（控制理论与控制工程专业论文）弧焊机器人控制系统软件设计与实现.pdf

摘要 摘要 为适应机器人产业化的要求，开发具有自主知识产权的实用化、商品化的焊 山华恒焊接设备有限公司合 本文的主要工作是设计和实现控制器系统软件。基于开放式控制器的硬件结 = = ：= = = 构，采用面向对象技术、模块化的思想，设计和实现了弧焊机器人控制系统软件。 在昆山一号机器人控制软件中采用了三线程+ 单缓冲区的方式，程序可以完成在 关节坐标系，直角坐标系，工具坐标系下的示教和再现。针对机器人指令多达 3 1 8 条，本软件系统采用将对机器人指令的解释作为后台程序，通过匿名管道的 方式来与主程序进行进程通信；为提高上下位机通信的实时性，在硬件系统中选 用双端r a m ，在软件系统中采用多媒体定时器。 本文研究了特殊焊接作业的实现技术，并开发了相关软件。为了提高焊接质 量，对于坡口较大的焊缝，设计了横摆功能；坡口较深的或者热敏感的，设计了 7 多层焊轨迹自动生成功能。为了减少示教编程占用的生产时i - 1 ，针对弧焊中有较 、- 多相同的焊缝，加入了轨迹空间变换( 旋转、缩放、镜像等) 功能；为便于用户示 教和编程，可采用示教盒和示教盒模拟器两种方式进行示教编程。 目前，本文所开发的软件已经过多次现场测试与试验，结果表明，该软件在 功能和性能上已基本达到设计要求，昆山一号焊接机器人在其控制下稳定运行， 能够按焊接机器人作业要求完成空间轨迹运动。 本课题中设计并实现的机器人控制系统软件，对于焊接机器人的国产化和推 广应用也具有较重要的意义。 关键词：机器人，控制系统软件，特殊焊接作业 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h ed e m a n d so fi n d u s t r i a l i z a t i o no fr o b o t s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft h ep r a c t i c a lu s eo f i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yf i g h t s ，c o m m e r c i a l i z a t i o n ，t h e w e l d i n gr o b o tc o n t r o ls y s t e m sh a sb e c o m eat o pp r i o r i t y , a n d o u rs c h o o li s c o o p e r a t i n gw i t hk u n s h a nh u a h e n gw e l d i n ge q u i p m e n tc o l t d t od e v e l o p et h e o p e nc o n t r o ia r c w e l d i n gs y s t e mn a m e d ”k u n s h a nn o 1 ” t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st od e s i g na n dr e a l i z et h es y s t e ms o f t w a r eo fr o b o t c o n t r o l l e r b a s e do nt h eo p e na r c h i t e c t u r eo fh a r d w a r ec o n t r o l l e r , t h ea r cw e l d i n gr o b o t c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ei s d e s i g n e d a n di m p l e m e n t e d u s i n go b j e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g y , m o d u l a rt h i n k i n g t h ec o n t r o ls o f t w a r eo fk u n s h a nn o 1r o b o tu s e di nt h e t h r e e t h r e a d e da n ds i n g l eb u f f e rc a l lb et e a c h e da n dr e p r o d u c e di nt h ej o i n t c o o r d i n a t e ss y s t e m ，c a r t e s i a nc o o r d i n a t es y s t e m ，a n dt o o lc o o r d i n a t e ss y s t e m f o rt h e r o b o ti n s t r u c t i o n sa sm a n ya s318r o b o t s t h ei n s t r u c t i o ne x p l a i n i n gp r o c e d u r eu s e da s ab a c k g r o u n dp i p e l i n e st h r o u g ha n o n y m o u sw a yt oc o m m u n i c a t ew i t ht h em a i n p r o g r a m ；t oi m p r o v et h er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dp m a c ，t h e d u a l p o r tr a m i nh a r d w a r ea n dt h em u l t i m e d i at i m e ri ns o f t w a r ei su s e d t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h er e a l i z a t i o no fs p e c i a lo p e r a t i o n sw e l d i n gt e c h n o l o g y a n dd e v e l o p et h er e l a t e ds o f t w a r e i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fw e l d i n ga b o u tt h e l a r g e rw e l d i n gg r o o v e ，t h ef u n c t i o no fp e n d e l i n gi sd e s i g n e d ；a b o u tt h ed e e p e r w e l d i n gg r o o v eo rh e a t - s e n s i t i v e ，m u l t i - l a y e rw e l d i n gt r a j e c t o r y i s d e s i g n e d t o g e n e r a t ea u t o m a t i c a l l y i no r d e r t or e d u c et h et i m eo ft e a c h i n gp r o g r a m m i n gi nv i e w o fm a n ga r c - w e