鑄造流水線四自由度工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

李寧 寧顯斌 盧子廣

【摘 要】本文以四坐標(biāo)機(jī)器人為研究對(duì)象，通過(guò)分析機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性及變量參數(shù)，利用編程軟件Motion Perfect2進(jìn)行基本Basic指令的設(shè)計(jì)，完成機(jī)器人4軸的基本運(yùn)動(dòng)控制。為了使機(jī)器人在離線狀態(tài)下動(dòng)作，利用觸摸屏完成機(jī)器人的示教再現(xiàn)功能，并利用觸摸屏上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，從而提高鑄造流水線上機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制能力，

【關(guān)鍵詞】鑄造流水線 四自由度 工業(yè)機(jī)器人 控制系統(tǒng) 觸摸屏

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2018）02C-0185-03

隨著計(jì)算機(jī)集成制造、控制理論、信息和多傳感、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，鑄造工業(yè)領(lǐng)域引入了越來(lái)越多的機(jī)器人技術(shù)。作為一門(mén)新興的高新技術(shù)，機(jī)器人在鑄造工藝流水線上所起的作用也顯現(xiàn)出來(lái)，鑄造企業(yè)里各種工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量逐年增加，成為鑄造企業(yè)提高其競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力不可或缺的機(jī)電一體化自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。鑄造用機(jī)器人不僅能夠?qū)⑷藦母邚?qiáng)度、高負(fù)荷和危險(xiǎn)的鑄造工作環(huán)境中解放出來(lái)，大幅度地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和勞動(dòng)安全系數(shù)，也可以改善鑄造產(chǎn)品質(zhì)量，提高鑄件精度。鑄造用高性能、高可靠性、高精度機(jī)器人的開(kāi)發(fā)研究已成為鑄造工業(yè)生產(chǎn)的必然要求。本課題針對(duì)鑄造流水線上使用的四坐標(biāo)機(jī)器人，設(shè)計(jì)了鑄造機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)。

一、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案

鑄造機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器將程序設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)角、位移量等信息，根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置（考慮到成本及控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置）、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行裝置各部分之間的轉(zhuǎn)換、運(yùn)算關(guān)系，將各部分相匹配的信息發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)，從而控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、脈沖數(shù)等，實(shí)現(xiàn)各軸（執(zhí)行裝置）的精確運(yùn)動(dòng)與位移。本設(shè)計(jì)采用以開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)點(diǎn)位控制來(lái)控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

鑄造機(jī)器人主要是進(jìn)行鑄件搬運(yùn)等工作，這些工作的共同特點(diǎn)都在于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的間斷性及重復(fù)性。為了提高系統(tǒng)的安全性，本設(shè)計(jì)采用了傳感器模塊作為簡(jiǎn)單的反饋裝置。傳感器將檢測(cè)到的危險(xiǎn)信息，如各軸運(yùn)動(dòng)到極限位置、各軸遇到障礙物等。通過(guò)信號(hào)輸入端傳送給運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器接收信號(hào)并及時(shí)做出反應(yīng)，發(fā)送相應(yīng)的指令控制各軸的運(yùn)動(dòng)，以避免危險(xiǎn)的發(fā)生，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)與機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

根據(jù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功能、工作環(huán)境、應(yīng)用場(chǎng)合及成本等方面考慮，通過(guò)對(duì)各控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較，確定本設(shè)計(jì)采用PC機(jī)+人機(jī)交互界面+運(yùn)動(dòng)控制器的開(kāi)放式控制系統(tǒng)，其中PC機(jī)和人機(jī)交互構(gòu)成系統(tǒng)上位機(jī)，下位機(jī)則由運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成。各部分完成任務(wù)如下：

PC機(jī)用于控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)與調(diào)試（人機(jī)交互操作界面、運(yùn)動(dòng)控制器等軟件程序的設(shè)計(jì)）；人機(jī)交互主要完成系統(tǒng)離線狀態(tài)下命令的發(fā)送，并在緊急情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)、急停等操作，避免系統(tǒng)硬件、軟件、機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)受到破壞；運(yùn)動(dòng)控制器，作為控制系統(tǒng)核心部件，起著橋梁樞紐的作用。它將接收到的上位機(jī)下達(dá)的指令或命令通過(guò)分析、判斷、計(jì)算等過(guò)程，再將信號(hào)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行裝置，完成機(jī)器人的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）核心部件選型。本設(shè)計(jì)中所選用的運(yùn)動(dòng)控制器采用Euro205X型運(yùn)動(dòng)控制器（Trio公司產(chǎn)品），它是一種U型結(jié)構(gòu)的數(shù)字運(yùn)算控制器，是控制系統(tǒng)在Euro205的基礎(chǔ)上更加完善的控制器，獨(dú)立的120MHZ的DSP微處理器，大大加快了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度。

