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        鑄造流水線四自由度工業(yè)機器人控制系統(tǒng)

        2018-05-21 09:44:34李寧寧顯斌盧子廣
        廣西教育·C版 2018年2期
        關(guān)鍵詞:工業(yè)機器人控制系統(tǒng)觸摸屏

        李寧 寧顯斌 盧子廣

        【摘 要】本文以四坐標機器人為研究對象,通過分析機器人的運動特性及變量參數(shù),利用編程軟件Motion Perfect2進行基本Basic指令的設(shè)計,完成機器人4軸的基本運動控制。為了使機器人在離線狀態(tài)下動作,利用觸摸屏完成機器人的示教再現(xiàn)功能,并利用觸摸屏上位機實現(xiàn)對機器人的控制,從而提高鑄造流水線上機器人的運動控制能力,

        【關(guān)鍵詞】鑄造流水線 四自由度 工業(yè)機器人 控制系統(tǒng) 觸摸屏

        【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

        【文章編號】0450-9889(2018)02C-0185-03

        隨著計算機集成制造、控制理論、信息和多傳感、人工智能等技術(shù)的發(fā)展,鑄造工業(yè)領(lǐng)域引入了越來越多的機器人技術(shù)。作為一門新興的高新技術(shù),機器人在鑄造工藝流水線上所起的作用也顯現(xiàn)出來,鑄造企業(yè)里各種工業(yè)機器人的數(shù)量逐年增加,成為鑄造企業(yè)提高其競爭實力不可或缺的機電一體化自動生產(chǎn)設(shè)備。鑄造用機器人不僅能夠?qū)⑷藦母邚姸?、高負荷和危險的鑄造工作環(huán)境中解放出來,大幅度地提高勞動生產(chǎn)率和勞動安全系數(shù),也可以改善鑄造產(chǎn)品質(zhì)量,提高鑄件精度。鑄造用高性能、高可靠性、高精度機器人的開發(fā)研究已成為鑄造工業(yè)生產(chǎn)的必然要求。本課題針對鑄造流水線上使用的四坐標機器人,設(shè)計了鑄造機器人開放式控制系統(tǒng)。

        一、運動控制系統(tǒng)方案

        鑄造機器人運動控制器將程序設(shè)計要求的轉(zhuǎn)角、位移量等信息,根據(jù)驅(qū)動裝置(考慮到成本及控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度,選擇步進電機作為驅(qū)動裝置)、傳動裝置、執(zhí)行裝置各部分之間的轉(zhuǎn)換、運算關(guān)系,將各部分相匹配的信息發(fā)送給步進電機,從而控制步進電機的正反轉(zhuǎn)、脈沖數(shù)等,實現(xiàn)各軸(執(zhí)行裝置)的精確運動與位移。本設(shè)計采用以開環(huán)控制,通過點位控制來控制運動系統(tǒng)。

        鑄造機器人主要是進行鑄件搬運等工作,這些工作的共同特點都在于機器人運動的間斷性及重復(fù)性。為了提高系統(tǒng)的安全性,本設(shè)計采用了傳感器模塊作為簡單的反饋裝置。傳感器將檢測到的危險信息,如各軸運動到極限位置、各軸遇到障礙物等。通過信號輸入端傳送給運動控制器,運動控制器接收信號并及時做出反應(yīng),發(fā)送相應(yīng)的指令控制各軸的運動,以避免危險的發(fā)生,從而保證了整個系統(tǒng)與機械本體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

        根據(jù)機器人實現(xiàn)功能、工作環(huán)境、應(yīng)用場合及成本等方面考慮,通過對各控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行分析比較,確定本設(shè)計采用PC機+人機交互界面+運動控制器的開放式控制系統(tǒng),其中PC機和人機交互構(gòu)成系統(tǒng)上位機,下位機則由運動控制器構(gòu)成。各部分完成任務(wù)如下:

        PC機用于控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)與調(diào)試(人機交互操作界面、運動控制器等軟件程序的設(shè)計);人機交互主要完成系統(tǒng)離線狀態(tài)下命令的發(fā)送,并在緊急情況下實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動、急停等操作,避免系統(tǒng)硬件、軟件、機器人本體結(jié)構(gòu)受到破壞;運動控制器,作為控制系統(tǒng)核心部件,起著橋梁樞紐的作用。它將接收到的上位機下達的指令或命令通過分析、判斷、計算等過程,再將信號發(fā)送給驅(qū)動裝置、執(zhí)行裝置,完成機器人的整個運動過程。

