試系統進行初始化，即NC主機中用戶界面和內核PCI驅動初始化。在PCI驅動程序中，初始化ucLinux系統，獲得大塊物理地址連續內存；初始化socket接口，等待來自用戶空間的命令信息。用戶界面完成主界面的初始化后，獲得用于共享的內存初始地址。初始化完畢后，可以根據用戶命令執行具體任務。

其次，用戶界面發送命令到最后的執行，完成整個過程數據信息的采集，傳遞和讀取。首先確定監測對象和監測結束條件；啟動用戶空間的SampleThread數據拷貝線程等待內核空間的命令；實時監測模塊接收到命令后，周期線程調用就緒狀態的start()，并開始執行處于運行狀態run方法的線程，更新監測狀態信息，并將數據拷貝到共享內存中，顯示在用戶界面。

再次，子站仿真模塊仿真I/O設備或伺服電機完成相應的通信功能。在太網RTnet一個通信周期里，仿真子站先在XML中查找并復制屬于本子站的數據。然后將上一周期的執行結果寫入XML，并發送出去。最后根據接收到的數據執行命令，如調用仿真函數庫中的伺服電機加速減速函數。

最后，子站通過一個定時器readTimer讀取狀態信息，太網RTnet將反饋回來的信息傳到共享內存中，最終用戶層顯示信息。

4 混聯雕刻機器人測試系統的實現

4.1 測試界面軟件編程

本混聯雕刻機器人測試界面開發是在Linux環境中進行，主要由于Linux操作系統占內存少、精簡、穩定、適合開發等優點。測試界面運用Qt使用 C++語言進行編程。

4.2 運行界面測試結果

混聯雕刻機器人的測試界面主界面顯示：當前混聯雕刻機器人所處的狀態，各個關節的命令位置、反饋位置、命令速度、實際速度、扭矩等如圖7所示。測試系統基于開放式平臺，能獨立測試不同的特性參數。目前該測試界面能實現三個功能：1）測試混聯雕刻機器人刀尖點實時位移曲線；2）測試混聯雕刻機器人各關節以及三根主動軸實時速度曲線；3）測試混聯雕刻機器人三根主動軸拉力曲線。

圖7 混聯雕刻機器人的測試主界面

混聯雕刻機器人的測試功能一包括：乘1、乘5、乘10這三個倍率的實時位移測試曲線界面，取數頻率為100ms，實現刀尖點實時位移曲線如圖8所示。

圖9 位移分別乘1、乘5、乘10這三個倍率實時測試曲線

混聯雕刻機器人的測試功能二包括：乘1、乘5、乘10這三個倍率的實時速度測試曲線界面，此測試系統測試的是關節X1、Y1、Y2和三根主動軸L1、L2、L3的速度曲線，取數頻率為100ms，六個速度以不同顏色曲線現實是在一個界面上，易于比較分析如圖10所示。

圖10 速度分別乘1、乘5、乘10這三個倍率實時測試曲線

混聯雕刻機器人的測試功能三包括：乘1、乘5、乘10這三個倍率的實時拉力測試曲線界面，分別以三個顏色的畫筆在同一張畫布中繪制所測得的三根主動軸L1、L2、L3的拉力曲線，取數頻率為100ms，便于比較分析三根主動軸拉力情況，如圖11所示。

圖11 拉力分別乘1、乘5、乘10這三個倍率實時測試曲線

測試結果顯示：實時測試仿真單元信號采集到仿真運算結束的時間為約1ms～10ms；網絡通信速率可達100Mbps，站與站間通信距離最大100m，測試精度為0.1mm.。

5 結論

本文對新型混聯雕刻機器人實時綜合測試系統進行了研究，搭建了基于現場總線的中央控制臺NC主機、包含實時測試仿真單元和控制輸出單元的從站單元等硬件結構；完成了任務管理和實時測試仿真單元的軟件編制。綜合測試系統將混聯雕刻機器人運動過程中的位移、速度、拉力等參數的測試曲線實時地顯示于測試界面上。得到如下結論：

1) 混聯雕刻機器人采用了高分辨率、高精度的檢測元件，應用了實時以太網RTnet，并應用RTAI，提高了測試系統的實時性。

2) 該混聯雕刻機器人實時測試系統具有多種性能測試功能，如運動位置特性，軌跡特性，速度特性，三個主動軸的拉力特性等參數的測量。

3) 用Qt平臺C++軟件開發的混聯雕刻機器人性能測試軟件，實現了全菜單式的用戶界面，操作便捷，采用圖形形象地顯示出各種測試結果的曲線，使得監測更加方便。

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Research of hybrid sculpture robot’s real-time monitoring system

LUO Ji-man, LIN Qiao-zhi, LIU Yue, SUN Xiao-wei

TP241

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1009-0134(2014)05(下)-0025-04

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2014-01-10

遼寧省基金項目（20102185）；沈陽市科技計劃項目（F13-316-1-37）

羅繼曼（1966 -），女，四川雙流縣人，教授，博士，研究方向為機器人技術，建筑裝備，機械設計及理論研究，機械制造與機械學研究等。