張生芳 毛俊峰 田 軒 曾 魁 沙智華

(大連交通大學，遼寧大連 116028)

為適應現(xiàn)代汽車生產(chǎn)節(jié)拍的加快和車身焊接工藝要求的不斷提高，在白車身底板焊接生產(chǎn)線中采用柔性化、智能化、高精度的三軸定位機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)“專位專用”的固定式白車身底板定位裝置，可快速、精準地實現(xiàn)車身底板定位以及同一生產(chǎn)線上不同車型間定位的切換，大幅加快汽車生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本［1－2］。本文構(gòu)建了一種以工控機(IPC)和Trio運動控制器為基礎的開放式車身焊接三軸定位機器人控制系統(tǒng)，介紹了控制系統(tǒng)軟硬件設計，并研究了利用面向?qū)ο蟮腃#語言和Motion Perfect2軟件進行控制系統(tǒng)管理層和控制層軟件開發(fā)的方法。

1 控制系統(tǒng)總體方案

控制系統(tǒng)總體上由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，其總體構(gòu)成如圖1所示。

控制系統(tǒng)中，下位機Trio運動控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，負責完成數(shù)控系統(tǒng)插補運算、伺服脈沖輸出分配、相關(guān)邏輯控制信號(如原點信號、限位信號、伺服報警信號等)的輸入輸出等強實時性任務，并將運算處理結(jié)果實時輸出至驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)和相關(guān)外圍設備，實現(xiàn)定位機器人的運動控制。上位機IPC負責運行控制系統(tǒng)的上位管理軟件，通過它可設置機器人運動軸參數(shù)、顯示軸的運動狀態(tài)以及運行軌跡等，實現(xiàn)對定位機器人的控制并監(jiān)控其運行狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)采用位置控制方式，交流伺服機構(gòu)接受下位機輸出的脈沖控制信號，可快速精確控制交流伺服電動機轉(zhuǎn)動，驅(qū)動滾珠絲杠螺母副運行至指定位置，從而實現(xiàn)定位機器人快速準確的三軸定位功能。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)車身焊接定位機器人控制系統(tǒng)硬件各部分功能的不同，可將其分為3個模塊:操作監(jiān)控模塊、運動控制模塊、終端執(zhí)行模塊，如圖1所示。

2.1 操作監(jiān)控模塊

操作監(jiān)控模塊是控制系統(tǒng)的“眼睛”，包括上位機——工作站級工控機(IPC)、觸摸屏、控制面板等，通過USB、串口、網(wǎng)絡等方式可實現(xiàn)與其他模塊間的通訊。它能完成機器人運動參數(shù)設置、運動軌跡規(guī)劃、軌跡跟蹤、運行狀態(tài)監(jiān)控等功能。操作監(jiān)控模塊是操作人員完成人機交互，實現(xiàn)對機器人的相關(guān)控制操作和運行狀態(tài)監(jiān)控的唯一途徑。

2.2 運動控制模塊

運動控制模塊包括下位機和交流伺服系統(tǒng)。下位機采用Trio MC206運動控制器，它采用高性能32位DSP技術(shù)，最多可同步控制4個步進軸或伺服軸運動，具有開放式結(jié)構(gòu)，功能豐富、使用簡單、運行可靠［3－4］。交流伺服系統(tǒng)選用Minas A4交流伺服驅(qū)動系統(tǒng):X、Y軸驅(qū)動器型號是MBDDT2210003，與之適配電動機型號為MSMD042P1U;Z軸驅(qū)動器型號為MCDDT3520003，與之適配電動機型號為 MSMD082P1V。驅(qū)動器采用位置控制方式，控制器指令脈沖輸入方式為:脈沖PULSE+方向SIGN。指令脈沖個數(shù)控制電動機轉(zhuǎn)動角度、脈沖頻率控制電動機轉(zhuǎn)速，指令脈沖方向控制電動機的旋轉(zhuǎn)方向?？刂破鬏敵龅目刂泼}沖與位置編碼器的反饋脈沖在驅(qū)動器中比較得出偏差，驅(qū)動器根據(jù)偏差值控制伺服電動機轉(zhuǎn)動，直到偏差值減小到零，完成位置控制。

MC206運動控制器與交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)間的接線方式如圖2所示，脈沖控制信號由運動控制器DB9型接口輸入伺服驅(qū)動器。運動控制器內(nèi)置使能繼電器(Amplifier Enable)端口與伺服驅(qū)動器使能信號線(29 SRV－ON)相連，通過WDOG=ON控制指令控制伺服驅(qū)動器的使能。此外伺服準備輸出(SRDY+)、伺服報警輸出(ALM+)、位置到達(COIN+)等信號可由I/O端輸入控制器。