        二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

        (一)核心部件選型。本設(shè)計中所選用的運動控制器采用Euro205X型運動控制器(Trio公司產(chǎn)品),它是一種U型結(jié)構(gòu)的數(shù)字運算控制器,是控制系統(tǒng)在Euro205的基礎(chǔ)上更加完善的控制器,獨立的120MHZ的DSP微處理器,大大加快了計算機數(shù)據(jù)處理和電機運動的速度。

        人機交互界面產(chǎn)品的選擇采由WeinView公司的eView MT500系列觸摸屏,其主要包括兩部分:一部分用于對外部環(huán)境的檢測及顯示,即觸摸屏的檢測裝置,另一部分是觸摸屏內(nèi)部的分析判斷和對信號的處理裝置,即觸摸屏的控制器。

        (二)系統(tǒng)硬件搭建及通信。根據(jù)機器人硬件結(jié)構(gòu)模塊的組成部分,機器人控制系統(tǒng)的硬件搭建主要包括運動控制器與機器人本體的連接、運動控制器與PC機的連接、運動控制器與人機界面(觸摸屏)的連接、運動控制器與遙控模塊的連接。由于運動控制器是硬件結(jié)構(gòu)搭建的橋梁和樞紐,故在介紹各部分連接之前,先對運動控制器的引腳作一介紹。

        機器人控制系統(tǒng)各硬件的通信主要包括下位機與上位機之間的通信(即運動控制器與PC機、觸摸屏的通信)和上位機與上位機之間的通信(即PC機和觸摸屏的通信)兩部分。各部分間的通信均采用“串行通信”方式。所謂的“串行通信”,是指設(shè)備間使用二根數(shù)據(jù)信號線(可能還需要控制線)一位一位地進行傳輸,其中每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個固定的時間長度。這種通信方式具有數(shù)據(jù)線使用少、成本低等優(yōu)點。

        三、鑄造機器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

        (一)Trio控制程序設(shè)計。Trio程序的設(shè)計使用Motion Perfect 2,它比Motion Perfect 1在保留了核心功能的同時,增加了很多新的增強功能。Motion Perfect 2有如下新的特征:支持Trio公司生產(chǎn)的各個系列型號運動控制器的編程;在編寫程序的過程中,增加了語句輔助、誤差輔助功能,并可進行脫機程序編輯;可連接到其他外部應(yīng)用軟件,如CAD2Motion(該軟件可以用于轉(zhuǎn)化為CAD,產(chǎn)生兩個到Trio Basic程序的空間運動路徑);增強的通信功能,如被保護的RS232通信模式,支持USB的高速通信,CAN總線通信等;其他新的或功能增強的工具,如表格編輯器,變量編輯器,填寫、保存表格文件,可定義尺寸的示波器等。

        (二)Trio程序的設(shè)計。Trio程序的設(shè)計是整個控制系統(tǒng)的軟件核心,用于完成電機控制、傳感器狀態(tài)查詢等實時性要求比較高的任務(wù)。Trio Basic程序主要包括初始化、報警等模塊,在特定的條件下,各個模塊之間通過程序流程控制指令進行切換、執(zhí)行任務(wù)。下面是報警程序模塊的程序指令:

        loop:'the programme of alarm

        IF VR(9)=1 OR VR(10)=1 OR VR(11)=1 OR VR(12)=1THEN

        GOTO loop

        ELSEIF (IN(0)=0 OR IN(1)=0) OR (IN(3)=0 OR IN(4)=0) OR IN(9)=0 OR

        (IN(6)=0 OR IN(2)=0) THEN

        OP(11,ON)

        FOR i=0 TO 3

        BASE(i)

        WHILE MTYPE<>0

        CANCEL

        WEND

        NEXT i

        WAIT UNTIL (IN(0)=1 AND IN(1)=1) AND (IN(3)=1 AND IN(4)=1) AND IN(9)=1 AND (IN(6)=1 AND IN(2)=1)