人機(jī)交互界面產(chǎn)品的選擇采由WeinView公司的eView MT500系列觸摸屏，其主要包括兩部分：一部分用于對(duì)外部環(huán)境的檢測(cè)及顯示，即觸摸屏的檢測(cè)裝置，另一部分是觸摸屏內(nèi)部的分析判斷和對(duì)信號(hào)的處理裝置，即觸摸屏的控制器。

（二）系統(tǒng)硬件搭建及通信。根據(jù)機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)模塊的組成部分，機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件搭建主要包括運(yùn)動(dòng)控制器與機(jī)器人本體的連接、運(yùn)動(dòng)控制器與PC機(jī)的連接、運(yùn)動(dòng)控制器與人機(jī)界面（觸摸屏）的連接、運(yùn)動(dòng)控制器與遙控模塊的連接。由于運(yùn)動(dòng)控制器是硬件結(jié)構(gòu)搭建的橋梁和樞紐，故在介紹各部分連接之前，先對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的引腳作一介紹。

機(jī)器人控制系統(tǒng)各硬件的通信主要包括下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信（即運(yùn)動(dòng)控制器與PC機(jī)、觸摸屏的通信）和上位機(jī)與上位機(jī)之間的通信（即PC機(jī)和觸摸屏的通信）兩部分。各部分間的通信均采用“串行通信”方式。所謂的“串行通信”，是指設(shè)備間使用二根數(shù)據(jù)信號(hào)線（可能還需要控制線）一位一位地進(jìn)行傳輸，其中每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。這種通信方式具有數(shù)據(jù)線使用少、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

三、鑄造機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）Trio控制程序設(shè)計(jì)。Trio程序的設(shè)計(jì)使用Motion Perfect 2，它比Motion Perfect 1在保留了核心功能的同時(shí)，增加了很多新的增強(qiáng)功能。Motion Perfect 2有如下新的特征：支持Trio公司生產(chǎn)的各個(gè)系列型號(hào)運(yùn)動(dòng)控制器的編程；在編寫(xiě)程序的過(guò)程中，增加了語(yǔ)句輔助、誤差輔助功能，并可進(jìn)行脫機(jī)程序編輯；可連接到其他外部應(yīng)用軟件，如CAD2Motion（該軟件可以用于轉(zhuǎn)化為CAD，產(chǎn)生兩個(gè)到Trio Basic程序的空間運(yùn)動(dòng)路徑）；增強(qiáng)的通信功能，如被保護(hù)的RS232通信模式，支持USB的高速通信，CAN總線通信等；其他新的或功能增強(qiáng)的工具，如表格編輯器，變量編輯器，填寫(xiě)、保存表格文件，可定義尺寸的示波器等。

（二）Trio程序的設(shè)計(jì)。Trio程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件核心，用于完成電機(jī)控制、傳感器狀態(tài)查詢等實(shí)時(shí)性要求比較高的任務(wù)。Trio Basic程序主要包括初始化、報(bào)警等模塊，在特定的條件下，各個(gè)模塊之間通過(guò)程序流程控制指令進(jìn)行切換、執(zhí)行任務(wù)。下面是報(bào)警程序模塊的程序指令：

loop：'the programme of alarm

IF VR（9）=1 OR VR（10）=1 OR VR（11）=1 OR VR（12）=1THEN

GOTO loop

ELSEIF （IN（0）=0 OR IN（1）=0） OR （IN（3）=0 OR IN（4）=0） OR IN（9）=0 OR

（IN（6）=0 OR IN（2）=0） THEN

OP（11，ON）

FOR i=0 TO 3

BASE（i）

WHILE MTYPE<>0

CANCEL

WEND

NEXT i

WAIT UNTIL （IN（0）=1 AND IN（1）=1） AND （IN（3）=1 AND IN（4）=1） AND IN（9）=1 AND （IN（6）=1 AND IN（2）=1）

OP（11，OFF）

（三）Trio程序的在線調(diào)試。由于Trio運(yùn)動(dòng)控制器在離線狀態(tài)下，只能進(jìn)行程序的離線編輯，所以要進(jìn)行在線調(diào)試，檢測(cè)程序是否正確，需將PC機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行連接。

