控制理论与控制工程硕士论文-RV16开放式焊接机器人控制系统的设计与实现.pdf

东南大学 硕士学位论文 rv16开放式焊接机器人控制系统的设计与实现 姓名：陈萌 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：达飞鹏 20080301 摘要 摘要 焊接机器人技术在各个行业得n t 广泛应用，已经成为自动化生产的主要组成部 分。计算机技术与控制方法的快速发展，大大拓展了机器人技术应用的灵活性，更是对 控制系统的性能、系统的结构体系等多方面产生了非常深刻的影响。机器人控制系统由 封闭式向开放式结构转变成为一种趋势。 本论文以实现开放式焊接机器人的控制要求为中心，详细阐述了控制系统的设计与 实现过程。首先介绍了焊接机器人的发展背景、国内外的研究现状以及开放式机器人控 制系统的研究意义。接着通过对开放式控制器的定义、特点和o s a c a ，o m a c 以及o s e c 规范的分析，并结合本课题的实际需求，进行了系统的结构与总体方案设计，分析了主 要器件的选型。 在系统分析的基础上，本文接下来对以工控机和p m a c 运动控制卡为核心的控制系 统硬件部分进行了设计，其中包括机器人控制柜，逻辑控制板等电路的详细设计以及有 关p m a c 卡，伺服驱动器的详细设置，连接方法。同时还对机器人控制系统底层软件进 行了设计，编程实现了机器人运动程序和p m a c 卡p l c 程序。 然后本文说明了机器人用户伺服算法实现的意义，对于本系统中用户伺服算法的实 现进行了研究，提出了三种可行的实现方法。针对系统控制器内置伺服算法的不足，本 文引入了基于模型偏差补偿控制原理的轨迹跟踪算法并通过仿真对这一算法在本系统 中的应用做了深入分析，给出了结论。 最后对课题过程中的工作内容做了总结并就系统的进一步优化以及下一阶段的研 究方向提出了一些展望。本文提出的开放式机器人控制系统体系结构以及实现方式，适 用于许多工业机器人控制的场合，具有良好的应用前景 关键词： 焊接机器人，开放式控制器，p m a c ，用户伺服算法，模型偏差补偿控制 a b s t r a c t a b s t r a c t w e l d i n gr o b o tt e c h n i q u ei so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so fa u t o m a t i cp r o d u c t i o na n dh a s b e e nw i d e l ya p p l i e di ne a c hi n d u s t r yf i l e d w i 山t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u e a n dc o n t r o lm e t h o d , n o to n l yt h ea p p l i c a t i o na d a p t a b i l i t yo f r o b o tt e c h n i q u eh a db e e ng r e a t l y w i d e n e d , b u ta l s oi th a dh a dap r o f o u n di n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c ea n dt h es l t u a 岫o f c o n t r o ls y s t e r m n er o b o tc o n t r o ls y s t e r mc h a n g e df r o mc l o s et oo p b e c o m i n ga 仃e n d t l l i sp a p e rf o c u s e do nm e e t i n gt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so f 锄o p e na r c h i t e c t u r ew e l d i n g r o b o t d i s c u s s e di nd e t a i lt h ed e s g i na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e r m f i r s t , t h i s p a p e ri n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n do ft h ew e l d i n gr o b o t , p r e s e n tr e s e a r c hc o n d i t i o n s ，a n dt h e s i g n i f i c a n c eo fs t u d yo nt h eo p e na r c h i t e c t u r er o b o te o n t r o ls y s t e r m a sf o l l o w , t h ed e f i n i t i o n a n dc h 刮a c