基于SMP 運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核的機(jī)器人控制系統(tǒng)
2014/1/21 11:26:10
1 引言
隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展， 普通的人工勞動(dòng)力已經(jīng)不適合強(qiáng)度高、環(huán)境惡劣的工作要求。而隨著機(jī)器人制造水平的提高， 具有高效率、質(zhì)量穩(wěn)定、通用性強(qiáng)的機(jī)器人已經(jīng)受到越來越多的青睞， 并被廣泛應(yīng)用到柔性制造生產(chǎn)線上。目前， 工業(yè)生產(chǎn)中的搬運(yùn)、焊接、噴涂等繁重工作已經(jīng)逐漸被機(jī)器人所取代， 此外， 特種機(jī)器人在深海探測(cè)、消防救災(zāi)等領(lǐng)域也得到應(yīng)用［1］。早在20 世紀(jì)70 年代， 國(guó)外一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)器人就進(jìn)入了實(shí)用化的階段。經(jīng)過30 多年的研究應(yīng)用與改進(jìn)， 目前無論在技術(shù)水平方面還是裝備數(shù)量上， 以日本和德國(guó)為代表的少數(shù)幾個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)［1］。如瑞典的ABB、日本的川崎重工、德國(guó)的KUKA等。我國(guó)“863” 計(jì)劃已經(jīng)將機(jī)器人的研究列入其中，開發(fā)具有良好穩(wěn)定性和實(shí)用性的機(jī)器人也得到了企業(yè)的廣泛重視。本文主要介紹一種基于SMP 純軟件運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核的機(jī)器人控制系統(tǒng)以及它在焊接方面的實(shí)際應(yīng)用。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
SMP 系統(tǒng)是美國(guó)Soft ServoSystem 公司研發(fā)的基于PC 的純軟件運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核。SMP 軟件運(yùn)行在裝有Ardence＇s RTX 的Windows 系統(tǒng)下， 通過主計(jì)算機(jī)的CPU 運(yùn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)引擎， 具有閉環(huán)反饋、多軸插補(bǔ)、運(yùn)動(dòng)程序處理和PLC 邏輯運(yùn)算功能?？纱钆銿ersioBus 光纖、Panasonic RTEX、Yaskawa MECHATROLINK、Mitsubishi SSCNET 和FXI－40等多種伺服通訊網(wǎng)絡(luò)［2］。本機(jī)器人控制系統(tǒng)選用FPA－200適配卡與松下A4N 系列伺服系統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng)的通訊平臺(tái)。
2．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
SMP 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為Windows2000 ／XP， 硬件上使用普通PC 或者性能更加穩(wěn)定的IPC， 高速的CPU 內(nèi)核承擔(dān)純軟件方式的運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)和PLC 運(yùn)算， 并通過標(biāo)準(zhǔn)的PCI 插槽與FPA－200 建立總線通信， 經(jīng)由FPA－200 適配卡上面的網(wǎng)絡(luò)接口和光纖接口直接與A4N 伺服驅(qū)動(dòng)及I ／O 進(jìn)行連接。利用CPU 進(jìn)行純軟件運(yùn)算， 節(jié)省了獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制卡和PLC 設(shè)備， 有效地降低了硬件成本。通過FPA－200 的光纖接口， 可進(jìn)一步擴(kuò)展I ／O 模塊， 增加外圍設(shè)備輔助功能。整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。
2．2 SMP 軟件結(jié)構(gòu)
