陳潤六 ，趙峰惠 ，鄒曉暉，鄭小民 ，王紅州 ，占曉煌

（1.江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330095；2.江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330095）

噴涂機(jī)器人是一種具有典型涂裝特征的自動化設(shè)備。目前，在國內(nèi)的制造業(yè)中，噴涂工藝是一項(xiàng)非常重要且常用的工序。它不僅能改善工件的外觀視覺效果，還能保護(hù)工件內(nèi)部的材料不受外界環(huán)境影響。采用噴涂機(jī)器人一方面可以把從業(yè)人員從有毒氣體中解放出來，另一方面還可以降低企業(yè)的經(jīng)營成本，當(dāng)然還可以提高噴涂質(zhì)量和工作效率。美國minihit公司、fudge公司和德國的hatel公司[1]早在三十年前就開始應(yīng)用了噴涂機(jī)器人，而目前國外品牌主要有德國的KUKA、日本的FANUC和瑞典的ABB等，國內(nèi)主要有沈陽的新松機(jī)器人公司和深圳的榮德機(jī)器人公司等[2，3]。

本文控制的對象采用帶有兩個平行四邊形結(jié)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)（由廣西凱縱機(jī)械制造有限公司提供，以下簡稱KZ-PT001，如圖1所示）來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的六自由度運(yùn)動，這種構(gòu)型所有伺服電動機(jī)均安裝在機(jī)架上，桿件可制成輕桿，機(jī)構(gòu)動力學(xué)性能較好，能滿足高速高精度噴涂的要求。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運(yùn)輸安裝方便，工作可靠，不僅適用于小型普通噴涂作業(yè)，還可用于大型或重型結(jié)構(gòu)噴涂作業(yè)。

圖1 K Z-P T001噴涂機(jī)器人并聯(lián)機(jī)構(gòu)的Pro/e結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)是基于設(shè)計者自身的生產(chǎn)目的而創(chuàng)建的獨(dú)立結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其采用了封閉的體系結(jié)構(gòu)，包括專用的微處理器、操作系統(tǒng)、計算機(jī)和機(jī)器人語言。這種結(jié)構(gòu)不但開發(fā)周期長，成本高、升級換代也很困難[4]。本文介紹了一種基于PMAC卡的開放式機(jī)器人控制系統(tǒng)，具有良好的擴(kuò)展性和開放性，能適應(yīng)不同類型機(jī)器人的開發(fā)與調(diào)試。

1 總體方案的設(shè)計

（1）控制流程。本項(xiàng)目采用觸摸屏作為上位機(jī)，PMAC運(yùn)動控制卡作為下位機(jī)，伺服系統(tǒng)采用松下交流伺服驅(qū)動器和松下交流伺服電機(jī)。控制流程如圖2所示。

圖2 控制流程圖

（2）控制系統(tǒng)原理。在SolidWorks中構(gòu)建虛擬樣機(jī)，將軌跡規(guī)劃獲得的數(shù)據(jù)載入Motion模塊進(jìn)行仿真運(yùn)動，導(dǎo)出csv格式文件即為各驅(qū)動單元的運(yùn)動數(shù)據(jù)。將上述離線數(shù)據(jù)編譯成Pewin32可識別的代碼，寫入PMAC卡。運(yùn)動程序啟動后，PMAC卡將以PVT運(yùn)動模式規(guī)劃各個數(shù)據(jù)點(diǎn)的路徑并實(shí)現(xiàn)平滑運(yùn)動，即通過接口電路，各驅(qū)動軸的移動數(shù)據(jù)將被送到伺服驅(qū)動系統(tǒng)，其控制電機(jī)使驅(qū)動軸進(jìn)行聯(lián)動，并在同一時間按照預(yù)定的速度到達(dá)各軸的規(guī)劃位置，驅(qū)動噴涂動平臺實(shí)現(xiàn)預(yù)定位姿。