        OP(11,OFF)

        (三)Trio程序的在線調(diào)試。由于Trio運動控制器在離線狀態(tài)下,只能進行程序的離線編輯,所以要進行在線調(diào)試,檢測程序是否正確,需將PC機與運動控制器進行連接。

        運動控制器提供31個串口與PC機通信,當串口設(shè)置不恰當時,PC機也不會連接到運動控制器。如果控制器上電后默認的程序串口與控制器不一致時,控制器會做出修改串口設(shè)置提示。圖1是PC在COM2口連接到運動控制器。

        連接到運動控制器后,運動控制器會對導(dǎo)入的工程進行檢測,在第一次運行程序時,需對工程的程序進行在線編譯,以檢測程序的正確性。

        四、觸摸屏界面設(shè)計

        觸摸屏主要完成對機器人的離線操作,包括系統(tǒng)啟動、命令執(zhí)行、動作切換、狀態(tài)參數(shù)顯示等操作。本設(shè)計采用Easy Builder500組態(tài)軟件編寫。

        (一)設(shè)計步驟。觸摸屏界面設(shè)計分三步進行。

        第一步:確定觸摸屏操作界面的基本結(jié)構(gòu)形態(tài),形成觸摸屏操作界面的初步

        模型結(jié)構(gòu),本設(shè)計中,觸摸屏的設(shè)計利用模塊化思想,功能實現(xiàn)模塊可根據(jù)需要及機器人功能的增加隨時擴充。

        第二步:分析控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量、邏輯信號等,確定觸摸屏設(shè)計中所需要的輸入與控制信號特性、信號數(shù)量,以便正確地選擇與設(shè)置元件;在計算機(軟件組態(tài))上制造觸摸屏界面,并進行離線調(diào)試修改等。

        第三步:將軟件組態(tài)上的畫面下載到觸摸屏,并進行觸摸屏與控制器等的調(diào)試工作。

        (二)離線模擬圖。由于Easy Builder500具有離線模擬功能,所以在觸摸屏操作界面設(shè)計好之后,可通過離線模擬對界面進行演示,以檢驗操作界面設(shè)計是否正確和美觀。基于此,本部分主要顯示了觸摸屏主要操作界面的離線模擬圖。如圖2顯示了運動演示界面的模擬圖。

        五、總結(jié)

        本文以四自由度回轉(zhuǎn)機器人為機械本體,以機器人完成繪圖工作為背景,設(shè)計了其控制系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)采用了PC機+觸摸屏+運動控制器的開放式控制系統(tǒng),觸摸屏采用WeinView公司的eView MT500系列,利用Easy Builder500軟件組態(tài)完成了觸摸屏的操作面板設(shè)計;運動控制器為系統(tǒng)的下位機部分,采用的是Trio公司的Euro205X型運動控制器,利用Motion Perfect 2完成了Trio程序的編寫。設(shè)計中,機器人的機械本體、上位機程序的設(shè)計都采用模塊化的思想,方便了系統(tǒng)的維護和修改,同時提高了系統(tǒng)的可互換性、可移植性和可操作性。

        【參考文獻】

        [1]于喜紅,白晶,張順琦,等.開放式四自由度工業(yè)機器人控制系統(tǒng)研究[J].機械設(shè)計與制造工程,2015(8)

        [2]官友軍,林方夫,李釣平,等.基于RS485網(wǎng)絡(luò)的鑄造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的研制[J].機電工程,2006(1)

        [3]胡武茹,樓佩煌,劉冉.熔模鑄造生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].工業(yè)控制計算機,2010(10)

        [4]袁順龍,白晶,秦現(xiàn)生,等.四自由度上下料工業(yè)機器人控制系統(tǒng)研究[J].機械與電子,2014(11)

        【作者簡介】李 寧(1978— ),男,廣西南寧人,碩士,廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授,研究方向:工業(yè)機器人控制、焊縫跟蹤系統(tǒng);寧顯斌(1984— ),男,廣西玉林人,碩士,廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師,研究方向:工業(yè)機器人控制,計算機圖像處理;盧子廣(1963— ),男,廣西南寧人,博士,廣西大學(xué)教授,研究方向:智能控制,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

        (責編 蘇 洋)

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