示教編程器在點膠機器人中的應用

摘要：本文簡要的介紹了一種應用在點膠機器人上的示教編程器。包括編程器的結構、原理，以及在樂創(chuàng)自動化技術有限公司開發(fā)的FS30點膠機器人控制系統(tǒng)中的應用。這種示教編程器可以示教出各種各樣復雜的圖形，讓點膠機器人按照人的意志和點膠工藝的要求來執(zhí)行相應的指令，完成點膠功能。
關鍵詞：示教 點膠機器人 起點校正 陣列 文件連接 連續(xù)插補 點膠工藝

0 引言
在工業(yè)生產中，很多地方都需要用到點膠，比如集成電路、印刷電路板、彩色液晶屏、電子元器件（如繼電器、揚聲器）、汽車部件等等。傳統(tǒng)的點膠是靠工人手工操作的。隨著自動化技術的迅猛發(fā)展，手工點膠已經遠遠不能滿足工業(yè)上的要求。手工點膠具有速度慢，精度差等缺點。市場上要求一種速度快，效率高，精度高的設備。因此就出現了全自動點膠機器人。
在科技就是第一生產力的今天，全自動點膠機器人的出現為點膠行業(yè)帶來前所未有的機遇和發(fā)展。大大地提高了點膠的效率，降低了生產成本，并具有精度高，可靠性高，適應性強等優(yōu)點。
示教編程器系統(tǒng)可以使用戶與點膠機器人簡單方便地交流，讓機器人按照用戶的想法和點膠的工藝要求來運動。它能夠簡易地控制點膠機器人，發(fā)送各種運動指令，執(zhí)行各種圖形的點膠。此外，經過簡易的改造后，這個系統(tǒng)還可以用在點焊、激光切割等機器人上。

1 系統(tǒng)結構
1.1 點膠機器人構造
點膠機器人由“機械+電機+運動控制卡”組成。其系統(tǒng)結構如下圖所示：


圖一 點膠機器人結構示意圖
機械部分就是一個三自由度的傳動機構平臺。膠頭可以通過機械的移動定位到空間的任意一個(x,y,z)坐標。運動控制卡實際上相當于一個智能的電子計算機。它發(fā)脈沖給電機的驅動器，使電機帶動機械運動。它可以控制機械走出各種各樣的軌跡，靈活的控制運動速度、加速度，進行高精度地定位。其定位精度可達到0.01mm。另外，這個卡還留有RS232接口與外界設備，比如示教盒或PC通訊。

1.2 示教編程器的結構
示教盒的主要硬件結構如下圖所示：


圖二 示教盒硬件結構示意圖
示教盒主要由CPU、LCD顯示、鍵盤、flash可掉電存儲器、通訊模塊組成。
操作人員使用鍵盤和LCD進行人機交互。CPU把操作人員的想法變成機器指令通過RS232通訊口發(fā)給運動控制卡。另外，CPU還可以把一些操作人員設置好的圖形以文件的方式存儲在flash可掉電存儲器中。

2 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件的流程如下：


圖三 示教盒軟件結構示意圖
軟件使用KeilC語言編寫。
鍵盤檢測選擇采用掃描方式而不是中斷方式。因為掃描方式使軟件結構更加整潔，更容易管理。鍵盤觸發(fā)的持續(xù)時間一般比較長，至少是毫秒級的。MCU的速度是MHZ級，掃描鍵盤綽綽有余，不需要擔心實時響應問題。鍵盤檢測的中斷方式雖然響應很快，但是會導致軟件的結構混亂，難以管理，內存操作復雜。
軟件的核心模塊在于文件的存儲和編譯。
文件需要以一定格式來存儲。文件存儲并不需要用標準的Fat或Fat32等格式，因為它并不需要攜帶復雜的信息。文件只需要進行方便的讀、寫、復制、刪除、修改等操作就可以了。因此，選擇采用鏈表的方式存儲文件。另外，使用鏈表操作效率也是很高的。
以用戶的角度看，文件中存儲的內容就是一些點列表。比如孤立點，直線起點，直線終點等等。這些點在一起就可以組成一個完整的圖形（詳細可參見第3章的介紹）。另外文件中還有一些參數，比如運動的速度、加速度、上抬高度等等。
文件編譯就是把存儲在文件中的點列表信息和參數轉化成運動指令發(fā)送給運動控制卡。實際上文件編譯可以看做是一個如下的映射過程：