t e r i s t i co fo p e na r c h i t e c r t r ec o n t r o l l e rf o rr o b o tw a si n t r o d u c e d n o to n l yo nt h e b a s eo f t b ea n a l y s i so f t h r e ec r i t e r i o n s ：0 s a c a ，0 m a ca n d0 s e c b u ta l s oa c c o r d i n gt ot h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t , a na r c h i t e c t u r a ld e s i g no ft h es y s t e mw a sm a d ea n dt h et y p es e l e c t i o n o f m a i ne q u i p m e n tw a sa n a l y s e d o nt h eb a s i so f t h ea n a l y s i so f t h es y s t e m t h eh a r d w a r eo f t h ec o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d w i t ht h ec o 陀o f i p ca n dp m a cm o t i o nc o n t r o lc a r d 1 1 地c i r c u i t so f r o b o tc o n t r o lc a b i n e ta n d l o g i cc o n t r o lb o a r dw a sd e s i g n e dd e t a i l e d l y t h es e t t i n g sa n dc o n n e c t i o nm e t h o do fb o t h p m a cc a r da n ds e r v od r i v ew e i “ cg i v e n a l s ot h eb o t t o ms o f t w a r eo ft h er o b o tc o n t r o l s y s t e r mw a sd e s i g n e db yp r o g r a m i n gt h er o b o tm o t i o nc o n t r o lp r o g r a ma n dt h ep l cp r o g r a m o fp n “蛇c a r d t h e n , t h ep a p e rm a d ear e s e a r c ho nu s e r - d e f i n e ds e r v of l g o r i t h mb e c a u s eo fi t si m p o r t a n c e i na c t u a la p p l i c a t i o n s a n dt h r e ef e a s i b l em c t h o 出哦a d v i s e db ya u t h o rf o ri m p l e m e n t a t i o no f t h er o b o ts y s t e m e s p e c i a l l y , an e w 订a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nt h em o d e l e d d e v i a t i o nc o m p e n s a t i n gp r i n c i p l ew a ss t u d i e di no r d e rt oi m p r o v et h ec o r l t r o le f f e c tb y o r i g i o n a la l g o r i t h m t h et h es i m u l m i o nr e s u l t si n d i c a t e st h a tt h i sn e wa l g o r i t h ms h o u l db e e f f c i e n ti nt h ea p p l i c a t i o no f t h es y s t e m i n t h ee n d a l lh a s k so ft h ep a p e rw e r es u m m a r i z e d , t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f c o n t i n u i n gt a s k sa n dd e v e l o p m e n to fr o b o ts y s t e m e x p e c t a t i o nw a sp r e s e n t e d 1 1 忙a p p r o a c h t h ep a p e rp r o p o s e dh a sw i d e ra d