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        基于軟PLC的Delta機(jī)器人運(yùn)動控制設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

        2020-07-23 09:07:18李忠浪
        機(jī)電工程技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:控制卡功能塊流程圖

        李忠浪,陳 忠

        (華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣州 510640)

        0 引言

        Delta機(jī)器人是一種能夠?qū)崿F(xiàn)高速三自由度平動的機(jī)構(gòu)。和串聯(lián)機(jī)器人不同,Delta機(jī)器人因剛度大、精度高、響應(yīng)快、末端件慣性小、動作靈活、易實(shí)現(xiàn)高速等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于食品(巧克力、糖果、餅干、月餅等)、醫(yī)藥、電子元件等行業(yè)的高速分揀、裝箱操作[1]。運(yùn)動控制技術(shù)作為機(jī)器人的大腦指揮,是機(jī)器人能穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù),研究和發(fā)展機(jī)器人的運(yùn)動控制技術(shù)對于推動“中國制造2025”時代的來臨十分必要。

        目前,常見的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動控制方式有兩種。一種是采用工控機(jī)和控制卡的方式,控制卡基于DSP+FPGA架構(gòu),自帶PCI接口,具有比較強(qiáng)大的計(jì)算能力和邏輯處理能力,并且集成了連續(xù)插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等功能,但是缺點(diǎn)明顯,不僅在軟件上二次開發(fā)復(fù)雜,在硬件上系統(tǒng)布線多,可靠性一般,遷移性差,兼容性差,而且不易和其他設(shè)備集成在一個控制系統(tǒng),不利于機(jī)器人針對不同場景的快速開發(fā)和普及[2]。另一種方式是基于軟PLC的控制方式。軟PLC是使用個人計(jì)算機(jī)或嵌入式控制器作為硬件支撐平臺,利于軟件實(shí)現(xiàn)硬PLC的基本功能。和控制卡方式相比,軟PLC具有開放的體系結(jié)構(gòu),可以在不同的硬件環(huán)境下使用;開發(fā)方便,可維護(hù)性強(qiáng),利用軟件開發(fā)更為豐富的指令集并支持多種編程語言;不依賴于傳統(tǒng)廠商的技術(shù)壟斷,開放性強(qiáng)[3]。目前常用的開發(fā)平臺有3S公司的CodeSys,倍福公司的TwinCAT,固高公司的OtoStudio等。杭州電子科技大學(xué)何潔[4]對軟PLC運(yùn)動控制系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了研究分析;華中科技大學(xué)周明華[5]在Beremiz平臺上研究新一代數(shù)控系統(tǒng)原型;華南理工大學(xué)李迪團(tuán)隊(duì)[6]以自動磨槽機(jī)為控制對象,驗(yàn)證了軟PLC運(yùn)動控制算法。目前,對于軟PLC在Delta工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)還比較少。

        本文從工廠實(shí)際需要出發(fā),硬件上采用ARM+Windows+RunTime System的硬件控制方案,軟件開發(fā)平臺采用3S公司的CodeSys,編程語言采用結(jié)構(gòu)化文本和連續(xù)功能圖兩種方式,以CodeSys內(nèi)嵌的運(yùn)動控制庫SoftMotionCNC為基礎(chǔ),進(jìn)行二次開發(fā),包括點(diǎn)到點(diǎn)插補(bǔ)運(yùn)動、直線插補(bǔ)運(yùn)動、圓弧插補(bǔ)運(yùn)動等,并通過模塊之間的組合實(shí)現(xiàn)Delta機(jī)器人的連續(xù)運(yùn)動。為了操作方便,開發(fā)出相對應(yīng)的運(yùn)動控制指令、在可輸入界面進(jìn)行指令編程即可,克服了傳統(tǒng)控制卡控制復(fù)雜、拓展性差的缺點(diǎn)。最后,采用3-4-5多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃出的門型路徑[7],在Delta機(jī)器人上機(jī)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明機(jī)器人能穩(wěn)定運(yùn)行并且各方向加速度與理論加速度一致,證明了機(jī)器人運(yùn)動控制設(shè)計(jì)成功。

        1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

        Delta機(jī)器人控制系統(tǒng)采用一主多從的控制模式,主站工控機(jī)采用ARM+Window控制方案,從站采用帶EtherCAT接口的清能德創(chuàng)CoolDriveRC4伺服驅(qū)動器,主站與從站之間采用工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。軟件開發(fā)平臺在PC端采用CodeSys編程環(huán)境,編程語言采用結(jié)構(gòu)化文本和連續(xù)功能圖兩種方式,編譯通過后固化到工控機(jī)上,直接發(fā)送指令控制機(jī)器人的運(yùn)動。機(jī)器人控制系統(tǒng)模型如圖1所示。

        圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)模型圖

        SoftMotionCNC基礎(chǔ)庫中,主要用到的功能塊有插補(bǔ)控制類和正逆運(yùn)動學(xué)變換類,其中插補(bǔ)控制類常用的有SMC_CheckVelocitics、 SMC_Smoothpath、 SMC_Interpolator、SMC_ControlAxisByPos,數(shù)組有SMC_PSINFO,結(jié)構(gòu)體有SMC_OUTQUEUE,Delta機(jī)器人正逆運(yùn)動學(xué)變換模塊有SMC_TRAFOF_Tripod、SMC_TRAFO_Tripod。熟悉這些功能塊的作用后,按照一定的規(guī)則組合出想要的運(yùn)動控制模塊。

