直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

金嘉琦，徐振偉，劉 暢

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

金嘉琦，徐振偉，劉 暢

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

對(duì)控制系統(tǒng)的一般組合形式進(jìn)行概述，并根據(jù)直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方式。基于VB進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，以PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、傳感器等硬件部分形成機(jī)器人完整控制系統(tǒng)。既能精確的控制機(jī)器人工作又能實(shí)時(shí)的監(jiān)控機(jī)器人的工作狀態(tài)。為搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供解決方案。

直角坐標(biāo)機(jī)器人；控制系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)控制卡；VB

0 前言

隨著中國(guó)制造2025實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展的大潮，機(jī)器人越來(lái)越多的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。直角坐標(biāo)機(jī)器人由于其結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單、工作范圍廣的特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛運(yùn)用。直角坐標(biāo)機(jī)器人系統(tǒng)是由機(jī)器人本體、工作裝置、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、人機(jī)界面、防護(hù)裝置等組成。而控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，控制著整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)行方式，為靈活運(yùn)行高效工作提供保障。

1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體方案

市場(chǎng)上常用的自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括以下幾種形式[1]：

(1)單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本較低；但由于本身無(wú)自開(kāi)發(fā)能力必須借助開(kāi)發(fā)工具來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，抗干擾能力差，處理任務(wù)單一。因此多用于消耗品上，一般不用于工業(yè)設(shè)備。

(2)PLC控制系統(tǒng)。PLC的I/O驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，易于擴(kuò)展，圖形化開(kāi)發(fā)界面，抗干擾能力強(qiáng)；但其體系結(jié)構(gòu)封閉，各PLC產(chǎn)品互不兼容，編程語(yǔ)言及指令也各異，學(xué)習(xí)過(guò)程較為復(fù)雜。

(3)專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制器。專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制器是針對(duì)設(shè)備特定的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的控制器。其針對(duì)性強(qiáng)，控制功能良好，傳輸效率高，抗干擾能力強(qiáng)。但開(kāi)發(fā)成本高，柔性極差。

(4)PC+運(yùn)動(dòng)控制卡控制系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制卡采用高速DSP或?qū)I(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片來(lái)滿(mǎn)足控制需要，通過(guò)PCI與PC機(jī)相連，具有超強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，可以實(shí)時(shí)采集各種各樣的數(shù)據(jù)信息對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行控制。且能執(zhí)行比較復(fù)雜的控制算法。

隨著PC機(jī)的廣泛使用，PC+運(yùn)動(dòng)控制卡方案的使用率越來(lái)越高，通常用于運(yùn)動(dòng)過(guò)程、機(jī)械軌跡都比較復(fù)雜，而且柔性比較強(qiáng)的機(jī)器[2]。由于直角坐標(biāo)機(jī)器人工作需要較高的柔性，所以本文選擇PC+運(yùn)動(dòng)控制卡組合控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制原理

直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)PCI連接PC機(jī)，組成上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。上位機(jī)在系統(tǒng)中為PC機(jī)，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)監(jiān)控、人機(jī)界面的管理和指令控制，協(xié)調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行工作；運(yùn)動(dòng)控制卡為下位機(jī)，主要負(fù)責(zé)處理對(duì)上位機(jī)發(fā)出指令的處理，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精確的軌跡運(yùn)動(dòng)[3]。伺服驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)接收運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)編碼器與傳感器反饋的速度和位置信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of control system

機(jī)器人工作需要良好的精確性和穩(wěn)定性，所以采用速度與位置的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)原理如圖2所示。通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)其中的前饋增益、比例放大、積分增益的設(shè)置來(lái)調(diào)節(jié)速度閉環(huán)的特性；運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)PID+速度前饋(PID+Kv濾波器)復(fù)合控制的方式，來(lái)改善實(shí)際位置與指令的關(guān)系[4-5]。通過(guò)對(duì)各參數(shù)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確運(yùn)動(dòng)，完成預(yù)定工作的目的。其控制計(jì)算方法為

(1)

式中，Ui為輸出值；ei為采樣周期的輸入與輸出的位置誤差；Vi為電機(jī)速度；Kp為比例放大系數(shù)；Ki為積分增益系數(shù)；Kd為微分增益系數(shù)；Kv為速度前饋系數(shù)。

圖2 伺服控制系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of servo control system

2.2 運(yùn)動(dòng)控制卡結(jié)構(gòu)與工作原理

DMC2410C-A是雷賽公司推出的PCI總線(xiàn)4軸運(yùn)動(dòng)控制卡，能驅(qū)動(dòng)絕大多數(shù)的伺服驅(qū)動(dòng)器。DMC2410C-A卡以脈沖驅(qū)動(dòng)方式帶動(dòng)電機(jī)，脈沖數(shù)量控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，還能將報(bào)警、到位等信號(hào)接入控制卡，實(shí)時(shí)反饋伺服狀態(tài)。并配備有WINDOWS系統(tǒng)下的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，用VB、VC等工具方便編寫(xiě)應(yīng)用軟件，同時(shí)提供了界面直觀、功能豐富的MOTION2000調(diào)試軟件，可輕松的測(cè)試控制卡接口及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