a p t a b i l i t i e sf o r t h ec o n t r o lo v e ri n d u s t r i a lr o b o t i c s k e y w o r d s ：w e l d i n gr o b o t , o p e n a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r , p m a c ，u s e r - d e f i n e d 辩i v o a l g o d t h r n ，m o d e l e dd e v i a t i o nc o m p e n s a t i n gp r i n c i p l e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：j 丝乱导师签名： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 机器人作为现代制造业的主要自动化装备，已经广泛应用于汽车、摩托车、工程机械等行业， 其中焊接是工业机器人的主要应用领域。根据国际机器人联合会( i f r ) 和联合国欧洲经济委员会 ( e c e ) 估计，至2 0 0 4 年底全球运行的工业机器人数量在最小值8 4 8 万台至晟大值1 1 2 万台之间。 预计2 0 0 8 年，北美地区运行的多功能工业机器人将达到1 5 6 万台欧洲为3 4 8 万台其中用于各 种焊接作业的焊接机器人占4 5 以上。 1 2 焊接机器人技术简介 焊接机器人是从事焊接的工业机器人。根据国际标准化组织( i s o ) 工业机器人术语标准的定义， 工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机( m a n i p u l a t o r ) ，具有三个或更多可编 程的轴，用于工业自动化领域焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体 和控制柜( 硬件及软件) 组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由悍接电源、送丝机( 弧焊) 、 焊枪( 钳) 等部分组成。焊接机器人的应用不但可以改善劳动环境、减轻劳动强度、提高生产效率， 稳定和保证焊接质量、节约原材料，而且能在空间站建设、核能设备维修、深水焊接等极限条件下 完成人工难以进行的焊接作业。同时，焊接机器人的应用也使多品种、小批量的自动化焊接生产成 为可能。由于实际生产的需要，机器人焊接系统正在由单机器人向机器人柔性加工单元和机器人柔 性加工生产线发展。目前，国外已有大量的焊接机器人系统应用于各类自动化生产线上“1 1 1 - 3 国内外研究现状 在国外，工业焊接机器人技术日趋成熟已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相 继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，他们包括瑞典的a b br 0 b o t i c s ，日本的f a n u c 、 y a s k a w a ，德国的k u i ( ar o b o t e r ，美国的a d e p tt e c h e n o l o g y 、a e r i c a n r o b o t e r 、e j e r s o ni n d u s t r i a l a u t o m a t i o n 、s tr o b o t i c s ，意大利c o m a u ，英国的a u t o t e c hr o b o t i c s ，加拿大的j c di n t e r n a t i o n a l r o b o t i c s ，以色列的r o b o g r o u pt e k 公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。 我国开发工业焊接机器人晚于美国和日本，起于2 0 世纪7 0 年代，早期是大学和科研院所的自 发性的研究。到5 0 年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外工业机器人已经是个非常 成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。基于这在1 9 8 6 年将发展特种焊接机器人列入国家 “8 6 3 ”高科技计划。经过二十多年的持续努力，以哈尔滨工业大学和沈阳自动化所在蔡鹤皋院士主 持下设计制造的h t i o o a 型点焊机器人，于1 9 9 8 年2 月第一台上线应用于解放牌 车的后风窗点焊， 和1 9 9 8 年5 月第二台上线应用于红旗轿车焊接线上为标志，我国焊接机器人的研究在基础技术、控 制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并进入应用化阶段形成了点焊、弧焊机器人系列产 品，能够实现小批量生产”1 。 