SMP 軟件的底層模塊包含三個(gè)可升級(jí)的實(shí)時(shí)引擎：PLC 引擎、SMP 引擎和SMP 運(yùn)動(dòng)解析器， 三個(gè)引擎相互循環(huán)配合完成運(yùn)動(dòng)控制的運(yùn)算。CPU 給予底層模塊最高優(yōu)先級(jí)待遇。SMP 的上層模塊則用于執(zhí)行SMP 控制器， 如程序的加載、參數(shù)的設(shè)定、文件的管理和用戶界面的運(yùn)行。利用Ardence RTX 對(duì)Windows 進(jìn)行實(shí)時(shí)性擴(kuò)展， SMP Real-Time DLL 中間鏈接層使上層模塊的應(yīng)用程序可實(shí)時(shí)調(diào)用和讀取底層模塊的運(yùn)動(dòng)引擎數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息［2］。
3 機(jī)器人硬件構(gòu)成
機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)由四個(gè)部分組成： 工業(yè)計(jì)算機(jī)和觸摸屏顯示示教盒、FPA－200 RTEX 網(wǎng)絡(luò)適配卡、松下A4N電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人本體。
工業(yè)計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)運(yùn)行的硬件基礎(chǔ)， 示教盒的應(yīng)用軟件界面直接面向?qū)ο蟛僮鳌PA－200 通過IPC 上的標(biāo)準(zhǔn)PCI 插槽與主機(jī)建立總線通信， 適配卡的工作電源同樣由PCI 總線提供。FPA－200 上RX、TX 兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)接口， 利用100Mbit ／s 的以太網(wǎng)絡(luò)將關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)串聯(lián)起來， 并以0．5～1ms 的周期速度對(duì)六個(gè)關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)行高速循環(huán)控制和可編程加減速控制［3］。系統(tǒng)通訊具有極高的響應(yīng)性和穩(wěn)定性。
伺服電機(jī)直接安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)上， 從機(jī)械內(nèi)部走線。在機(jī)器人底部用標(biāo)準(zhǔn)航空插頭與伺服驅(qū)動(dòng)連接。A4N 伺服驅(qū)動(dòng)上的X5 接口提供了豐富的I ／O接點(diǎn)， 通過PLC 編程， 由X5 接口上的I ／O 點(diǎn)完成對(duì)焊槍能設(shè)備的控制， 如圖3 所示。
本系統(tǒng)采用的SMP－850 可實(shí)現(xiàn)8 軸插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)控制。通過FPA－200 的VersioBus 光纖接口擴(kuò)展IM－300 I ／O 模塊，最多可增加到416 輸入輸出點(diǎn)。
4 應(yīng)用軟件開發(fā)
SMP 系統(tǒng)提供了應(yīng)用于Visual C＋＋、Visual Basic 和Java 的應(yīng)用軟件庫接口、MAPI 源代碼和對(duì)引擎內(nèi)核的實(shí)時(shí)調(diào)用DLL 文件。強(qiáng)大的MDK 二次開發(fā)軟件包可方便用戶根據(jù)操作習(xí)慣和實(shí)際需要開發(fā)自己的應(yīng)用軟件。本文介紹的機(jī)器人控制系統(tǒng)選用Visual Basic 軟件作為開發(fā)環(huán)境。
4．1 軟件開發(fā)流程
應(yīng)用軟件的運(yùn)行首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)SMP 系統(tǒng)的初始化和RTX 引擎的啟動(dòng)。SMP 系統(tǒng)的初始化包括SMP 設(shè)備打開和系統(tǒng)參數(shù)加載。系統(tǒng)初始化和RTX 引擎啟動(dòng)成功后， 設(shè)置系統(tǒng)操作模式， 打開中斷循環(huán)并與遠(yuǎn)程設(shè)備建立通訊。程序主循環(huán)過程中斷狀態(tài)正常時(shí)， 打開PLC 引擎并使伺服電機(jī)。在不同操作模式下， 根據(jù)實(shí)際需用編寫界面操作程序。軟件編寫過程中， 通過MDK 二次開發(fā)包提供的MAPI 調(diào)用語句和動(dòng)態(tài)鏈接文件DLL， 可實(shí)時(shí)讀取界面操作所需要的引擎狀態(tài)和系統(tǒng)信息。
4．2 示教操作界面