該模塊是定位機器人運動控制的核心。經(jīng)上位機IPC導入相關(guān)控制指令，觸發(fā)固化在Trio MC206運動控制器中的控制算法進行運算，輸出控制脈沖。交流伺服驅(qū)動器接受該脈沖信號，控制伺服電動機的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動滾珠絲杠，實現(xiàn)對定位機器人的精確運動控制。

2.3 終端執(zhí)行模塊

終端執(zhí)行模塊包括精密滾珠絲杠的定位機器人本體。定位機器人本體實物如圖3所示。它采用直角坐標系結(jié)構(gòu)，沿X、Y、Z軸方向有3個自由度。X、Y軸運動采用交流伺服電機直接驅(qū)動精密滾珠絲杠螺母副的形式來實現(xiàn)。為降低機器人的高度，Z軸采用電動機倒置、齒輪傳動的方式驅(qū)動滾珠絲杠螺母副。X、Y、Z軸既可在各自電動機的驅(qū)動下單獨運動，也可任意軸聯(lián)動。定位機器人中間傳動環(huán)節(jié)少，結(jié)構(gòu)十分緊湊，通過對工件定位點的規(guī)劃及編程即可實現(xiàn)精確定位。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)硬件系統(tǒng)的特點，控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用前后臺型模式［5］，并將其分為上位機管理軟件、底層控制程序、通訊程序3部分，各部分具體功能如圖4所示。上位機管理軟件作為前臺程序在IPC中運行;底層控制程序作為后臺程序在下位機Trio控制器中運行。通信程序在IPC與Trio控制器之間起通信作用，使二者協(xié)調(diào)工作。

3.2 上位機管理軟件

上位機管理軟件是在Visual Studio.NET 2008環(huán)境下采用面向?qū)ο蟮腃#語言開發(fā)的。通過在項目中添加Trio ActiveX控件，即可根據(jù)個性化的功能要求調(diào)用控件中運動控制函數(shù)和邏輯控制函數(shù)，實現(xiàn)管理軟件對運動控制器的控制與通訊。上位機管理軟件控制界面如圖5所示，該管理軟件可完成三軸軸參數(shù)設置、控制器使能、三軸JOG手動運行、三軸直線插補運動并實時返回各軸運動坐標等功能。

3.3 底層控制程序

底層控制程序在Trio運動控制器集成開發(fā)環(huán)境Motion Perfect2軟件中，采用Trio Basic語言編寫，用于完成插補運算、電動機速度控制、位置檢測、輸入輸出I/O邏輯控制等高實時性任務。Trio運動控制器具有多程序同時運行機制，可最多同時運行8個底層程序。用戶可根據(jù)功能不同，將底層程序設置成不同的子程序模塊循環(huán)執(zhí)行，并以特定全局變量VR()的值或某個I/O的狀態(tài)作為是否執(zhí)行該子程序功能的判斷條件。

下面通過一個在Motion Perfect2軟件中編寫的程序?qū)嵗?，說明如何通過底層運動控制程序使機器人在X－Y平面上實現(xiàn)如圖6所示的運動軌跡。

程序?qū)嵗帉懸c及部分源代碼如下:

(1)X軸、Y軸基本軸參數(shù)初始化

(2)軸運動指令

4 結(jié)語

本文研發(fā)了以IPC+Trio運動控制器為基礎的車身焊接三軸定位機器人開放式控制系統(tǒng)，詳細進行了控制系統(tǒng)軟硬件設計，并給出了軟件編程實例。經(jīng)控制系統(tǒng)集成和調(diào)試表明，該控制系統(tǒng)開發(fā)周期短、精度高、開放性好、人機界面友好。定位機器人投入車身焊接生產(chǎn)線使用后，經(jīng)三坐標測量儀測定，定位機器人在80 mm/s速度下運動重復定位精度≤0.05 mm，完全滿足白車身底板快速、準確的定位控制要求，且運行穩(wěn)定可靠。

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［2］張浩，樊留群，馬玉敏.數(shù)字化工廠技術(shù)與應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［3］Trio Motion Technology Ltd.Trio技術(shù)手冊［Z］.上海:Trio Motion Technology Ltd.，2006.

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［5］劉偉，簡毅，張建飛.三棱形磨床開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)與研究［J］.制造技術(shù)與機床，2009(6):34 －37.