1 4 本课题的研究意义 目前商品化的焊接机器人系统大多采用封闭结构的专用控制器、采用专用计算机作为上层主控 计算机、使用专用机器人语言作为离线编程工具、采用专用控制器进行各关节伺服控制，并将控制 东南大学硕士学位论文 算法固化在e p r o m 中。这种封闭系统很难( 或不可能) 进行修改。然而，现代化工业生产和机器人 研究对机器人控制器开放性的要求越来越迫切，制造业要求工业机器人具有更大的柔性和更强大的 编程环境，适应不同的应用场合和多品种小批量的生产；计算机集成制造( c i m ) 要求机器人能和车 间中的其它自动化设备集成在一起：研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人 控制器具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。解决这些问题的根本办法是研究和使用开放结 构的机器人控制器 开放结构控制器能大大提高系统的柔性、可配置性、可扩展性、交互性、可交换性、可移植性、 可伸缩性、可靠性和复用性。与传统的专用系统相比，开放式机器人控制器的优点主要有： 1 开放式机器人控制器的设计可以由用户或第三方开发人员更换或修改，用户可以根据需要进 行机器人控制器改型，开放式机器人系统的应用范甬更广； 2 硬件和软件结合很容易集成外部传感器、操作接口( 如力反射) 、新的伺服控制规律等； 3 开放式机器人控制器采用模块化技术，开发机器人系统的过程中可以使用经过测试、性能良 好的子系统模块功能模块的复用可以降低开发成本，提高系统的质量和安全性能保证控制器能 满足需求，不会产生意想不到的致命错误，使机器人系统安全性能得到可靠的保证。采用通用模块 使得重复性的开发工作大大减少。简化了编程_ 丁作从而减少了整个系统开发的时间和成本； 4 开放式控制器便于实现平台、操作系统和用户接口的标准化。通用开放式控制器具有减少培 训需求、降低系统支持需求和减少维护成本的前景： 5 硬件和软件实现的开放式方法使得任何符合接口标准的第三方硬件和软件包都可以添加到系 统中或替换功能相同的部件，从而刺激系统供应商之间的竞争。通过竞争，一方面用户可以获得更 丰富的硬件和软件资源，降低实现成本，另一方面也加速了从研究系统向可操作系统的转化，这样 缩短了从研究到商品化产品的周期。 本课题所研究设计的r v l 6 焊接机器人控制系统具有开放式的控制器体系结构，适用于许多工业 机器人控制的场合，具有良好的应用前景。 1 5 本论文的主要工作与结构 本文研究的目的在于设计实现一套具有开放结构的6 自由度焊接机器人控制系统，实现满足机 器人焊接作业的运动控制。论文的章节安排如f ： 第一章是绪论，介绍该课题的背景和意义、目前国内外工业焊接机器人的发展现状。 第二章介绍了开放式机器人控制器的定义以及发达国家制定的一些开放式控制器的标准，对开 放式机器人控制系统的主要需求、控制系统结构进行了分析，根据选用的系统结构，设计了控制器 的总体方案。 第三章根据选定的系统方案，设计和实现了控制系统硬件部分，完成了控制系统硬件平台的搭 建。 第四章论述控制系统底层软件设计及实现。主要从底层的机器人运动程序和p l c 程序两方面介绍 了各自的功能以及设计方案。 第瓦章首先说明了机器人用户伺服算法实现的意义接着对于本系统中用户伺服算法的实现进 行了研究，提出了三种可行的实现方法。并针对系统控制器内置伺服算法的不足引入了基于模型 偏差补偿控制原理的轨迹跟踪算法。最后通过仿真对这一算法在本系统中的应用做了深入分析给 出了分析结论。 - 2 - 第二章机器人控翻系统总体设计 第二章机器人控制系统总体设计 2 1 控制系统的需求分析 机器人要完成焊接作业，必须依赖于控制系统与辅助设备的支持和配合。对于较复杂的弧焊机 器人系统而言，焊接操作实质上是复杂的空间位移、相适应的焊枪姿态和优选的工艺参数的协调合 成。作为整个弧焊机器人系统的核心，控制器是决定机器人焊接作业性能好坏的关键。但是现在真 正应用到生产实际中的焊接机器人系统从整体上看基本属于第一代机器人，工作前要求操作者通过 示教盒控制机器人各关节的运动，采用逐点示教的方式来实现焊枪空间位姿的定位和记录。这种焊 接机器人在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制的功能，缺乏“柔性”，表现出下述明显缺点： ( 1 ) 不具备适应焊接对象和任务变化的能力； ( 2 ) 对复杂形状的焊缝编程效率低占用大量生产时间： ( 3 ) 不能对焊接动态过程实时检测控制无法满足对复杂焊件的高质量和高精度焊接要求。 针对上述缺点，在要求控制系统硬件除了具备六自由度焊接机器人基本控制功能外( 在机器人 可达空间内通过示教再现，可以实现空间任意轨迹的示教和再现并且能够在基础坐标系、工具 坐标系等坐标系内实现直线、圆弧、关节的插补运动结合工具手，可以实现焊接、切割、搬运等 不同类型的工作) ，还应有如下要求： ( 1 ) i o 控制：具有d i 、d 0 、 i 、a o 接口； ( 2 ) 多通道安全冗余设计； ( 3 ) 电机刹车检测功能： ( 4 ) 通信与网络功能：能配置c a n b u s 、p r o f i b u s ( 或其他总线) 通信方式，具有以太网络通信 功能u s b 功能，r s 2 3 2 r s 4 2 2 串行口i ( 5 ) 满足前述的硬件设计要求，并为后续扩展留有余地和接口。 