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1 引言 隨著現代工業的迅速發展， 普通的人工勞動力已經不適合強度高、環境惡劣的工作要求。而隨著機器人制造水平的提高， 具有高效率、質量穩定、通用性強的機器人已經受到越來越多的青睞， 并被廣泛應用到柔性制造生產線上。目前， 工業生產中的搬運、焊接、噴涂等繁重工作已經逐漸被機器人所取代， 此外， 特種機器人在深海探測、消防救災等領域也得到應用［1］。早在20 世紀70 年代， 國外一些工業發達國家的機器人就進入了實用化的階段。經過30 多年的研究應用與改進， 目前無論在技術水平方面還是裝備數量上， 以日本和德國為代表的少數幾個工業發達國家都具有絕對的優勢［1］。如瑞典的ABB、日本的川崎重工、德國的KUKA等。我國“863” 計劃已經將機器人的研究列入其中，開發具有良好穩定性和實用性的機器人也得到了企業的廣泛重視。本文主要介紹一種基于SMP 純軟件運動控制內核的機器人控制系統以及它在焊接方面的實際應用。 2 系統總體結構 SMP 系統是美國Soft ServoSystem 公司研發的基于PC 的純軟件運動控制內核。SMP 軟件運行在裝有Ardence＇s RTX 的Windows 系統下， 通過主計算機的CPU 運行實時運動引擎， 具有閉環反饋、多軸插補、運動程序處理和PLC 邏輯運算功能。可搭配VersioBus 光纖、Panasonic RTEX、Yaskawa MECHATROLINK、Mitsubishi SSCNET 和FXI－40等多種伺服通訊網絡［2］。本機器人控制系統選用FPA－200適配卡與松下A4N 系列伺服系統構建系統的通訊平臺。 2．1 系統整體結構 SMP 系統運行環境為Windows2000 ／XP， 硬件上使用普通PC 或者性能更加穩定的IPC， 高速的CPU 內核承擔純軟件方式的運動插補和PLC 運算， 并通過標準的PCI 插槽與FPA－200 建立總線通信， 經由FPA－200 適配卡上面的網絡接口和光纖接口直接與A4N 伺服驅動及I ／O 進行連接。利用CPU 進行純軟件運算， 節省了獨立的運動控制卡和PLC 設備， 有效地降低了硬件成本。通過FPA－200 的光纖接口， 可進一步擴展I ／O 模塊， 增加外圍設備輔助功能。整體結構圖如圖1 所示。 2．2 SMP 軟件結構 SMP 軟件的底層模塊包含三個可升級的實時引擎：PLC 引擎、SMP 引擎和SMP 運動解析器， 三個引擎相互循環配合完成運動控制的運算。CPU 給予底層模塊最高優先級待遇。SMP 的上層模塊則用于執行SMP 控制器， 如程序的加載、參數的設定、文件的管理和用戶界面的運行。利用Ardence RTX 對Windows 進行實時性擴展， SMP Real-Time DLL 中間鏈接層使上層模塊的應用程序可實時調用和讀取底層模塊的運動引擎數據和系統狀態信息［2］。 3 機器人硬件構成 機器人的硬件結構由四個部分組成： 工業計算機和觸摸屏顯示示教盒、FPA－200 RTEX 網絡適配卡、松下A4N電機及伺服驅動器和機器人本體。 工業計算機是系統運行的硬件基礎， 示教盒的應用軟件界面直接面向對象操作。FPA－200 通過IPC 上的標準PCI 插槽與主機建立總線通信， 適配卡的工作電源同樣由PCI 總線提供。FPA－200 上RX、TX 兩個網絡結構接口， 利用100Mbit ／s 的以太網絡將關節伺服驅動串聯起來， 并以0．5～1ms 的周期速度對六個關節伺服驅動實行高速循環控制和可編程加減速控制［3］。系統通訊具有極高的響應性和穩定性。 伺服電機直接安裝在機器人關節上， 從機械內部走線。在機器人底部用標準航空插頭與伺服驅動連接。A4N 伺服驅動上的X5 接口提供了豐富的I ／O接點， 通過PLC 編程， 由X5 接口上的I ／O 點完成對焊槍能設備的控制， 如圖3 所示。 本系統采用的SMP－850 可實現8 軸插補聯動控制。通過FPA－200 的VersioBus 光纖接口擴展IM－300 I ／O 模塊，最多可增加到416 輸入輸出點。 4 應用軟件開發 SMP 系統提供了應用于Visual C＋＋、Visual Basic 和Java 的應用軟件庫接口、MAPI 源代碼和對引擎內核的實時調用DLL 文件。強大的MDK 二次開發軟件包可方便用戶根據操作習慣和實際需要開發自己的應用軟件。本文介紹的機器人控制系統選用Visual Basic 軟件作為開發環境。 4．1 軟件開發流程 應用軟件的運行首先要實現對SMP 系統的初始化和RTX 引擎的啟動。SMP 系統的初始化包括SMP 設備打開和系統參數加載。系統初始化和RTX 引擎啟動成功后， 設置系統操作模式， 打開中斷循環并與遠程設備建立通訊。程序主循環過程中斷狀態正常時， 打開PLC 引擎并使伺服電機。在不同操作模式下， 根據實際需用編寫界面操作程序。軟件編寫過程中， 通過MDK 二次開發包提供的MAPI 調用語句和動態鏈接文件DLL， 可實時讀取界面操作所需要的引擎狀態和系統信息。 4．2 示教操作界面 手動示教模式的功能是讓操作人員記錄機器人位置姿態并生成焊接軌跡。在機器人的實際應用中， 需要操作人員在手動操作模式下移動機器人關節使焊槍末端始終沿著規定的焊接軌跡移動， 然后在示教模式下記錄運動過程中的關鍵位置點， 并根據焊接的要求插入打開焊槍、關閉焊槍、輸入焊接速度、暫停等功能指令， 最后保存軌跡生成可再現的示教程序［4］。程序中對焊槍的控制是將M 指令進行譯碼后， 交給PLC 引擎運算， 并通過PLC 輸出點控制焊槍的開始點和結束點。示教功能界面如圖5 所示。在自動運行界面下， 操作者可重復調用保存好的示教軌跡程序， 控制機器人運動， 完成焊接。 5 結束語 本文介紹的基于PC 機和Windows 系統的機器人控制系統具有運行穩定、系統內核升級方便、應用軟件開發周期短、界面友好等優點。本系統實現了對6 個自由度機器人的聯動控制， 完成了示教編程、參數設定， 自動運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 二氧化碳氣保焊機， 在實際的焊接應用中取得了良好的效果。通過對焊接速度和焊接電流， 電壓等參數的調節， 焊接質量達到了技術要求， 軌跡準確， 焊縫平滑。接下去， 機器人系統的進一步研究工作將主要在以下兩個方面： （1） 深入研究機器人運動的速度前饋和加減速算法，提高機器人在高速運動下的定位精度， 減少振動， 保證機器人運動的平穩性； （2） 建立機器人三維模型， 研究機器人逆運動學算法， 規劃機器人的空間運動軌跡， 編寫離線編程加工程序。 |
