江五講，林 威

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

噴涂機(jī)器人是一種常用的工業(yè)機(jī)器人，其研究與應(yīng)用已有40多年的歷史。目前，在國(guó)內(nèi)噴涂行業(yè)中使用的噴涂機(jī)器人絕大多數(shù)還是國(guó)外大公司生產(chǎn)的機(jī)器人，比如瑞士的ABB公司、德國(guó)的KUKA公司以及日本的安川電機(jī)公司等［1］。近年來(lái)，我國(guó)的華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)先后對(duì)噴涂機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，取得了不少進(jìn)展。國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)積極與機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展項(xiàng)目合作，推動(dòng)著我國(guó)噴涂機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。本文針對(duì)低成本小型噴涂機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，以自行設(shè)計(jì)的五自由度噴涂機(jī)器人為對(duì)象，采用PC104主板，配以ADT836運(yùn)動(dòng)控制卡，研究開(kāi)發(fā)了一套機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1 噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)

1.1 控制系統(tǒng)功能

控制系統(tǒng)是機(jī)器人的關(guān)鍵部分，機(jī)器人整體功能的實(shí)現(xiàn)在很大程度上都依賴(lài)于控制系統(tǒng)的功能。分析噴涂機(jī)器人的工作任務(wù)，總結(jié)出噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

（1）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制功能：控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)的啟動(dòng)／停止和正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)，噴槍閥的啟／閉，使機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)能協(xié)調(diào)地工作。

（2）噴槍速度控制功能：能對(duì)機(jī)器人末端噴槍的行走速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并采取一定的措施保證其運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定性。

（3）機(jī)器人系統(tǒng)供電控制功能：對(duì)噴涂機(jī)器人的供電進(jìn)行控制，在面板上顯示電源供電狀態(tài)，制動(dòng)器需加單獨(dú)的供電控制以方便安裝調(diào)試。

（4）電機(jī)超速報(bào)警及處理功能：選用合適的增量編碼器采集各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)，當(dāng)采集到的轉(zhuǎn)動(dòng)速度超過(guò)設(shè)定的最大速度時(shí)，做停機(jī)處理并給出警告信號(hào)，以防事故的發(fā)生。

（5）人機(jī)交互功能：通過(guò)LCD觸摸屏提供用戶(hù)操作接口（按鍵和顯示），能讓用戶(hù)方便地了解系統(tǒng)狀態(tài)和設(shè)定噴涂機(jī)器人的工作方式。

（6）機(jī)器人安全防護(hù)功能：為了防止控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)致使機(jī)構(gòu)損壞，需在機(jī)械限位前加光電限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到異常信號(hào)后，做停機(jī)處理并給出警告信號(hào)，以防事故的發(fā)生。

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能可以看出，該系統(tǒng)應(yīng)具有前向通道（傳感器）、后向通道（電機(jī)及噴槍閥等的控制）、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理部分（決定控制時(shí)機(jī)和方式）及人機(jī)界面，是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于PC104嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)算處理功能強(qiáng)、可靠性高、體積小、調(diào)試方便、且成本低，因此采用PC104作為控制系統(tǒng)的主機(jī)。另外，采用運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)噴涂機(jī)器人的各關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。這樣，整個(gè)控制系統(tǒng)可劃分為PC104嵌入式主板模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路、傳感器、電源和控制面板幾部分，控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)PC104模塊選用研華PCM－3343F，其主要特點(diǎn)為：采用高性能低功耗CPU模塊，CPU速度1.0GHz，帶有浮點(diǎn)運(yùn)算單元，在板集成了256MB內(nèi)存（最大可支持512MB）、顯示控制器（支持LCD顯示）、以太網(wǎng)控制器等［2］。運(yùn)動(dòng)控制卡選用國(guó)產(chǎn)眾為興的ADT－836運(yùn)動(dòng)控制卡，該運(yùn)動(dòng)控制卡是基于PC104總線(xiàn)的高性能六軸伺服／步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制卡。其速度控制有多種方式，如對(duì)稱(chēng)、非對(duì)稱(chēng)直線(xiàn)加／減速，S曲線(xiàn)加減速。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可實(shí)時(shí)改變速度和目標(biāo)位置，可使用連續(xù)插補(bǔ)功能實(shí)現(xiàn)高速高精度軌跡控制。

圖1 噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 驅(qū)動(dòng)方式

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉，適用于傳動(dòng)功率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人［3］?？紤]到本噴涂機(jī)器人的實(shí)際使用范圍和成本因素，決定選用步進(jìn)電機(jī)加行星減速器作為機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部件。

2.1.1 各關(guān)節(jié)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算

腰關(guān)節(jié)電機(jī)主要帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂作水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)大臂、小臂及手腕均處于水平工況時(shí)，腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ最大。此時(shí)的腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算示意圖如圖2所示。

圖2 腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算示意圖

此時(shí)算得的腰關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

考慮到該關(guān)節(jié)處使用行星減速器傳動(dòng)，選定的傳動(dòng)比i＝30，傳動(dòng)效率η＝90%，取安全系數(shù)K＝2，選擇北京阿沃德公司生產(chǎn)的型號(hào)為SM257－80H的MOTEC兩相步進(jìn)電機(jī)，其靜扭矩T＝2Nm。則由公式T×i×η＝2×JZ×α可算得腰關(guān)節(jié)最小角加速度為：