l d i n gw e l d i n gt r a c k si nt h es a m e ，s p a c ec o n v e r s i o n ( r o t a t i o n ，z o o m ， i m a g e ，e t c ) i sa d d e d f o rt h eu s e r - f r i e n d l yt e a c h i n ga n dp r o g r a m m i n g ，t h et e a c h i n g b o xa n dt e a c h i n gb o xs i m u l a t o ra r ea l s od e v e l o p e d a tp r e s e n t ，t h i ss o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e d b yan u m b e ro ft e s t sa n dt h et e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h es o f t w a r ei nt h ef u n c t i o n a la n dp e r f o r m a n c eh a sb e e nb a s i c a l l y m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s r o b o tn a m e dk u n s h a nn o 1c a nr u ns t a b l yu n d e ri t s c o n t r 0 1 c a nc o m p l e t es p a c et r a c k i n gm o v e m e n ta c c o r d i n gt or o b o ti n s t r u c t i o n s t h er o b o tc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g n e da n dr e a l i z e db vt h i s p a p e ri s s i g n i f i c a n tt o t h ed e v e l o p m e n to ft h ea p p l i c a t i o no fr o b o tt e c h n o l o g ya n dr o b o t c o n t r o lt h e o r y k e y w o r d s ：r o b o t ，c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r e ，w e l d i n gt e c h n i q u e i i 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：罢建日期：丝芝：竺：侈 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：导师签名：巨量选。日期监亿矿 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 机器人的诞生和机器人学的建立是2 0 世纪人类科学技术的重大成就，是计算机科学、 控制论科学、机构学、信息学、传感技术、人工智能、仿生学等众多学科综合的结果，是科 学技术向现实生产力转化的里程碑式的产物，具有跨时代的意义。自从2 0 世纪5 0 年代以来， 机器人已经历了三代。第一代机器人只能作为一种自动化设备；第二代机器人具有一定的触 觉、视觉和听觉功能。机器人发展到现在已经进入了第三代即智能机器人时代。机器人因其 卓越的性能而早已在许多国家产业化。机器人的这些性能主要体现在两点：一、通用性：通 用性是指机器人执行不周的功能和完成多种简单任务的实际能力。二、适应性：适应性是指 机器人对环境的自适应能力，即机器人能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行 过程中所发生的没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人能够认识环境、识别环境，而 可编程技术赋予了机器人这种能力。总之，机器人因为其可编程而具有了人的某方面的柔性 的能力，从而具有一定的智能。 目前，工业机器人作为现代制造业主要的自动化装备，已广泛应用于汽车、摩托车、工 程机械、电子信息、家电、化工等行业，主要用于完成焊接、搬运、加工、喷漆、码垛等作 业。据统计，全世界已有1 0 0 多万台机器人投入使用，其中用于焊接作业的机器人占全部机 器人的4 5 以上【l 】【2 1 。机器人技术已成为世界各国竞相发展的高新技术，其发展已成为衡餐 一个国家技术水平发展程度的重要指标之一。 焊接机器人是在工业机器人的基础上发展起来的先进焊接设备，是机电一体化的高科技 成果，它的发展对制造技术水平的提高起到了很大的推动作用。弧焊机器人的研究已经历了 三个阶段：包括示教再现、离线编程和自主编程的智能机器人。当前国内外使用的均为第一、 二代人工示教再现型弧焊机器人，轨迹、姿态和焊接工艺参数需要在线示教编程，应用水平 处于第二阶段 3 1 。焊接机器人适于在高温、有毒、高粉尘及存在放射性物质等恶劣的作业环 境下或在一些人所不能到达的范围内使用，连续工作并能提供稳定的焊接质量，不但提高了 工作效率而且减轻了工人的劳动强度，降低了生产成本，实现了若干年以来人类千方百计追 求的目标。日本早在7 0 年代就已经将点焊机器人引进生产线，弧焊机器人由于较点焊机器 入复杂，其投入生产的进程晚了些。进入8 0 年代，弧焊机器入的使用开始有了明显的增加。 目前，点焊机器人仍主要用在汽车行业，而弧焊机器人已在汽车、船舶、铁路车辆、锅炉容 器、金属制造、建筑机械、家用电器等行业获得了广泛的应用，对降低成本，提高质量起到 了重大的促进作用。 进入七十年代后，为了适应市场多变的需要，制造业在生产方式上产生了质的飞跃，对 多品种小批量生产方式的要求越来越高，出现了适应这种生产模式的、由工业机器人、数控 机床和加工中心等自动化装备构成的柔性制造系统。这一时期是包括工业机器人在内的自动 化装备快速发展的阶段。自八十年代以来，国外工业机器人技术发展趋于成熟，工业机器人 本身作为一种标准设备己被世界范围制造业特别是汽车与电子制造行业广泛采用，对提高企 业自动化水平、劳动生产率、产品质量、经济效益和改善劳动环境起到了重要作用，成为现 代制造业自动化的标志。据估计，国外发达国家产业界的机器入的应用数量已达到平均每万 人3 0 0 台，其中焊接机器人应用量最大。目前，机器人技术发展十分迅速，加速机器人技术 的实用化、机器人产品和应用过程的系列化以及工业机器人的智能化网络化是机器人产业界 正在不断追求的目标。 东南大学硕士学位论文 1 2 弧焊机器人国内外的研究现状 目前，国际上商品化工业机器人的厂家比较多，按地域主要分布在欧洲、北美洲和亚洲。 其中，欧洲有代表性的厂商包括瑞典a b b 公司，德国c l o o s 、r e i s 、k u k a ，意达利 c o m a u ，奥地利i g m 等公司；而美国产商主要是m i l e r 公司。亚洲的厂商主要集中在日本， 主要厂商有安川电机、o t c 、f a n u c 、川崎重工以及p a n a s o n i c 等公司。 