手動(dòng)示教模式的功能是讓操作人員記錄機(jī)器人位置姿態(tài)并生成焊接軌跡。在機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中， 需要操作人員在手動(dòng)操作模式下移動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)使焊槍末端始終沿著規(guī)定的焊接軌跡移動(dòng)， 然后在示教模式下記錄運(yùn)動(dòng)過程中的關(guān)鍵位置點(diǎn)， 并根據(jù)焊接的要求插入打開焊槍、關(guān)閉焊槍、輸入焊接速度、暫停等功能指令， 最后保存軌跡生成可再現(xiàn)的示教程序［4］。程序中對(duì)焊槍的控制是將M 指令進(jìn)行譯碼后， 交給PLC 引擎運(yùn)算， 并通過PLC 輸出點(diǎn)控制焊槍的開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。示教功能界面如圖5 所示。在自動(dòng)運(yùn)行界面下， 操作者可重復(fù)調(diào)用保存好的示教軌跡程序， 控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)， 完成焊接。
5 結(jié)束語
本文介紹的基于PC 機(jī)和Windows 系統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、系統(tǒng)內(nèi)核升級(jí)方便、應(yīng)用軟件開發(fā)周期短、界面友好等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)6 個(gè)自由度機(jī)器人的聯(lián)動(dòng)控制， 完成了示教編程、參數(shù)設(shè)定， 自動(dòng)運(yùn)行等功能模塊的編程。搭配松下A4N 系列伺服和廣東伺博科NBC－350 二氧化碳?xì)獗：笝C(jī)， 在實(shí)際的焊接應(yīng)用中取得了良好的效果。通過對(duì)焊接速度和焊接電流， 電壓等參數(shù)的調(diào)節(jié)， 焊接質(zhì)量達(dá)到了技術(shù)要求， 軌跡準(zhǔn)確， 焊縫平滑。接下去， 機(jī)器人系統(tǒng)的進(jìn)一步研究工作將主要在以下兩個(gè)方面：
（1） 深入研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度前饋和加減速算法，提高機(jī)器人在高速運(yùn)動(dòng)下的定位精度， 減少振動(dòng)， 保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性；
（2） 建立機(jī)器人三維模型， 研究機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法， 規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)軌跡， 編寫離線編程加工程序。
隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展， 普通的人工勞動(dòng)力已經(jīng)不適合強(qiáng)度高、環(huán)境惡劣的工作要求。而隨著機(jī)器人制造水平的提高， 具有高效率、質(zhì)量穩(wěn)定、通用性強(qiáng)的機(jī)器人已經(jīng)受到越來越多的青睞， 并被廣泛應(yīng)用到柔性制造生產(chǎn)線上。目前， 工業(yè)生產(chǎn)中的搬運(yùn)、焊接、噴涂等繁重工作已經(jīng)逐漸被機(jī)器人所取代， 此外， 特種機(jī)器人在深海探測(cè)、消防救災(zāi)等領(lǐng)域也得到應(yīng)用［1］。早在20 世紀(jì)70 年代， 國(guó)外一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)器人就進(jìn)入了實(shí)用化的階段。經(jīng)過30 多年的研究應(yīng)用與改進(jìn)， 目前無論在技術(shù)水平方面還是裝備數(shù)量上， 以日本和德國(guó)為代表的少數(shù)幾個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)［1］。如瑞典的ABB、日本的川崎重工、德國(guó)的KUKA等。我國(guó)“863” 計(jì)劃已經(jīng)將機(jī)器人的研究列入其中，開發(fā)具有良好穩(wěn)定性和實(shí)用性的機(jī)器人也得到了企業(yè)的廣泛重視。本文主要介紹一種基于SMP 純軟件運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核的機(jī)器人控制系統(tǒng)以及它在焊接方面的實(shí)際應(yīng)用。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