        2 運(yùn)動控制功能塊設(shè)計(jì)

        2.1 點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動控制功能塊設(shè)計(jì)

        機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動控制是控制機(jī)器人的末端從起始點(diǎn)到給定點(diǎn),只需考慮時間最短,不考慮中間的軌跡形狀。根據(jù)功能塊間的相互聯(lián)系,Delta機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動控制功能塊設(shè)計(jì)流程如圖2所示,點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動控制封裝圖如圖3所示。

        圖2 點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動控制流程圖

        圖3 點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動控制封裝圖

        2.2 圓弧插補(bǔ)運(yùn)動控制功能塊設(shè)計(jì)

        機(jī)器人圓弧插補(bǔ)運(yùn)動控制是控制機(jī)器人的末端從起始點(diǎn),經(jīng)過中間點(diǎn),到達(dá)目的點(diǎn),點(diǎn)與點(diǎn)之間的軌跡通過圓弧插補(bǔ)得到。圓弧插補(bǔ)功能塊流程圖如圖4所示,圓弧插補(bǔ)運(yùn)動控制封裝圖如圖5所示。

        圖4 圓弧插補(bǔ)運(yùn)動控制流程圖

        圖5 圓弧插補(bǔ)運(yùn)動控制封裝圖

        2.3 直線插補(bǔ)運(yùn)動控制功能塊設(shè)計(jì)

        直線插補(bǔ)運(yùn)動控制是控制機(jī)器人末端從起點(diǎn)直線運(yùn)動到目的點(diǎn),嚴(yán)格遵守直線準(zhǔn)則。直線插補(bǔ)功能塊流程圖如圖6所示,直線插補(bǔ)運(yùn)動控制封裝圖如圖7所示。

        圖6 直線插補(bǔ)運(yùn)動控制流程圖

        圖7 直線插補(bǔ)運(yùn)動控制封裝圖

        2.4 連續(xù)運(yùn)動控制功能塊設(shè)計(jì)

        連續(xù)運(yùn)動控制是控制機(jī)器人末端連續(xù)運(yùn)動一段或多段軌跡到達(dá)目的點(diǎn)的運(yùn)動控制模式,由點(diǎn)到點(diǎn)、圓弧插補(bǔ)、直線插補(bǔ)控制方式相互組合完成,并借助指令控制模塊關(guān)聯(lián)功能塊,對編程進(jìn)行簡化。例如本文設(shè)計(jì)中,用PTP()函數(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)功能,用LIN()函數(shù)實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)功能,用Circ()實(shí)現(xiàn)圓弧插補(bǔ)功能。實(shí)驗(yàn)部分用了3個指令組合實(shí)現(xiàn)了門型軌跡的拾取動作。路徑圖如圖8所示,程序設(shè)計(jì)如圖9所示。

        圖8 路徑規(guī)劃示意圖

        圖9 程序設(shè)計(jì)示意圖

        其中,函數(shù)內(nèi)每個定義點(diǎn)包含的信息有點(diǎn)的坐標(biāo)、對應(yīng)的角速度、角加減速度。

        3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        本文選取實(shí)驗(yàn)室自主搭建的Delta并聯(lián)機(jī)器人樣機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象,編寫運(yùn)動控制程序?qū)崿F(xiàn)門型軌跡拾取動作,并利用LMS動態(tài)測試儀和BK型加速度傳感器,測出機(jī)器人末端的加速度信號。測試方法參考喬正宇[8]。實(shí)驗(yàn)平臺如圖10所示,硬件型號如表1所示。

        測試軌跡采用規(guī)劃好的3-4-5次多項(xiàng)式:

        圖10 實(shí)驗(yàn)平臺

        式中:amax=5.773 5·S/T2,據(jù)實(shí)際場景,設(shè)S=0.8m,amax=2m/s2。

        表1 實(shí)驗(yàn)硬件型號

        計(jì)算出8個代表點(diǎn)的信息,進(jìn)行運(yùn)動編程。將加速度傳感器測試得到的X、Z坐標(biāo)軸方向的加速度和理論加速度進(jìn)行對比,如圖11、圖12所示。

        圖11 軌跡平面X方向加速度

        圖12 軌跡平面Z方向加速度

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,機(jī)器人能穩(wěn)定運(yùn)行并且各方向加速度與理論加速度一致,證明了機(jī)器人運(yùn)動控制設(shè)計(jì)成功。

        4 結(jié)束語

        與傳統(tǒng)控制卡運(yùn)動控制相比,本文提出的方法在機(jī)器人使用上更加簡便,編程簡單,靈活性更高。在實(shí)際應(yīng)用過程中,可以很方便地把程序遷移到任何一臺嵌入式工控機(jī)上,不受產(chǎn)商品牌間兼容性的影響,大大加快開發(fā)速度。針對不同構(gòu)型的機(jī)器人,只需局部替換其中的運(yùn)動模塊即可,減小開發(fā)難度,提高效率。

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