礦用平板車自動化噴涂機器人控制系統研究

胡 楠，申城城

（國能神東煤炭集團公司設備維修中心，內蒙古鄂爾多斯 017200）

0 引言

礦用平板車通常采用人工方式完成噴涂工作，存在效率低、涂料浪費、操作環境差等問題。自20 世紀60 年代末期出現了第一臺自動化的噴涂機器人，噴涂行業逐漸開始使用機器人替代人工完成自動化噴涂作業。工業機器人技術發展促進了產業升級，也對工業噴涂機器人提出了更高的要求。近年來，隨著高新技術發展計劃、科技重大專項等國家戰略的實施，國內許多科研機構和大專院校對機器人的研究取得了豐碩的成果。但總體而言，國外的工業機器人具有高精度、高性能、高系統集成度和高封閉性等特點，并以其先發優勢占領了市場。因此，對其核心技術進行深入研究，取得突破性進展，是縮小與先進國家技術差距的必然選擇。為了促進煤礦設備維修行業自動化水平的提升，基于噴涂生產需求與工業機器人的技術發展，針對礦用平板車自動化噴涂機器人，開展對其控制系統的設計研究。

1 系統框架結構設計

為實現對礦用平板車自動化噴涂機器人的精準控制，避免出現信息沖突、數據流混亂等問題，引入Flux模式，將該模式作為系統架構的核心，設計如圖1 所示的控制系統框架結構。

圖1 噴涂機器人控制系統框架

從圖1 中可以看出，該控制系統分為GUI（Graphical User Interface，圖形用戶接口）層、邏輯表示層和任務處理層。在非實時過程中，圖形用戶界面層與View 模塊、邏輯表達層與Dispatcher 模塊、任務處理層與Store模塊相對應。其中，GUI 層是HMI（Human Machine I nterface，人機界面）部分，主要包含機器人噴涂動作示教、示教位姿復現、示教位姿程序管理等核心功能的視圖，它還負責接收用戶輸入指令，并輸出結果反饋，最終完成人機交互的功能；邏輯表達層是一個信息分發器，將GUI 層收到的指令經過過濾和分類后，再發送給任務處理層，從而達到界面視圖和功能實現的徹底分離；任務處理層是一個不同的業務模型的集合，包含從站控制、點位運動、噴涂示教等任務處理模塊，分別負責對各類信息指令的響應，并將處理結果回傳到GUI層。在系統運行過程中，任務處理層的各個功能模塊要完成對系統狀態的查詢和對教學數據的讀取。在此基礎上，提出一種基于用戶界面的非實時處理方法。前者是一個高優先級線程，主要完成圖形用戶界面和邏輯表達，而后者則是一個低優先級線程，主要完成任務處理。

2 系統硬件選型

本文設計的控制系統以ARM 芯片和DSP 芯片作為核心硬件，以FPGA 芯片作為輔助，與存儲器、調試接口、復位電路、晶振模塊等共同構成系統的硬件平臺。在此基礎上，引入一種基于ARM 的高性能、低功耗的ARM 芯片，實現人機交互界面、程序管理、參數設置、系統工作模式轉換等非實時工作。利用DSP 芯片的高速運算能力，實現機器人運動控制算法、高精度多坐標插補運算，以及硬件設備的數據傳輸。采用高頻、大容量的FPGA 芯片來實現EtherCAT 主站協議棧，并與從站進行實時通信。所選擇的處理器為ADAU1401YSTZ 型雙核異構處理器，該型號處理器接口為I2C、SPI，I/O 電壓為3.30 V，時鐘速率為50 MHz，內核電壓為1.80 V，片載RAM 12 kB，工作溫度-40～105 °C（TA），封裝形式為48-LQFP。

除此之外，對控制系統的硬件按照表1 內容進行配置。

表1 控制系統硬件配置

控制系統包含多個伺服模塊、I/O 模塊和傳感器模塊等。上述擴展模塊使用EtherCAT 從站設備，可以被認為是一個獨立的控制單元。在EtherCAT 中，主、從站之間以及從站與從站之間采用環狀拓撲，并使用超五類網絡線路，以便在簡單的網絡線路上快速地擴展硬件。EtherCAT 總線協議最多可以連接65 535 個從站組件，能夠很好地滿足控制系統對可擴充性的要求。通過各個硬件模塊之間的協助運行，為軟件部分提供更有利的條件。

3 運動控制算法設計與伺服從站控制

3.1 運動控制算法設計

在完成對控制系統的硬件設計后，針對礦用平板車自動化噴涂機器人，引入一種全新的運動控制算法。結合拖動示教基礎，通過在對噴漆機器人進行手動拖拽搜索的同時，對噴漆過程中產生的一組離散時序-關節坐標進行了連續的示教點提取，從而產生噴漆運動的示教程序。在運動再現時，采用兩個相鄰點間的直線作為運動軌跡，對運動軌跡進行規劃和插值。