2 硬件系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)包含哪些部分。連接圖如圖3所示。

圖3 硬件連接示意圖

2.1 T urbo PM A C卡

本文采用的是PMAC卡中性價比高的Turbo PMAC2-Eth-Lite控制器（又稱“Clipper”），它在提供強(qiáng)大控制功能的同時，保持了低價和整合的特點(diǎn)。其采用的Turbo CLIPPER2 CPU提供了32個通用數(shù)字I/O，采用RS232串行和通用的以太網(wǎng)通訊方式，可通過選擇軸擴(kuò)展卡對I/O端口及伺服通道進(jìn)行擴(kuò)展，這方便了用戶進(jìn)行上位機(jī)和控制器的連接。另外，Clipper卡有自帶的軟件Pewin32-Pro2，可通過它對變量進(jìn)行設(shè)置并編寫程序。其中，Jog Ribbon窗口負(fù)責(zé)對伺服電機(jī)進(jìn)行手動進(jìn)給運(yùn)動；Terminal窗口負(fù)責(zé)在線命令交互；Position窗口可檢測伺服電機(jī)位置。在新建pmc文件后，可將編譯好的程序代碼和設(shè)置好的變量下載到 Clipper卡中并保存[5，6，7]。

2.2 擴(kuò)展板卡選型

本系統(tǒng)選用Delta Tau中國公司設(shè)計的四通道DTC-8B轉(zhuǎn)接接口板，它提供DB端子與客戶端連接并通過扁平電纜和 J4（JMACH2）及 Clipper J3（JMACH1）連接。該板卡通過對輸出信號進(jìn)行光耦隔離，如脈沖信號、使能信號、用戶自定義標(biāo)志位信號、報警信號、編碼器反饋信號、回零信號、方向信號、位置比較相、正限位信號、負(fù)限位信號等，防止燒壞I/O口及主板，從而起到保護(hù)主板的作用。另外，由于各通道端子的定義都是相同的，極大地方便了用戶對通道的選擇和接線。

本系統(tǒng)還選用了ACC-34AT接口板，它提供了16路輸出和16路輸入，主要負(fù)責(zé)開關(guān)量信號的輸出輸入，主要通過的M變量來控制，該M變量被賦予了存儲器地址。

2.3 伺服系統(tǒng)構(gòu)建

本系統(tǒng)采用的伺服電機(jī)及減速器如表1所示。松下伺服電機(jī)可采用USB2.0接口與伺服驅(qū)動器進(jìn)行通訊，其自帶的調(diào)試軟件PANATERM ver5.0可對單個電機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、調(diào)試與報警消除。

表1 伺服電機(jī)及減速器清單

2.4 觸摸屏選型

本系統(tǒng)采用日本進(jìn)口的Proface觸摸屏中的GC-4401W型號，其采用24 V直流電源供電，Clipper卡上的J2串口和觸摸屏的COM1串口可通過RS-232C數(shù)據(jù)電纜進(jìn)行連接。它能對Clipper卡中的P（全局通用的用戶變量）、Q（針對坐標(biāo)系系統(tǒng)的用戶變量）、I（初始化和設(shè)置變量）、M（提供用戶訪問存儲器和I/O）變量進(jìn)行讀取和寫入。通過該款觸摸屏自帶的GP-Pro EX4.0軟件，可以很方便的進(jìn)行人機(jī)交互界面的設(shè)計。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本軟件系統(tǒng)的功能主要由Clipper卡自帶的存儲區(qū)和旋轉(zhuǎn)緩沖區(qū)來完成，觸摸屏僅作為變量的通訊和管理使用。具體功能如下：

3.1 離線與示教功能實(shí)現(xiàn)

如果采用PC作為上位機(jī)，則可使用Clipper卡自帶的函數(shù)庫作為高級語言如VB、VC++等的通訊橋梁來完成運(yùn)動程序或變量的編輯工作。但如果將算法和程序通過PC來調(diào)用，實(shí)時性差是一個很嚴(yán)重的問題。

而Clipper卡的強(qiáng)大之處在于，它自身就是一臺小型計算機(jī)，而且實(shí)時性很強(qiáng)。因此，本系統(tǒng)將所有的數(shù)據(jù)處理工作都交給Clipper卡，用觸摸屏來取代PC，僅作為人機(jī)交互和變量的通訊使用。