SMP 系統(tǒng)是美國(guó)Soft ServoSystem 公司研發(fā)的基于PC 的純軟件運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核。SMP 軟件運(yùn)行在裝有Ardence＇s RTX 的Windows 系統(tǒng)下， 通過主計(jì)算機(jī)的CPU 運(yùn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)引擎， 具有閉環(huán)反饋、多軸插補(bǔ)、運(yùn)動(dòng)程序處理和PLC 邏輯運(yùn)算功能?？纱钆銿ersioBus 光纖、Panasonic RTEX、Yaskawa MECHATROLINK、Mitsubishi SSCNET 和FXI－40等多種伺服通訊網(wǎng)絡(luò)［2］。本機(jī)器人控制系統(tǒng)選用FPA－200適配卡與松下A4N 系列伺服系統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng)的通訊平臺(tái)。
2．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
SMP 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為Windows2000 ／XP， 硬件上使用普通PC 或者性能更加穩(wěn)定的IPC， 高速的CPU 內(nèi)核承擔(dān)純軟件方式的運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)和PLC 運(yùn)算， 并通過標(biāo)準(zhǔn)的PCI 插槽與FPA－200 建立總線通信， 經(jīng)由FPA－200 適配卡上面的網(wǎng)絡(luò)接口和光纖接口直接與A4N 伺服驅(qū)動(dòng)及I ／O 進(jìn)行連接。利用CPU 進(jìn)行純軟件運(yùn)算， 節(jié)省了獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制卡和PLC 設(shè)備， 有效地降低了硬件成本。通過FPA－200 的光纖接口， 可進(jìn)一步擴(kuò)展I ／O 模塊， 增加外圍設(shè)備輔助功能。整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。
2．2 SMP 軟件結(jié)構(gòu)
SMP 軟件的底層模塊包含三個(gè)可升級(jí)的實(shí)時(shí)引擎：PLC 引擎、SMP 引擎和SMP 運(yùn)動(dòng)解析器， 三個(gè)引擎相互循環(huán)配合完成運(yùn)動(dòng)控制的運(yùn)算。CPU 給予底層模塊最高優(yōu)先級(jí)待遇。SMP 的上層模塊則用于執(zhí)行SMP 控制器， 如程序的加載、參數(shù)的設(shè)定、文件的管理和用戶界面的運(yùn)行。利用Ardence RTX 對(duì)Windows 進(jìn)行實(shí)時(shí)性擴(kuò)展， SMP Real-Time DLL 中間鏈接層使上層模塊的應(yīng)用程序可實(shí)時(shí)調(diào)用和讀取底層模塊的運(yùn)動(dòng)引擎數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息［2］。
3 機(jī)器人硬件構(gòu)成
機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)由四個(gè)部分組成： 工業(yè)計(jì)算機(jī)和觸摸屏顯示示教盒、FPA－200 RTEX 網(wǎng)絡(luò)適配卡、松下A4N電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人本體。
工業(yè)計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)運(yùn)行的硬件基礎(chǔ)， 示教盒的應(yīng)用軟件界面直接面向?qū)ο蟛僮鳌PA－200 通過IPC 上的標(biāo)準(zhǔn)PCI 插槽與主機(jī)建立總線通信， 適配卡的工作電源同樣由PCI 總線提供。FPA－200 上RX、TX 兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)接口， 利用100Mbit ／s 的以太網(wǎng)絡(luò)將關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)串聯(lián)起來， 并以0．5～1ms 的周期速度對(duì)六個(gè)關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)行高速循環(huán)控制和可編程加減速控制［3］。系統(tǒng)通訊具有極高的響應(yīng)性和穩(wěn)定性。
伺服電機(jī)直接安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)上， 從機(jī)械內(nèi)部走線。在機(jī)器人底部用標(biāo)準(zhǔn)航空插頭與伺服驅(qū)動(dòng)連接。A4N 伺服驅(qū)動(dòng)上的X5 接口提供了豐富的I ／O接點(diǎn)， 通過PLC 編程， 由X5 接口上的I ／O 點(diǎn)完成對(duì)焊槍能設(shè)備的控制， 如圖3 所示。