運(yùn)動(dòng)控制器提供31個(gè)串口與PC機(jī)通信，當(dāng)串口設(shè)置不恰當(dāng)時(shí)，PC機(jī)也不會(huì)連接到運(yùn)動(dòng)控制器。如果控制器上電后默認(rèn)的程序串口與控制器不一致時(shí)，控制器會(huì)做出修改串口設(shè)置提示。圖1是PC在COM2口連接到運(yùn)動(dòng)控制器。

連接到運(yùn)動(dòng)控制器后，運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)對(duì)導(dǎo)入的工程進(jìn)行檢測(cè)，在第一次運(yùn)行程序時(shí)，需對(duì)工程的程序進(jìn)行在線編譯，以檢測(cè)程序的正確性。

四、觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏主要完成對(duì)機(jī)器人的離線操作，包括系統(tǒng)啟動(dòng)、命令執(zhí)行、動(dòng)作切換、狀態(tài)參數(shù)顯示等操作。本設(shè)計(jì)采用Easy Builder500組態(tài)軟件編寫(xiě)。

（一）設(shè)計(jì)步驟。觸摸屏界面設(shè)計(jì)分三步進(jìn)行。

第一步：確定觸摸屏操作界面的基本結(jié)構(gòu)形態(tài)，形成觸摸屏操作界面的初步

模型結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)中，觸摸屏的設(shè)計(jì)利用模塊化思想，功能實(shí)現(xiàn)模塊可根據(jù)需要及機(jī)器人功能的增加隨時(shí)擴(kuò)充。

第二步：分析控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量、邏輯信號(hào)等，確定觸摸屏設(shè)計(jì)中所需要的輸入與控制信號(hào)特性、信號(hào)數(shù)量，以便正確地選擇與設(shè)置元件；在計(jì)算機(jī)（軟件組態(tài)）上制造觸摸屏界面，并進(jìn)行離線調(diào)試修改等。

第三步：將軟件組態(tài)上的畫(huà)面下載到觸摸屏，并進(jìn)行觸摸屏與控制器等的調(diào)試工作。

（二）離線模擬圖。由于Easy Builder500具有離線模擬功能，所以在觸摸屏操作界面設(shè)計(jì)好之后，可通過(guò)離線模擬對(duì)界面進(jìn)行演示，以檢驗(yàn)操作界面設(shè)計(jì)是否正確和美觀。基于此，本部分主要顯示了觸摸屏主要操作界面的離線模擬圖。如圖2顯示了運(yùn)動(dòng)演示界面的模擬圖。

五、總結(jié)

本文以四自由度回轉(zhuǎn)機(jī)器人為機(jī)械本體，以機(jī)器人完成繪圖工作為背景，設(shè)計(jì)了其控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用了PC機(jī)+觸摸屏+運(yùn)動(dòng)控制器的開(kāi)放式控制系統(tǒng)，觸摸屏采用WeinView公司的eView MT500系列，利用Easy Builder500軟件組態(tài)完成了觸摸屏的操作面板設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)控制器為系統(tǒng)的下位機(jī)部分，采用的是Trio公司的Euro205X型運(yùn)動(dòng)控制器，利用Motion Perfect 2完成了Trio程序的編寫(xiě)。設(shè)計(jì)中，機(jī)器人的機(jī)械本體、上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)都采用模塊化的思想，方便了系統(tǒng)的維護(hù)和修改，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可互換性、可移植性和可操作性。

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【作者簡(jiǎn)介】李 寧（1978— ），男，廣西南寧人，碩士，廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：工業(yè)機(jī)器人控制、焊縫跟蹤系統(tǒng)；寧顯斌（1984— ），男，廣西玉林人，碩士，廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：工業(yè)機(jī)器人控制，計(jì)算機(jī)圖像處理；盧子廣（1963— ），男，廣西南寧人，博士，廣西大學(xué)教授，研究方向：智能控制，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

（責(zé)編 蘇 洋）