（1）離線功能的實(shí)現(xiàn)：將上文提到的離線數(shù)據(jù)用PVT運(yùn)動指令編寫成運(yùn)動程序，載入Clipper卡，用觸摸屏點(diǎn)擊啟動運(yùn)動程序后，將會激活存有運(yùn)動程序的內(nèi)置PLC循環(huán)時鐘，從而使運(yùn)動程序開始運(yùn)行。

（2）示教功能實(shí)現(xiàn)：類似于離線功能，所不同的是嵌入運(yùn)動程序中的運(yùn)動學(xué)逆解算法運(yùn)行后，需要一個用來存儲計算數(shù)據(jù)的地方，并能實(shí)現(xiàn)邊計算邊運(yùn)行。這用到了Clipper卡的旋轉(zhuǎn)緩沖區(qū)功能，可設(shè)置需要緩沖的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)：

DELETE GATHER

&3 DEFINE ROT 200

&2 DEFINE ROT 1000

&1 DEFINE ROT 20

使用旋轉(zhuǎn)緩沖區(qū)的關(guān)鍵在于，知道緩沖區(qū)中還有多少程序沒有執(zhí)行，以便及時下載后續(xù)程序，保證運(yùn)動的連貫性。

3.2 人機(jī)交互界面

通過Proface觸摸屏自帶的GP-Pro EX4.0軟件，可以很方便的進(jìn)行人機(jī)交互界面的設(shè)計，實(shí)際運(yùn)行的主界面如圖4所示。主要有：狀態(tài)監(jiān)測層、數(shù)據(jù)存儲層、運(yùn)動控制卡層、運(yùn)動學(xué)計算及軌跡規(guī)劃層和功能層，如圖5所示。

圖4 人機(jī)交互界面

圖5 人機(jī)交互界面總體模塊圖

4 系統(tǒng)運(yùn)行

本系統(tǒng)軟硬件完成設(shè)計、編輯和組裝后，在廣西凱縱機(jī)械制造有限公司KZ-PT001噴涂樣機(jī)現(xiàn)場進(jìn)行試運(yùn)行，并參加了展覽。分別運(yùn)行了寫入的兩段運(yùn)動程序和使用了示教功能，噴涂槍頭均能夠按照預(yù)定軌跡完成噴涂作業(yè)，圖6為展覽現(xiàn)場，圖7為控制柜實(shí)體。

圖6 展覽現(xiàn)場

圖7 控制柜實(shí)體

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目采用了PMAC卡中高性價比的型號Turbo PMAC，用觸摸屏代替了傳統(tǒng)的PC作為上位機(jī)使用，系統(tǒng)不僅滿足了噴涂機(jī)器人用于復(fù)雜工況的需求，還縮短了操作人員掌握的時間，減少了開發(fā)的周期和成本。當(dāng)然，該卡自身內(nèi)置的PLC功能和強(qiáng)大的計算能力也為脫離PC提供了條件。

[1]Xianglin Zhou，Xiangkun Wu.Deposition behavior ofmultiparticle impact in cold spraying process[J].International Jour nal of Minerals Metallurgy and Materials，2010，79（05）：635-640.

[2]潘麗霞.論工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用[J].山西科技，2010，25（03）：22-23.

[3]白金元，徐濱士，許 一，等.自動化電弧噴涂技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國表面工程，2006，19（05）：267-270.

[4]王麗麗，劉向東，楊 少.基于PMAC的噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究[J].制造業(yè)自動化，2006，28：164.

[5]Delta Tau（中國）.Turbo PMAC用戶手冊（中文版）.北京：Delta Tau Data Systems，Inc.（中國）[Z].2014.

[6]Delta Tau（中國）.Turbo_PMAC軟件參考手冊中文版.北京：Delta Tau Data Systems[Z].Inc.（中國），2011.

[7]Delta Tau（中國）.中文 Clipper控制器硬件手冊.北京：Delta Tau Data Systems[Z].Inc.（中國），2012.