为达到以上的设计需求，本课题的机器人控制系统设计必须采用开放式的控制体系结构，这同 样也是工业机器人控制器未来发展的主流趋势。 2 2 开放式机器人的控制器体系结构 根据i e e e 对“开放”的官方定义开放系统应满足系统的应用能在不同的平台之间移植，能与 其它应用系统交互，为用户提供移植的交互方案。l o t h a rr o s s o l 认为开放系统应该运行在商品化 的标准计算机硬件和操作系统上，具有开放的硬件和软件接口以及标准工业用户图形界面。p e t e r m o n l e y 认为开放系统应该基于标准计算机体系( 如v i e 或i s 总线) 和标准处理器( 如m o t o r o l a 6 8 0 x 0 、p o w e r p c 或基于i n t e li x 8 6 p e n t i u 的系统) ，运行于u n i x 或v i n d o w sn t 等标准操作系 统，采用v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 或c c + + 和x + m o t i f 等标准语言编程，控制软件允许集成新 的控制算法，如运动学、力控、运动和i 0 子系统等”1 。 现阶段对开放式机器人控制器已有的的研究r 作集中于机器人控制结构的定义、实现系统部件 的模块化、接口的标准化、提高软件代码的复用性、效率、可维护性、正确性以及程序的易读性、 为用户提供方便的任务描述和编科环境孳。这些研究工作的目的是提高控制系统的开放性和交互性， 便于进行任何机器人控制研究如综合和使用外部传感器，轨迹规划和生成，伺服控制算法研究， 提高系统的可配置性和可扩展性，便于修改和扩展系统以适应新的应用，提供一致友好的用户口。 i l l i a ne f o r d 总结了开放式机器人控制器的主要思想”1 ：( 1 ) 使_ h j 基于非专用计算机平台 ( 如p c ，s u n ) 的开发系统：( 2 ) 使用标准的操作系统( 如w i n d o w s u n i x ) 和标准的控制语言( 如 东南大学硕士学位论立 c c + + ，v b ) ；( 3 ) 硬件基于标准总线结构( 如i s a , p c 1 0 4 ，s t d ) ，能够与各种外围设备和传感器接 口；( 4 ) 使用网络策略，实现远程通讯，并允许对机器人远程操作。 一些发达国家以设计生产开放式控制系统为目标，对开放式体系结构作了大量的开发研究工作， 相继推出了各自的开放式体系结构规范，主要工作集中于定义一个与实现平台无关的抽象模型，如 美国的n g c 和( m a c 计划、欧盟的o s a c a 计划、日本的o s e c 计划等。 n g c ( n e x t g e n e r a t i o n c o n t r o l l e r ) 计划是由美国空军赞助、m a r t i n m a r i e t t a 公司实施的开 放系统结构标准的规范，目的是制定一套新一代开放式控制系统的规范，开发符合n i g c 规范的产品， 提供n g c 标准化的成果。n g c 的体系结构，是在虚拟机械基础上把子系统和模块链接到计算机平台 上。它包括三个概念：集成化的结构、应用程序集和集成配置环境，并且采用由术语：责任、要求 和产品表示的模块结构来代替应用程序。该计划已于1 9 9 4 年完成了n g c 原型研究，并已转入工业开 发应用。例如美国f o r d 、锄和c h r y s l e r 等公司在n g c 计划的指导f ，联台提出了咖a c ( o p e n m o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 开发计划，提出了系统基础框架，信息库管理、任务调度、人机接口、 运动控制、传感器接口等构造了完整体系结构。该计划的实现将使系统制造厂、机床厂和最终用户 分别从缩短开发周期、降低开发费用、便于系统集成和二次开发、简化系统使用和维护等方面受益。 c i n c i n n a t iw i l a c r o n 从1 9 9 5 年开始在其所生产的加工中心、铣床、车床及激光加工等设备中采用 开放式体系结构的a 2 1 0 0 系统( 应用双处理器组成，w i n d o w sn t 操作系统的多任务、多过程、多功 能的开放式系统) ，还有d e l t at u 公司利用n g c 和0 札a c 等协议，采用p c 机+ p 缸a c 控制卡构成的p 砒c 开放式c n c 系统获得了良好的应用效果。 o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 计划是以德国 机床制造联合会( v d w ) 为主，协同欧盟2 0 余家厂商及科研机构于1 9 0 年共同发起的。( ) s a c a 的总 体构想是将新型控制系统建立在一个新的体系结构上这种控制器的特点是开放。事实上，o s a c a 是参照了开放式系统互连模型而提出一个。分层的系统平台+ 结构化的功能单元”的体系结构，又把 控制软件作为应用软件来考虑的一种分层的参考体系结构。