圖四 文件編譯過程示意圖
根據文件的結構和對應的運動指令之間的關系，就可以構造出映射函數的內容，實現編譯的過程。

3 示教流程
3.1 示教流程
如果人想讓點膠機器人運動一個如下圖所示跑道型的軌跡。


圖五 示教跑道圖形示意圖
這個跑道可以看做是“直線+圓弧+直線+圓弧”組成。直線由2個點（起點和終點）確定，圓弧由3個點（起點、中點和終點）確定。因此只需要把這些“關鍵點”位置定下來，用戶就可以示教出一個完整的圖形。操作者需要首先新建一個文件。然后，按示教盒的提示依次插入每段圖形的起點、中點和終點（如圖五所示7個點），就確定下來這個圖形。最后設置一下運動的參數。于是就示教出了一個圖形文件。用示教盒執(zhí)行這個文件就可以按這個文件的圖形加工了。
3.2 復雜圖形示教
3.2.1 文件陣列
如果要示教出一個4行，5列的矩形陣列。如下圖所示：


圖六 示教陣列圖形
首先只需要示教出一個矩形（由4條直線組成）。然后設置陣列的屬性，包括陣列的行數、列數、行偏移、列偏移以及方向（先X方向還是先Y方向）。最后運行文件即可。

3.2.2 文件連接
如圖六所示圖形。如果只用單個文件想把9個圓形和4個正方形示教出來，過程會非常復雜。但是只要使用文件連接功能，只需要簡單地示教一個3x3的圓形陣列和一個2x2的矩形陣列，然后把他們連接起來，就可以了。


圖七 示教文件連接

4 點膠工藝及解決方案
4.1 拐彎沖擊處理
點膠機器人運動拐彎的地方（比如2條相鄰直線的拐角處），通常情況，為了防止堆膠，一般需要先急停，再突然加速執(zhí)行下一段曲線。但是這個過程會導致強烈的機械沖擊。
為了克服機械沖擊，在圖形拐彎處采用了速度前瞻技術。通過提前預判軌跡來處理拐彎的速度和加速度。使點膠機在拐彎的地方平滑拐彎，有效的避免了機械沖擊。這個過程就是連續(xù)插補過程。拐彎的的連續(xù)性可以通過設置拐彎加速度來控制。

4.2 開膠延時和提前關膠
出膠控制器是用IO信號來控制是否要出膠。不管是開膠還是關膠，它都有一個固定的延時。開始加工一個圖形的時候，先開膠頭，然后需要延時一段“開膠延時”后再開始加工。
一個圖形加工完了后，常常需要關膠。此時控制卡就會給出膠控制器發(fā)送一個關膠信號。此時雖然圖形走完了，但是過一段時間膠水才會完全停掉。此時就會導致圖形結束出堆膠。為了避免這種現象，就需要提前關膠。提前關膠實際上是采用位置比較輸出技術做到的。也就是說通過提前預判關膠的位置來實現在某處提前關膠。

4.3 起點校正
圖形的形狀在編程的時候就已經固定下來了，但是圖形的整體相對位置還沒有定下來。被點膠的工件是放置在加工平臺上的。由于安裝誤差，肯定不可能每次都放置在同一個地方。因此示教盒必須要有起點校正的功能。在每次加工前重新校正一下起點，使工件和膠頭的軌跡吻合。

4.4 其他工藝和特點
? 多種基本圖形：孤立點、直線、折線、圓弧、整圓、半橢圓、整橢圓。
? 3維空間圖形連續(xù)插補：可實現三維圖形連續(xù)插補軌跡運動。
? 平臺適應性：小到幾毫米，大到幾十米的平臺均可直接使用。
? 復位重新定位坐標系：在故障時或誤差累積到一定程度時，通過簡單的機械復位可以重新定位到以前的坐標系。定位精度0.01mm。
? 循環(huán)加工：實現同一個圖形自動反復加工。可以設置循環(huán)加工次數和循環(huán)加工時間間隔。
? 急停：使驅動器斷電立即停止機械運動。
? 分步加工功能：可加工完一段圖形后自動暫停，按鍵后繼續(xù)加工下一段圖形。
? 加工中可插入吹氣點：吹氣點會給吹氣設備一個IO信號，把粘滯的膠水拉絲吹斷。
? 流水線接口：使點膠機可裝配在流水線上與流水線配合操作加工。
? 多IO控制：同時控制多個膠頭，使它們分別實現不同的功能。
? 激光、點焊同類設備通用性：把出膠控制器換成激光頭或焊頭，進行簡單改動即可。

5 結束語
本示教編程器已成功應用于樂創(chuàng)自動化技術有限公司開發(fā)的點膠機器人控制系統(tǒng)FS30中，作為人機交互的關鍵環(huán)節(jié)，它可以使人更輕松地與機器人交流，讓機器人根據人的意志來工作，避免了用冗長復雜的代碼指令等來控制機器人。
在未來，示教編程器將會越來越廣泛的應用在各個工業(yè)領域。極大的方便人與機器之間的交流，把機器人的功能發(fā)揮到最大的程度。