本系統(tǒng)采用的SMP－850 可實(shí)現(xiàn)8 軸插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)控制。通過FPA－200 的VersioBus 光纖接口擴(kuò)展IM－300 I ／O 模塊，最多可增加到416 輸入輸出點(diǎn)。
4 應(yīng)用軟件開發(fā)
SMP 系統(tǒng)提供了應(yīng)用于Visual C＋＋、Visual Basic 和Java 的應(yīng)用軟件庫接口、MAPI 源代碼和對(duì)引擎內(nèi)核的實(shí)時(shí)調(diào)用DLL 文件。強(qiáng)大的MDK 二次開發(fā)軟件包可方便用戶根據(jù)操作習(xí)慣和實(shí)際需要開發(fā)自己的應(yīng)用軟件。本文介紹的機(jī)器人控制系統(tǒng)選用Visual Basic 軟件作為開發(fā)環(huán)境。
4．1 軟件開發(fā)流程
應(yīng)用軟件的運(yùn)行首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)SMP 系統(tǒng)的初始化和RTX 引擎的啟動(dòng)。SMP 系統(tǒng)的初始化包括SMP 設(shè)備打開和系統(tǒng)參數(shù)加載。系統(tǒng)初始化和RTX 引擎啟動(dòng)成功后， 設(shè)置系統(tǒng)操作模式， 打開中斷循環(huán)并與遠(yuǎn)程設(shè)備建立通訊。程序主循環(huán)過程中斷狀態(tài)正常時(shí)， 打開PLC 引擎并使伺服電機(jī)。在不同操作模式下， 根據(jù)實(shí)際需用編寫界面操作程序。軟件編寫過程中， 通過MDK 二次開發(fā)包提供的MAPI 調(diào)用語句和動(dòng)態(tài)鏈接文件DLL， 可實(shí)時(shí)讀取界面操作所需要的引擎狀態(tài)和系統(tǒng)信息。
4．2 示教操作界面
手動(dòng)示教模式的功能是讓操作人員記錄機(jī)器人位置姿態(tài)并生成焊接軌跡。在機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中， 需要操作人員在手動(dòng)操作模式下移動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)使焊槍末端始終沿著規(guī)定的焊接軌跡移動(dòng)， 然后在示教模式下記錄運(yùn)動(dòng)過程中的關(guān)鍵位置點(diǎn)， 并根據(jù)焊接的要求插入打開焊槍、關(guān)閉焊槍、輸入焊接速度、暫停等功能指令， 最后保存軌跡生成可再現(xiàn)的示教程序［4］。程序中對(duì)焊槍的控制是將M 指令進(jìn)行譯碼后， 交給PLC 引擎運(yùn)算， 并通過PLC 輸出點(diǎn)控制焊槍的開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。示教功能界面如圖5 所示。在自動(dòng)運(yùn)行界面下， 操作者可重復(fù)調(diào)用保存好的示教軌跡程序， 控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)， 完成焊接。
5 結(jié)束語
本文介紹的基于PC 機(jī)和Windows 系統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、系統(tǒng)內(nèi)核升級(jí)方便、應(yīng)用軟件開發(fā)周期短、界面友好等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)6 個(gè)自由度機(jī)器人的聯(lián)動(dòng)控制， 完成了示教編程、參數(shù)設(shè)定， 自動(dòng)運(yùn)行等功能模塊的編程。搭配松下A4N 系列伺服和廣東伺博科NBC－350 二氧化碳?xì)獗：笝C(jī)， 在實(shí)際的焊接應(yīng)用中取得了良好的效果。通過對(duì)焊接速度和焊接電流， 電壓等參數(shù)的調(diào)節(jié)， 焊接質(zhì)量達(dá)到了技術(shù)要求， 軌跡準(zhǔn)確， 焊縫平滑。接下去， 機(jī)器人系統(tǒng)的進(jìn)一步研究工作將主要在以下兩個(gè)方面：
（1） 深入研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度前饋和加減速算法，提高機(jī)器人在高速運(yùn)動(dòng)下的定位精度， 減少振動(dòng)， 保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性；
（2） 建立機(jī)器人三維模型， 研究機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法， 規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)軌跡， 編寫離線編程加工程序。
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