肩關(guān)節(jié)電機(jī)主要帶動(dòng)大臂作俯仰動(dòng)作，當(dāng)大臂、小臂及手腕均處于水平工況時(shí)，該關(guān)節(jié)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩最大，此時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算示意圖如圖3所示。

圖3 肩關(guān)節(jié)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算示意圖

肩關(guān)節(jié)處的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩M為：

則該關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置需要輸出的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

其他幾個(gè)關(guān)節(jié)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法與肩關(guān)節(jié)相同。

2.1.2 各關(guān)節(jié)電機(jī)參數(shù)計(jì)算

由算得的各關(guān)節(jié)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩來(lái)選擇各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)比和電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則是在滿(mǎn)足機(jī)器人本體技術(shù)參數(shù)要求的前提下，滿(mǎn)足傳動(dòng)比大、體積小、重量輕、慣量小等要求。在選型計(jì)算中需用到的計(jì)算公式有：

（1）所需電機(jī)最高轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

電機(jī)轉(zhuǎn)速（r／min）＝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速（°／s）×傳動(dòng)比／6。（2）所需電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

電機(jī)轉(zhuǎn)矩（Nm）＝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩／（傳動(dòng)比×傳動(dòng)效率）。

（3）所需電機(jī)最大功率計(jì)算公式為：

電機(jī)功率（W）＝電機(jī)轉(zhuǎn)矩×電機(jī)轉(zhuǎn)速×2π／60。各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

2.2 硬件模塊電路設(shè)計(jì)

本噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件電路使用了多個(gè)開(kāi)關(guān)電源分別對(duì)控制板、失電制動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。采用運(yùn)動(dòng)控制卡產(chǎn)生脈沖和方向信號(hào)控制各關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

表1 各關(guān)節(jié)電機(jī)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

由于工業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境較為復(fù)雜，因此供電安全非常重要，需要在電源輸入端加電源開(kāi)關(guān)控制電路。電源輸入端開(kāi)關(guān)控制電路如圖4所示。電路中使用了漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)、繼電器、啟動(dòng)和停止按鍵。通過(guò)該電源開(kāi)關(guān)控制電路，可以安全、快速地進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。

運(yùn)動(dòng)控制卡與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及兩相步進(jìn)電機(jī)的接線(xiàn)圖如圖5所示。

考慮安全因素，本噴涂機(jī)器人使用了失電制動(dòng)器。由于使用失電制動(dòng)器使得在不供電時(shí)機(jī)器人各關(guān)節(jié)都不能轉(zhuǎn)動(dòng)，這給機(jī)構(gòu)安裝調(diào)試帶來(lái)了不便。因此，需設(shè)計(jì)一路只給失電制動(dòng)器供電而不給系統(tǒng)其他部件供電的電源開(kāi)關(guān)控制電路。設(shè)計(jì)的制動(dòng)器開(kāi)關(guān)控制電路如圖6所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)采用Visual C＋＋6.0開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在Windows XP操作系統(tǒng)下運(yùn)行。該控制系統(tǒng)的控制過(guò)程如下：?jiǎn)?dòng)→自動(dòng)尋找零點(diǎn)→設(shè)定編碼器零位→設(shè)定工作模式→運(yùn)算處理→控制和狀態(tài)信號(hào)輸出→編碼器輸出信號(hào)→反饋控制。

圖4 電源輸入端開(kāi)關(guān)控制電路圖

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接電路圖

圖6 制動(dòng)器開(kāi)關(guān)控制電路

噴涂機(jī)器人主程序主要包括初始化模塊、手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊、噴涂模塊和復(fù)位模塊，主程序結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊主要包括單關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)子程序和控制前進(jìn)后退、上下移動(dòng)、左右移動(dòng)的多軸聯(lián)動(dòng)子程序，用于檢測(cè)噴涂機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是否正常。

噴涂模塊由示教子程序、文件編輯子程序和噴涂控制子程序組成。示教和文件編輯子程序用于生成和修改軌跡文件，噴涂控制子程序用于自動(dòng)噴涂作業(yè)。噴涂運(yùn)動(dòng)控制程序流程圖如圖8所示。

圖7 噴涂機(jī)器人主程序結(jié)構(gòu)框圖

圖8 噴涂運(yùn)動(dòng)控制程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于運(yùn)動(dòng)控制卡的五軸噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了該控制系統(tǒng)的功能、驅(qū)動(dòng)方式選擇、硬件模塊電路設(shè)計(jì)和軟件控制流程。該控制系統(tǒng)方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)周期短、程序可靠性高等特點(diǎn)。

［1］ 丁度坤，謝存禧，張鐵，等.噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究［J］.機(jī)床與液壓，2009（3）：13－15.

［2］ 張曉輝.焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.上海：東華大學(xué)，2010：10－15.

［3］ 康洪.PUMA－560型機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)分析［J］.機(jī)器人，1987（5）：49－55.