o s a c a 控制系统的体系结构可分为两部 分：应用软件和系统平台。应片j 软件即控制系统所包括的各个功能模块即 o ( a r c h i t e c t u r e 0 b j e c t ) 。应用软件的第一层定义了五个主要方面，其他层次则依实际情况而定，如图2 一l 所示。a o 之间通过o s a c a 的通讯系统可相互操作，通过o s a c a 提供的_ p 1 接口可运行于不同的平台之上系 统平台包括系统软件( 操作系统、通讯系统、设备驱动器等) 和系统硬件( 处理器、i 0 扳等) 如 图2 - 2 所示。系统平台通过应用程序接口( a p i ) 向外提供服务，a p i 隐藏了系统平台实现的内部机 制使得a o 能运行于不同的平台之上 i 圈匿团匝 墨盏i i 功t d | 矗牟一- | | h 鲁l l - 仆 i ：圈巨 舭黼m 埘 图2 一lo s a c a 控制功能结构 图2 - 2o s a c a 系统平台 o s a c a 计划事实上分三个阶段：o s a c ai 、o s a c ai i 和i d a so s a c a 。o s a c ai 完成了规范和应 用指南的制定；o s a c ai i 则为系统平台提供了软件模块储组合( s o f t w a r em o d u l ep 0 0 1 ) ，包括开 发一个标准的、通用的o s a c a 系统平台及一系列的标准组件；i d a so s a c a ( i n f o r m a t i o n d i s s e m i n a t i o na n da w a r e n e s sa c t i o n ) 则致力于推广o s a c a 的思想及与其他开放系统组织如( m a c 、 0 s e c 进行交流。截止目前o s a c a 计划的三个阶段的工作全部完成。 d 第二章机器人控制系统总体设计 日本在1 9 9 5 年由机床制造商和信息、电子产品企业组建了o s e 协会，开展名为o s e c ( o p e ns y s t e m e n v i r o n m e n tf o r c o n t r o l l e r a r c h i t e c t u r e ) 的研究。项目分两步进行，第一步是“0 s e c - i 设计” 的研究，议论的中心问题是开放式控制器的意义和方向，提出了f a d l 语言。其实质是建立一种有多 家公司支持的中性语言以这种中性语言作为用户与控制器的交互界面。第二步是“0 6 e c - i i 设计” 的研究，目标是达到能实际安装的完成度高的体系结构。在o s e c i i 中，f a d l 语言进一步发展为0 s e l 语言，它将终端用户和机械厂家积累的生产技术做成软件包的形式，是一种具有可重复利用特性的 新的n c 语言” 在详细研究了国外的先进控制体系结构的前提下。”结合项目的实际需求以及开发成本，产 品成熟度等综合考虑，本课题设计选用了结合美国o m a c 计划及欧洲o s a c a 计划特点的工业p c 机+ 运动控制卡的开放式控制器体系。通过体系结构设计，可以从总体上对机器人控制器设计进行把握， 并对具体细节的实现起导向作用。 t 业以太网 图2 - 3 本文所选用的控制器体系结构示意图 如图2 - 3 所示本课题所选用的结构中开发平台基于标准p c 、硬件基于标准总线( 如i s a 、p c i 、 p c 1 0 4 等) ，网络连接使用以太网。该结构主要由示教盒、p c 、运动控制 、伺服放大器等构成， 相互间接口简要分析如下： ( 1 ) 示教盒连接至p c ，提供用户机器人操作的手持终端，示教盒主要完成键值采集和液晶屏显 示控制功能。示教盒采集键值后发送至p c 机p c 机根据键值做相应处理；示教盒液晶屏显示控制 功能则根据主机返同信息控制液晶屏做相应的信息显示。 ( 2 ) p c 与运动控制卡之间通过总线或者双端r a m 通讯。运动控制悟进行闭环控制( 位置、转速) ， 完成高实时性、高时钟精度的伺服计算功能，p c 机则完成人机接口功能以及其他一些低实时性要求 5 东南大学硕士学位论文 的计算任务，如：示教盒通讯、以太网通讯、轨迹规划、轨迹插补等。p c 和运动控制卡间以给定位 置序列作为接1 3 ：p c 发送给定位置序列至运动控制卡，运动控制卡完成匹配给定位置序列的闭环伺 服控制。 ( 3 ) 伺服放大器根据运动控制卡给定的控制量对电机进行相应伺服控制，如转速控制、力矩控制。 ( 4 ) p c 机与以太网连接以实现机器人网络控制。 2 3 控制系统器件选型分析 本节的主要内容是在己设计好的开放式机器人控制体系结构下，对搭建控制系统所需的主要器 件的选型分析。 2 3 1 机器人控制系统上位控制计算机的选择 从第一台数控铣床出现后，随着电子技术、计算机技术以及伺服控制技术的发展，现代的数控 系统在性能、功能、稳定性和处理速度方面都有很大的改善。但现代制造业对加工精度、速度和适 应市场能力的提高。也导致了控制系统的软件功能复杂性以及硬件的更新能力提出了更高的要求。 在这种情况下，2 0 世纪9 0 年代以来出现了基于p c 的新一代开放式数控。