采用航空插頭的SMP運動控制內(nèi)核機器人控制系統(tǒng)
1 引言 隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展， 普通的人工勞動力已經(jīng)不適合強度高、環(huán)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(zhì)量穩(wěn)定、通用性強的機器人已經(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、焊接、噴涂等繁重工作已經(jīng)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(zāi)等領(lǐng)域也得到應(yīng)用[1].早在20 世紀70 年代，國外一些工業(yè)發(fā)達國家的機器人就進入了實用化的階段。經(jīng)過30 多年的研究應(yīng)用與改進，目前無論在技術(shù)水平方面還是裝備數(shù)量上，以日本和德國為代表的少數(shù)幾個工業(yè)發(fā)達國家都具有絕對的優(yōu)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(jīng)將機器人的研究列入其中，開發(fā)具有良好穩(wěn)定性和實用性的機器人也得到了企業(yè)的廣泛重視。本文主要介紹一種基于SMP 純軟件運動控制內(nèi)核的機器人控制系統(tǒng)以及它在焊接方面的實際應(yīng)用。 2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) SMP 系統(tǒng)是美國Soft ServoSystem 公司研發(fā)的基于PC 的純軟件運動控制內(nèi)核。SMP 軟件運行在裝有Ardence's RTX 的Windows 系統(tǒng)下， 通過主計算機的CPU 運行實時運動引擎， 具有閉環(huán)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(wǎng)絡(luò)[2].本機器人控制系統(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。 2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) SMP 系統(tǒng)運行環(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(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)動及I /O 進行連接。利用CPU 進行純軟件運算， 節(jié)省了獨立的運動控制卡和PLC 設(shè)備， 有效地降低了硬件成本。通過FPA-200 的光纖接口， 可進一步擴展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(huán)配合完成運動控制的運算。CPU 給予底層模塊最高優(yōu)先級待遇。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(yīng)用程序可實時調(diào)用和讀取底層模塊的運動引擎數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息[2]. 3 機器人硬件構(gòu)成 機器人的硬件結(jié)構(gòu)由四個部分組成： 工業(yè)計算機和觸摸屏顯示示教盒、FPA-200 RTEX 網(wǎng)絡(luò)適配卡、松下A4N電機及伺服驅(qū)動器和機器人本體。 工業(yè)計算機是系統(tǒng)運行的硬件基礎(chǔ)， 示教盒的應(yīng)用軟件界面直接面向?qū)ο蟛僮?。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(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)動串聯(lián)起來， 并以0.5~1ms 的周期速度對六個關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動實行高速循環(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。 伺服電機直接安裝在機器人關(guān)節(jié)上， 從機械內(nèi)部走線。在機器人底部用標準航空插頭與伺服驅(qū)動連接。A4N 伺服驅(qū)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(shè)備的控制， 如圖3 所示。 本系統(tǒng)采用的SMP-850 可實現(xiàn)8 軸插補聯(lián)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(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 源代碼和對引擎內(nèi)核的實時調(diào)用DLL 文件。強大的MDK 二次開發(fā)軟件包可方便用戶根據(jù)操作習(xí)慣和實際需要開發(fā)自己的應(yīng)用軟件。本文介紹的機器人控制系統(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)用軟件的運行首先要實現(xiàn)對SMP 系統(tǒng)的初始化和RTX 引擎的啟動。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 引擎啟動成功后， 設(shè)置系統(tǒng)操作模式， 打開中斷循環(huán)并與遠程設(shè)備建立通訊。程序主循環(huán)過程中斷狀態(tài)正常時， 打開PLC 引擎并使伺服電機。在不同操作模式下， 根據(jù)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(fā)包提供的MAPI 調(diào)用語句和動態(tài)鏈接文件DLL, 可實時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 手動示教模式的功能是讓操作人員記錄機器人位置姿態(tài)并生成焊接軌跡。在機器人的實際應(yīng)用中， 需要操作人員在手動操作模式下移動機器人關(guān)節(jié)使焊槍末端始終沿著規(guī)定的焊接軌跡移動， 然后在示教模式下記錄運動過程中的關(guān)鍵位置點， 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(jié)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(fù)調(diào)用保存好的示教軌跡程序， 控制機器人運動， 完成焊接。 5 結(jié)束語 本文介紹的基于PC 機和Windows 系統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、系統(tǒng)內(nèi)核升級方便、應(yīng)用軟件開發(fā)周期短、界面友好等優(yōu)點。本系統(tǒng)實現(xiàn)了對6 個自由度機器人的聯(lián)動控制， 完成了示教編程、參數(shù)設(shè)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(yīng)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(shù)的調(diào)節(jié)， 焊接質(zhì)量達到了技術(shù)要求， 軌跡準確， 焊縫平滑。接下去， 機器人系統(tǒng)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(wěn)性； ?。?） 建立機器人三維模型， 研究機器人逆運動學(xué)算法， 規(guī)劃機器人的空間運動軌跡， 編寫離線編程加工程序。
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