楊文博 方 杰 郁敏杰 翟弘毅

(上海開通數(shù)控有限公司，上海 200233)

單軸機(jī)器人，在國內(nèi)也被稱為單軸機(jī)械臂。單軸機(jī)器人是只有一個動力的機(jī)器人，只能做一種動作，比如說，一個方向上的直線往復(fù)運(yùn)動，或者一個方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。單軸機(jī)器人可以通過不同的組合樣式實(shí)現(xiàn)兩軸、三軸、龍門式的組合，因此由單軸機(jī)器人并聯(lián)組合而成的多軸機(jī)器人也被稱之為:直角坐標(biāo)機(jī)器人。

單軸機(jī)器人可配置高精度交流伺服驅(qū)動器和伺服電動機(jī)，采用精密滾珠絲桿或同步帶作為傳動件。具有精密、堅(jiān)固、運(yùn)行平穩(wěn)、定位精確、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、使用清潔、控制方便等多種特點(diǎn)。

單軸機(jī)器人、機(jī)械臂在液晶面板、半導(dǎo)體、家電、汽車、包裝、點(diǎn)膠機(jī)、焊接、切割等具有定位、移載、搬運(yùn)的自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

單軸機(jī)器人、機(jī)械臂由機(jī)械部分、傳感部分和控制部分這3大部分組成。這3大部分又可以分成控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人—環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)這6大子系統(tǒng)(見圖1)。而控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)是單軸機(jī)器人、機(jī)械臂的核心控制技術(shù)。

1 概述

傳統(tǒng)單軸機(jī)器人、機(jī)械臂的控制系統(tǒng)由人機(jī)界面+單軸位置運(yùn)動控制系統(tǒng)+可編程邏輯控制器(PLC)+伺服驅(qū)動器+伺服電動機(jī)組成(見圖2原方案一和原方案二):單軸位置運(yùn)動控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)動控制的目標(biāo)位置進(jìn)行運(yùn)動控制計(jì)算，計(jì)算出目標(biāo)運(yùn)動位置，輸出脈沖指令給驅(qū)動器，再由伺服驅(qū)動器驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行。

傳統(tǒng)的單軸機(jī)器人控制系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)成本高、接線繁瑣、可靠性差等自身缺點(diǎn)，越來越不能適應(yīng)單軸機(jī)器人、機(jī)械臂的快速發(fā)展要求。而基于開放式結(jié)構(gòu)的單軸機(jī)器人、機(jī)械臂專用控制系統(tǒng)就可以很好的解決這一系列的問題，系統(tǒng)將單軸機(jī)器人、機(jī)械臂所需的可編程位置控制和伺服驅(qū)動功能在一個系統(tǒng)中集成，大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性和抗干擾能力。

我們在KT系列伺服驅(qū)動器的基礎(chǔ)上開發(fā)了具有開放式結(jié)構(gòu)的單軸機(jī)器人、機(jī)械臂專用交流同步電動機(jī)伺服控制系統(tǒng)(見圖2新方案)。

2 單軸機(jī)器人、機(jī)械臂控制系統(tǒng)介紹

具有開放式結(jié)構(gòu)的單軸機(jī)器人、機(jī)械臂專用交流同步電動機(jī)伺服控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)開放、軟件功能集成、外部模塊可擴(kuò)展、強(qiáng)大的實(shí)時通訊和豐富靈活的編程語言等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

整個系統(tǒng)由可擴(kuò)展輸入輸出信號模塊、可擴(kuò)展存儲模塊、PLC(邏輯控制單元)、運(yùn)動控制單元、交流永磁同步電動機(jī)驅(qū)動單元組成。具體組成框圖見圖3。

2.1 系統(tǒng)特性

(1)使用32位高性能CPU，實(shí)現(xiàn)高精度、高速度單軸機(jī)器人、機(jī)械臂的伺服運(yùn)動和邏輯控制;

(2)具有靈活的點(diǎn)對點(diǎn)直接位置編程模式;

(3)具有自學(xué)習(xí)位置編程模式;

(4)具有自動位置加減速運(yùn)動控制功能;

(5)具有標(biāo)配8輸入4輸出可編程多功能輸入輸出口;

(6)具有可擴(kuò)展可編程多功能輸入輸出口;

(7)具有可擴(kuò)展存儲模塊;

(8)具有完善的保護(hù)功能(有過流、過壓、欠壓、位置超差、編碼器信號異常等多種報(bào)警保護(hù));

(9)具有RS485通訊接口(符合MODBUS－RTU通訊協(xié)議)，可通過與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制、參數(shù)設(shè)定、現(xiàn)場監(jiān)控等多種通訊功能;