由于p c ( 通用微机) 发 展很快，其性能不断增强，从8 位、1 6 位继而义推出了3 2 位，加上p c 生产批量大，价格低廉，从 而使基于p c 的新一代控制系统成为控制系统的主流和发展方向。总体来看，采用p c 作为机器人控 制系统核心，其优越性主要表现在以下儿个方面1 ： ( i ) 成本低。p c 硬件技术成熟、可靠性高、生产批量大、价格便宜 ( 2 ) 具有开放性。p c 总线是一种开放性总线，这使得系统体系结构具有开放性、模块化、可嵌入 的特点。开发人员和用户不但可以根据需要选择台适的软硬件模块，以最低的成本组成性能最佳系 统，同时也可以采用晟新的计算机软硬件技术替代落后的p c ，从而可以同步的提升机器人控制系统 的性能。 ( 3 ) 完备的软件开发环境和丰富的软件资源。可以极大地减少数控系统开发费用，可以迅速高效地 开发出功能强大的机器人控制软件，大大地降低软件开发费用和缩短开发周期。 ( 4 ) 有利于加强机器人控制系统的性能口以往由于计算速度的限制，许多数控功能由硬件来实现， 现在这些功能己经能用软件来实现，这一方面可以增强系统升级能力，另一方面有些不能实现的功 能可以用软件方法来实现了。 ( 5 ) 可以大大提高c n c 系统的可扩展性、可维护性和易用性。 ( 6 ) 良好的通讯功能。成熟的p c 通讯技术很容易实现机器人系统与其它计算机系统或自动化设备 通讯。 基于以上分析以及稳定性的考虑本课题选择了工业控制计算机作为控制系统的上位机。具体 采用的型号为如图2 4 所示的华北科技5 8 4 6 l 型p c i 0 4 总线工控机，其配置为： 主板：华北科技5 8 4 6 l3 5 寸主板 c p u ：v i ac 8 0 0 m 低功耗处理器 内存：笔记本内存1 4 4 脚2 5 6 1s d r a m ，最高支持5 1 2 ms i ) r a m i d e ：支持双i d e 设备，d i i a l 0 0 总线：1 6 位p c f 0 4 接口 串口：r s 2 3 2 三个，r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 一个 网 ：一个e t h e n e t 接口，1 0 0 1 删自适应，8 0 2 3 u s b ：1 1图2 4 系统所f l j 上控机实物图 数字i 0 ：8 个i ，8 个0 硬盘：8 0 6 其他：看门狗，集成显卡、声卡，p s 2 鼠标、键盘，液晶显示器、c f 扩展等。 - 6 第二章机器人控制系统总体设计 2 3 2 操作系统的选择 本课题选择采用w i n d o w s 操作系统作为机器人控制系统的系统软件，这主要是因为w i n d o w s 操 作系统具有友好的图形用户界面和许多强有力的应用程序开发工具，如v i s u a l c + + ，v i s u a i b a s i k 等。 利用这些开发工具，可以十分方便的开发出各种美观大方、易学易用的标准图形用户界面，还可十 分方便地生成数控程序编辑软件，极大地缩短了数控系统产品的开发周期，提高了数控系统产品的 竞争力。同时，与d o s 系统的单任务模式不同，w i n d o w s 操作系统是一种多任务操作系统，在保证 前台加工任务准确按时完成的情况下，还可以同时执行在线监测、故障诊断等其他后台任务，在不 增加系统开发成本的前提下，最大限度的发挥出了主机的潜在性能提高了系统软硬件资源的利用 率，也大大节约了系统开发成本 2 3 3 运动控制卡的选择 目前基于d s p 的运动控制卡有很多，如d e l t at a ud a t as y s t e m s 公司的p m a c 系列运动控制卡 1 4 9 5 4 1 ：德国m o v t e c 公司的d e c 4 t 运动控制卡：深圳摩信公司的m c t 8 0 0 0 系列运动控制卡1 5 5 1 ：步 进电机有限公司的m p c o i 系列运动控制卡：g a l i lm o t i o nc o n t r o l 公司研制的基于u s b 总线的运动 控制器d m c - 2 0 0 0 等很多不同科研单位和生产商开发的各种性能不同的运动控制卡。但d e l t at a u d a t as y s t e m s 公司的p m a c 系列运动控制卡最具有代表性，因此本课题中选择了p m a c 2 a - p c 1 0 4 进行焊接机器人的运动控制。下面将详述选择的理由。 p l i a c 2 a p c 1 0 4 ( p r o g r a m a b l em u l t i a x e sc o n t r o l l e r ) 是美国d e l t a 公司推出的遵循开放 式系统结构标准的开放式可编程多轴运动控制器，是集运动轴控制、p l c 控制以及数据采集的多功 能的运动控制产品，如图2 - 5 所示，它采用m o t o l o r ad s p 5 6 3 1 1 数字信号处理器作为c l q j ，利用d s p 的强大运算功能实现1 - 8 轴的实时控制“。在许多应用中，p m a c 就是一台计算机，能够同时执行多 个人物并能正确地进行优先级的排序，使它能够在处理时间和任务切换的复杂性这两个方面减轻主 机的负担。