ACC3410-EX是用于連接運(yùn)動(dòng)控制卡與PC機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的接線(xiàn)盒，圖3為接線(xiàn)盒接口布置示意圖。接口 X1 是與運(yùn)動(dòng)控制卡連接的接口。接口 X4～X7 為軸 1～軸 4 的信號(hào)接口；接口 X14 為專(zhuān)用輸入信號(hào)接口；接口 X10 為通用輸入信號(hào)接口；接口 X11 為通用輸入信號(hào)接口；接口 X12 為通用輸出信號(hào)接口；接口 X13 為通用輸出信號(hào)接口；接口 X8 為急停接口；接口 X9 為電源接口。

圖3 ACC3410-EX接口布置示意圖Fig.3 Interface layout diagram of ACC3410-EX

3 控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

由于VB具有良好的圖形用戶(hù)界面，并能輕松創(chuàng)建控件可以方便的使用提供的組件創(chuàng)建和開(kāi)發(fā)程序。基于VB程序開(kāi)發(fā)，機(jī)器人軟件控制界面如圖4。

控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)需滿(mǎn)足機(jī)器人工作要求：(1)機(jī)器人可以完成一鍵回到原點(diǎn)設(shè)置；(2)手動(dòng)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)四軸(X、Y、Z、R)聯(lián)動(dòng)和單軸運(yùn)動(dòng)；(3)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按程序自動(dòng)運(yùn)行；(4)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)速度、位移等；(5)開(kāi)關(guān)機(jī)器人工作裝置吸盤(pán)。

圖4 人機(jī)控制界面Fig.4 Man-machine control interface

在進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)控制之前，需要設(shè)定運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元上，每個(gè)軸都有一個(gè)位置傳感器用于設(shè)置位置參考點(diǎn)，即原點(diǎn)位置。在正常運(yùn)動(dòng)之前，都需要用回零指令控制運(yùn)動(dòng)滑塊向原點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)控制卡檢測(cè)到原點(diǎn)信號(hào)后，滑塊自動(dòng)停止。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上用于正向限位的傳感器信號(hào)EL、反向限位的傳感器信號(hào)EL-。原點(diǎn)返回采用原點(diǎn)電平狀態(tài)作觸發(fā)信號(hào)：

(1)使用 d2410_set_HOME_pin_logic 函數(shù)設(shè)置原點(diǎn)開(kāi)關(guān)的有效電平；

(2)使用 d2410_config_home_mode 函數(shù)設(shè)置回原點(diǎn)方式；

(3)設(shè)置運(yùn)動(dòng)的速度形式曲線(xiàn)；

(4)使用 d2410_home_move 函數(shù)進(jìn)行回原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；

(5)回到原點(diǎn)后，指令脈沖計(jì)數(shù)器清零。

機(jī)器人控制界面分為手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行兩種運(yùn)行方式，手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)選擇某一工作軸，并設(shè)置速度倍率進(jìn)行正向反向移動(dòng)。還可以選擇手輪運(yùn)動(dòng)更加方便的調(diào)整機(jī)器，根據(jù)手搖的速度發(fā)出脈沖。在此模式下，吸盤(pán)開(kāi)關(guān)按鈕可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制抓取釋放工件。

自動(dòng)運(yùn)行模式即程序運(yùn)行模式如圖5，點(diǎn)擊程序啟動(dòng)按鈕運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出脈沖信號(hào)，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸的分別動(dòng)作到達(dá)工件所在位置或卸料位置，并通過(guò)氣缸對(duì)搬運(yùn)吸盤(pán)的開(kāi)關(guān)控制，進(jìn)行工件的抓取與釋放。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按工作軌跡運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行物件搬運(yùn)工作。

圖5 自動(dòng)運(yùn)行模式Fig.5 Automatic operation mode

DMC2410C-A卡各工作軸都有編碼器輸入接口，用于檢測(cè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)單元的位移或速度(電機(jī)的轉(zhuǎn)角)。編碼器有 EA、EB、EZ 三個(gè)信號(hào)，脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)由 EA 和 EB 端口輸入；它可以接收兩種類(lèi)型的脈沖信號(hào)：正負(fù)脈沖輸入或 A/B 相正交信號(hào)，EZ 信號(hào)是編碼器零位信號(hào)。以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)論

本文根據(jù)直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方式。基于VB進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，以PC機(jī)、雷賽DMC2410C-A運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器、傳感器等硬件部分形成機(jī)器人完整控制系統(tǒng)[6]，既能精確的控制機(jī)器人工作又能實(shí)時(shí)的監(jiān)控機(jī)器人的工作狀態(tài)。通過(guò)完整的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，為搬運(yùn)機(jī)器人控制提供解決方案。

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Research on the control system of cartesian-coordinates cransport robot

JIN Jia-qi, XU Zhen-wei, LIU Chang

(School of mechanical engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110807, China)

Based on research of the control system general combination，this paper designs control PC and motion control card in accordance with the work features of cartesian coordinate transport robot. Software design based on VB, to part of the PC, motion control card, servo drive, sensors forming a complete robot control system. Both precise control of the robot can work and working status real-time monitoring of the robot. This can provide solutions for the transport robot control system.

cartesian coordinates robot; control systems; motion control card; VB

2016-08-01；

2016-09-03

金嘉琦(1955-)，男，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)教授。

TP242.2

A

1001-196X(2016)06-0049-03