(10)內(nèi)置制動回饋能量電阻。

2.2 系統(tǒng)功能

(1)可編程輸入輸出接口(可擴(kuò)展)

可編程單元有8個可編程多功能輸入信號和4個可編程多功能輸出信號:每一個輸入與輸出信號都可以根據(jù)參數(shù)設(shè)置來選定其功能;同時每一個輸入與輸出信號的有效信號(高電平、低電平、上升沿、下降沿)都可以根據(jù)用戶的需要來設(shè)置。這樣做極大地提高了系統(tǒng)的靈活性，為用戶的操作提供了極大的便利，也提高了系統(tǒng)對于不同外圍硬件的適應(yīng)性。同時可編程輸入輸出接口的數(shù)量可以通過系統(tǒng)總線進(jìn)行擴(kuò)展。

(2)指令系統(tǒng)

整個可編程單元有著豐富的指令系統(tǒng)，提供了100余條指令供用戶編程，可以靈活地實(shí)現(xiàn)用戶的功能;整個指令系統(tǒng)有運(yùn)動控制指令、跳轉(zhuǎn)指令、邏輯運(yùn)算指令、算術(shù)運(yùn)算指令、比較指令、中斷控制指令、子程序調(diào)用指令、定時指令、輸入輸出指令、平滑過渡指令等多種類指令為用戶的不同控制需求提供了保障。

(3)中斷優(yōu)先控制

整個可編程單元有十六級不同優(yōu)先級別的中斷，每一級中斷可以由任何的一個輸入信號來觸發(fā)，這樣保證了系統(tǒng)中斷的靈活性。也使用戶的編程有了更多的選擇，為實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制功能提供了強(qiáng)有力的保證。

(4)通訊功能

整個系統(tǒng)還提供了RS485通訊功能，整個通訊協(xié)議嚴(yán)格遵循MODBUS－RTU通訊協(xié)議;可以通過基于PC的軟件來對系統(tǒng)編程并監(jiān)控單軸機(jī)器人、機(jī)械臂的運(yùn)行工作狀態(tài);整個通訊系統(tǒng)還可以連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對單軸機(jī)器人、機(jī)械臂的聯(lián)控與群控。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際應(yīng)用中單軸機(jī)器人、機(jī)械臂的系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用邏輯工位規(guī)劃、運(yùn)動控制軌跡規(guī)劃、系統(tǒng)編程、系統(tǒng)仿真和現(xiàn)場調(diào)試這5個步驟來實(shí)現(xiàn)(如圖4所示)。

3.1 邏輯工位規(guī)劃

運(yùn)用開放式結(jié)構(gòu)單軸機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)時，整個系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，即將一個完整的生產(chǎn)序列根據(jù)工藝順序進(jìn)行多層次的分解，形成多個工作單元，同時要確保每個工序單元在實(shí)施方式上、空間布局上以及生產(chǎn)節(jié)拍的組織上適合單軸機(jī)器人完成每個工序單元的生產(chǎn)任務(wù)，以及和上下游的其他單元形成有序配合，這種配合體現(xiàn)在多工位之間能實(shí)現(xiàn)有序聯(lián)動，統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍。所以在設(shè)計(jì)應(yīng)用之初要進(jìn)行邏輯工位的規(guī)劃。

連續(xù)生產(chǎn)的常見的工序工位組織方式有環(huán)形工位和直線形工位，如圖5所示。

開放式結(jié)構(gòu)單軸機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)內(nèi)置64段可編程位置運(yùn)動程序(P00～P63)，通過擴(kuò)展的程序存儲模塊可以擴(kuò)展到4K段的位置編程容量;內(nèi)置的64段可編程位置運(yùn)動程序，可以通過6個可編程多功能輸入信號定義為位置選擇信號(PIN0～PIN5)來選擇位置，并配以START位置啟動信號來觸發(fā)啟動。擴(kuò)展外部位置編程容量，可以通過擴(kuò)展可編程多功能輸入信號來選擇并觸發(fā)啟動。

編程位置運(yùn)動程序段除了可以通過輸入信號來選擇并啟動外，還可以通過485通訊和內(nèi)置PLC程序來調(diào)用，可以適應(yīng)不同種類的單軸機(jī)器人應(yīng)用。

3.2 運(yùn)動控制軌跡規(guī)劃

(1)開放式結(jié)構(gòu)單軸機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)提供了表1所示的參數(shù)用來規(guī)劃運(yùn)動控制軌跡。運(yùn)轉(zhuǎn)形式設(shè)定參數(shù)可以設(shè)置運(yùn)轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系、S曲線、定位方式多種規(guī)劃模式。

表1每段可編程位置運(yùn)動程序規(guī)劃參數(shù)