隨著機器人自動噴射的應用越來越多，噴涂的軌跡也越來越復雜和多樣化。此外，由于人為因素的影響，在拖拉示教的過程中，還會出現許多較短的、不光滑的直線段。在這類軌跡的實際加工過程中，頻繁地加減速與啟停容易導致噴涂機器人本體劇烈抖動，進而導致噴涂質量下降以及關節伺服電機受損。為有效解決這類問題，需要使用加減速控制算法，如梯形曲線加減速算法、指數型曲線加減速算法等。

為了保證機器人運動中加速度與加加速度的柔性，提出一種簡單高效的三次S 形曲線加減速控制算法應用于PT 插補算法中。將三維空間作為條件，假設存在兩個相鄰時間序列的噴涂軌跡點A 和點B，則兩個點之間的直線距離可以表示為：

其中，L 表示噴涂軌跡上點A 與點B 之間的距離；（xa，ya，za）表示點A 在三維空間中的坐標；（xb，yb，zb）表示點B 在三維空間中的坐標。結合三次多項式擬合兩點之間的運動速度曲線，并將其劃分為加速、均速和減速等運行階段。在完整的三次S 形加減速運行中，其最大加速度位移為：

其中，S1表示最大加速度位移；vmax表示最大速度；vs表示起始速度；aacc表示加速階段加速度。最大減速位移可表示為：

其中，S2表示最大減速度位移；aaec表示減速階段加速度；ve表示終點速度。在計算過程中，當L 的取值小于S1+S2時，運動距離不足以加速到最大速度，此時加減速度缺少勻速階段，可認為是加速—減速運行。通過對最大加速位移和最大減速位移的確定，可以針對具體的噴涂作業任務，完成控制參數的設置。

3.2 伺服從站控制

機器人伺服從站控制，采用CiA402 行規在CANopen協議中對伺服驅動器進行控制，使伺服驅動器的工作流程標準化，并增強系統兼容性。以機器人運動控制需求為依據，伺服從站在點位運動、PT 運動等狀態下，選擇周期同步位置模式（CSP），而在機器人動作示教的狀態下，則選擇周期同步力矩模式（CST）。在控制過程中，首先，伺服控制字0x6040 寫0x80 用來重置驅動器，并在必要時寫運行方式0x6060，CSP 方式相應于寫0x08，CST 方式相應于寫0x0A；其次，伺服控制字0x6040 順序地寫到0x06、0x07 和0x0F，以使驅動馬達工作；最后，每一個循環對伺服從屬臺PDO 的讀取和寫入按照目前的控制方式進行。在CSP 模式中，在每一循環中，在當前時間點的馬達實際位置0x6064被讀出，在接下來的循環中，將在下一循環中的馬達目標位置0x607 ACST 方式中，在此刻點的馬達目標扭矩0x6077 被讀出。重復上述操作直至機器人完成整個噴涂任務。

4 應用分析

本文從硬件和軟件兩個方面論述了噴涂機器人控制系統的理論設計，為了進一步驗證該設計在實際應用中是否能夠實現對礦用平板車自動化噴涂機器人的控制，開展實例應用分析。所選用的機器人為ABB-IRB4640 型礦用平板車自動化噴涂機器人，該型號機器人的有效負載為7～25 kg，關節數量為6個，工作范圍1200～3200 mm。通過機器人的運行性能可以反映出本文控制系統的應用性能。因此，選擇應用本文控制系統噴涂機器人的涂層平均厚度，作為評價涂層均勻性的量化指標。利用Surfix-40 型測厚儀對完成噴涂的礦用平板車各個區域上的厚度進行測定。礦用平板車生產要求噴涂平均厚度不得超過120～180 μm。

在噴涂完成后的礦用平板車某個噴涂結構的表面隨機選擇5 個點，分別編號為A、B、C、D、E，測定各個點的噴涂厚度，并將其與標準平均厚度對比（表2）。

表2 噴涂結構表面厚度測定結果 μm

從表2 測定數據可以看出，應用本文提出的控制系統后，該噴涂機器人在完成噴涂工作任務后，5 個測點的噴涂厚度相差最大不超過2 μm，平均厚度為136 μm，滿足噴涂平均厚度控制在120～180 μm 的要求。通過實例應用結果，驗證了應用本文設計的控制系統，礦用平板車自動化噴涂機器人能夠保持良好的噴涂均勻性，證明控制系統的控制精度極高，可以將該控制系統應用于實際生產，促進噴涂作業的生產水平進一步提升。

5 結束語

隨著機器人技術的快速發展，噴涂機器人正在逐漸取代人工作業，使工人從高強度的勞動作業和惡劣的工作環境中解放出來，并為企業帶來更高的經濟效益。考慮到目前的噴涂機器人產品的實際應用情況，本文以礦用平板車自動化噴涂機器人為例，開展控制系統的設計研究，并通過實例應用分析驗證了系統的可行性。在今后的研究中，還將從提升控制系統運行安全性、可靠性和引入更穩定的控制器和驅動器等方面入手，進一步完善控制系統的運行性能，從而提升自動化噴涂機器人的應用適應性。