p m a c 能应对多种硬件操作平台，能和主机以各种总线或串口方式通讯，适用于所有电机， 对不同电价可以提供相信的控制信号。 它在硬件结构的开放性主要表现在： ( i ) p m a c 适应多种硬件操作平台，可以在i 删及其兼容机上运行，在w i n 9 5 9 8 2 0 0 0 及 l u n i x 下开发；允许同一控制软件在p c 、s t i ) 、v m e 、p c i 、1 0 4 总线上运行。 ( 2 ) 可以适用于各种电机。包括普通的交流电动机，直流电动机，交、直流伺服电动机， 直线电机，步进电机及液压马达等：能廉沽模拟和数组的伺服驱动器。 ( 3 ) 可以与不同的检测元件连接，如测速发电机、光栅、旋转变压激光干涉仪、光电编 码器等。 ( 4 ) p l i a c 的大部分地址向用户开放，包括电机、坐标系的所有信息及各种保护信息等。 ( 5 ) 每一块p m a c 卡能控制8 根轴，晟多可以有1 6 块p m a c 卡完全同步的级联到一起控制 1 2 8 根轴。 软件结构的开放性表现在： ( 1 ) 支持各种高级语言。p m a c 提供1 6 位、3 2 位的d i i 及a c t i v e x 控件p t a l k ，用户可以 采用c + + ，v b v c d e l p h i 进行软件开发 ( 2 ) p l c 功能的开放。内置式软件化p l c ，可将i l o 扩展到1 0 2 4 1 2 4 点，可编制6 4 个一 步p l c 程序。 ( 3 ) 机床语言的开放。p m a c 用户支持调用县城的直线、圆弧、样条、p ”三次曲线等插 补模式，同时支持标准的r s 2 7 4 代码，用户还可以自定义g 、m 、t 、d 、5 代码实 现特定功能。 目前，采用p m a c 的开放式数控系统是很先进的技术，但是该系统的核心部分运动控制和伺服控 制然要依赖于p m a c 还未能达到整个产品的硬件通用化。综合设计成本，开发时间，难度及功能性 7 东南大学硕士学位论文 方面的考虑最终决定采用如图2 - 5 所示的p m a c 2 a p c i 0 4 运动控制卡套件。此套件为一三卡叠加系统， 分别为：基卡，轴扩展卡( a c c - 1 p ) ，通讯卡( a c c - 2 p ) 。另外，在p m a c 附件中选购了2 4 伏1 o 卡 块。其具体器件如下： ( 1 ) 基卡一块 8 0 删zd s p 5 6 3 1 lc p u 1 2 8 k 2 4s r a m 用户内存 5 1 2 k 8 闪存 - 8 位并行p c 1 0 4 主机接口 4 通道轴接口电路，每一通道包括： 1 2 位+ 一l o v 模拟量输出 3 相编码信号输入 脉冲、方向匹配输出 5 个输入标志，2 个输出标志 i i s 一2 3 2 通讯口 扩展伺服算法( 零极点形式) ( 2 ) 轴扩展卡( a c c 一1 p ) 一块 4 通道轴接口电路，每一通道包括： 1 2 位+ 一l o v 模拟量输出 3 相编码信号输入 脉冲、方向匹配输出 5 个输入标志，2 个输出标志 j r h w 多路复用接口 j o p t8 输入8 输出i 0 ( 3 ) 通讯卡( a c c 一2 p ) 一块 8 k 1 6 双端r 枷 i o m 以太网口 j 佃多路复用接口 j o p t8 输入8 输出i o图2 - 5p m a c 卡实物图 ( 4 ) 2 4 伏i 0 卡( a c c 一3 4 a a ) 一块 2 4 伏3 2 输入3 2 输出i o j t h w 接口 光电隔离 2 3 4 机器人伺服驱动器系统的选择 从工业机器人驱动技术的发展历史以及不同的应用场合来看，驱动源主要有电气式和油压式两 类。油压系统需要油箱、油管泵站等供油系统，体积大。此外还有噪声、漏油等问题。电气式伺服 驱动容易获得能量来源，干净无污染、容易调控相变换，具有特别好的控制灵活性。随着微电子技 术、电力电子技术和特种电动机材料技术的进步使电气式伺服驱动方式得到了越来越广泛助应用。 在电气伺服驱动方式中，常用的有步进电动机驱动、直流伺服电动机驱动和交流伺服电动机驱动以 及直接驱动电机驱动。直流伺服电动机存在着机械换向机构，需要较多的维护。直接驱动电机是最 新发展的机器人驱动电机，这种电机有大于1 万的调速比，在低速下仍能输出稳定的功率和高的动 态品质，在机械手上可以直接驱动关节，取消了减速机构，不但简化了机构、提高了效率更重要 的是可以消除由减速机构带来的传动误差，是机器人发展的新方向。但目前还没有得到广泛的应用 而交流伺服电机采用了全封闭无刷结构。适应实际生产环境不需定期检奄和维修。并且电动机本 身结构简单，坚固耐用体积小，重茸轻。所以交流伺服电机在工业机器人的控制中占据了主导地 位。 - 8 - 第二章机器人控制系统总体设计 基于以上分析，本课题选用了如图2 - 6 所示的松下m i n a sa 4 系列高性能a c 伺服电机“”，其驱 动器可满足从5 0 w 到5 o k w 的各种容量要求。此系列电机采用高性能c p u ，高达1 k h z 的速度响应频 率，实现运转电机的高速化并大幅缩短了生产( 间隔) 时间。此系列电机标准对应全闭环控制并具