(2)開放式結(jié)構(gòu)單軸機(jī)器人控制系統(tǒng)除了可以用參數(shù)規(guī)劃軌跡外，還可以用圖6所示的圖形界面來進(jìn)行軌跡規(guī)劃。

3.3 系統(tǒng)編程

(1)可以通過計(jì)算機(jī)專用編程軟件進(jìn)行編程

目前采用靈活的點(diǎn)到點(diǎn)直接位置編程模式，只需輸入目標(biāo)位置的坐標(biāo)和運(yùn)行速度即可完成一步點(diǎn)到點(diǎn)的位置編程;同時可以在位置指令間插入PLC(可編程邏輯控制)指令，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制和邏輯控制的完美結(jié)合;在完成指令編程后可以通過指令編譯、目標(biāo)連接，形成可執(zhí)行代碼，并通過485通訊下載到控制系統(tǒng)中(如圖7所示的軟件編程界面)。

(2)示教模式編程

可以通過系統(tǒng)自帶示教功能，在現(xiàn)場通過操作人員的點(diǎn)動運(yùn)行，來示范位置運(yùn)動軌跡，此時系統(tǒng)將記錄整個運(yùn)動軌跡;在點(diǎn)動運(yùn)行結(jié)束后，計(jì)算機(jī)專用編程軟件將根據(jù)系統(tǒng)記錄的整個運(yùn)動軌跡，自動生成位置運(yùn)動控制指令程序。同時現(xiàn)場編程操作人員可以通過計(jì)算機(jī)專用編程軟件，對自動生成的位置運(yùn)動控制指令程序，進(jìn)行編輯修改和優(yōu)化。最后通過485通訊將生成的可執(zhí)行指令代碼下載到控制系統(tǒng)中。

3.4 仿真模式

在完成編程后，可以在計(jì)算機(jī)專用編程軟件上通過現(xiàn)場在線的指令生成運(yùn)動軌跡波形圖來驗(yàn)證編程的正確性和可靠性;同時可以在仿真模式下，實(shí)時在線修改控制系統(tǒng)中的程序，大大方便了現(xiàn)場用戶的調(diào)試和應(yīng)用。

3.5 現(xiàn)場調(diào)試

在現(xiàn)場調(diào)試中，具有開放式結(jié)構(gòu)的單軸機(jī)器人、機(jī)械臂專用交流同步電動機(jī)伺服控制系統(tǒng)可以通過系統(tǒng)提供的各種調(diào)試功能，進(jìn)行如下步驟的調(diào)試:(1)回原點(diǎn)運(yùn)行調(diào)試;(2)點(diǎn)動負(fù)載運(yùn)行調(diào)試;(3)系統(tǒng)試運(yùn)行調(diào)試;(4)通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件記錄外部輸入信號，同時記錄系統(tǒng)運(yùn)行軌跡和輸出信號。根據(jù)外部輸入信號和不同的運(yùn)行軌跡以及輸出信號來判斷系統(tǒng)的運(yùn)行準(zhǔn)確性。

4 應(yīng)用結(jié)果

具有開放式結(jié)構(gòu)的單軸機(jī)器人、機(jī)械臂專用交流同步電動機(jī)伺服控制系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用中比傳統(tǒng)的單軸機(jī)器人、機(jī)械臂的控制效率明顯提升，可靠性也有了顯著的提高，功能更完善，保護(hù)措施也進(jìn)一步提高，系統(tǒng)成本也明顯降低，完全達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。圖8和圖9為現(xiàn)場應(yīng)用情況。

5 結(jié)語

隨著我國伺服驅(qū)動器在工業(yè)控制與自動化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，具有開放式結(jié)構(gòu)的單軸機(jī)器人、機(jī)械臂專用交流同步電動機(jī)伺服控制系統(tǒng)，在一些集成度要求較高的單軸機(jī)器人、機(jī)械臂的控制領(lǐng)域，具有經(jīng)濟(jì)、有效和實(shí)用的控制效果，有著較為廣闊的應(yīng)用前景。相信在不遠(yuǎn)的將來，該控制系統(tǒng)必定會在各種機(jī)器人自動化領(lǐng)域取得更為廣泛的應(yīng)用和顯著的經(jīng)濟(jì)效益，為我國先進(jìn)裝備制造業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

［1］楊文博.可編程交流同步伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在工業(yè)門機(jī)上的應(yīng)用［J］.伺服與運(yùn)動控制，2008(4).

［2］阮毅.運(yùn)動控制系統(tǒng)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［3］李永東.高性能交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)現(xiàn)狀［J］.伺服控制，2008(1).

［4］秦憶.現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)［M］.武漢:華中理工大學(xué)出版社，1995.