我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于2 0 世纪7 0 年代，国内开始有少数研究所与 大学，如中科院沈阳自动化所、哈工大、上交大、大连组合机床所等，开展了基于示教再现 或遥控操作的工业机器人实验样机的研制。但直到八十年代中期，全国还没有一台示教再现 式关节型机器人产品问世，更谈不上应用，于是1 9 8 6 年国家将发展特种焊接机器人列入 “8 6 3 ”高科技计划。经过二十多年的持续努力，哈尔滨工业大学和沈阳自动化所在蔡鹤皋 院十主持下设计制造的h t - 1 0 0 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卡 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。以此为标志，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。 目前国际上机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器人发展趋 势看，焊接机器人和其它工业机器人一样，在不断向智能化和多样化方向发展。具体而言， 表现在以下几个方面。 1 2 1 焊接机器人的控制系统的研究 控制系统主要向开放式、模块化方向发展【4 l 。在开放式控制器体系结构研究方面，有两 种基本结构：一种是基于硬件层次划分的结构，该类型结构比较简单；另一种是基于功能划 分的结构，它将软硬件一同考虑，这是控制器体系结构的研究和发展方向。目前的研究主要 是集中在基于开放式结构体系的功能划分和功能单元的信息交换规范，而且力图建立一种 “完全说明智能系统全部组件的模型”，以期在国际机器人控制器体系结构和规范的制定方 面占据一有利地位p j 。 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o 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， 简介如下： 1 ) 美国n g c 和o m a c 计划i j 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 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，并己转入工业开发应用。例如美国f o r d 、g m 和c h r y s l e r 等公司在n g c 计划的指导下，联合提出了o m a c ( o p e n m o d u l a r a r c h i t e c t u r e c 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、入机接口、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 im 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 a u 公司利用n g c 和o m a c 等协议，采用p c 机+ p m a c 控制卡 2 第一章绪论 构成的p m a c 开放式c n c 系统，获得了良好的应用效果。 2 ) 欧盟o s a c a 计划1 9 , 1 0 1 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 0 年共同发起的。 o 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，是将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。应用软件即控制系统所包 括的各个功能模块，即a o ( a r c h i t e c t u r eo b j e c 0 。应用软件的第一层定义了五个主要方面， 其它层次则依实际情况而定，如图1 1 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a p i 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 板等) ，如图1 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 不同的平台之匕。 誊圈匿髓图 豁囤圈圈圈 l ：围困圈 a 0 ： r c h i _ t e c t u r eo b j e c t 功能元对象 图1 1o s a c a 控制功能结构图1 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 al 完 成了规范和应用指南的制定；o s a c ai i 主要完成依照o s a c a 规范为其系统平台开发标准、 通用的软件模块和通用的o s a c a 系统平台，并建立一个五轴制造系统环境，用以调试、验 证、扩展前一阶段的各种规范：i d a so s a c a ( i n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o na n da w a r e n e s s a 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o m a c 、o 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。 3 ) 日本o s e c 计划1 1 1 , 1 2 1 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 me n v i r o n m e n tf o rc 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 “o 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“o s e c 1 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o 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。 4 ) 国内开放式体系结构的研究 目前，根据文献的报道，现在应用的比较多，并且以现在的技术手段来说开放性也最彻 底的方法就是p c + 运动控制卡的方法。清华大学的赵雁南等人基于现场总线( f i e l db u s ) 3 东南大学硕士学位论文 技术构造了开放的机器人控制系统。这种结构的控制器主机与电机驱动器之间传输的是数字 信号，可以防止噪音干扰，软硬件组成灵活，便于开放式体系结构的设计l j 纠：基于p c 的机 器人控制器因其友好的用户界面和广泛的用户基础而倍受用户和研究者的青睐。中国科学院 沈阳自动化研究所的王天然等人提出了基于p c 总线控制系统体系结构【1 4 1 ；彭涛等人基于国 产的m c t s 0 0 0 运动控制膏设计了开放式结构的机器人控制器，并将其应用到s o n y 公司所 生产的s c a r a 机器人，不但可以达到原机器人控制器的控制效果，而且可以从速度、精度、 环境感知能力以及网络控制特性多方面改善了原机器人的特性l l5 1 。另外，2 0 0 3 年1 月1 日， 我国制定的相应的国家标准开放式数控系统总则开始实施。这将有助于推动我国制造业 整体水平的提高。 1 2 2 机器人软件系统与编程技术的研究 离线编程是指利用计算机图形学成果，建立起机器人及其工作的虚拟环境，利用一些规 划算法，通过对图形的控制和操作在脱离生产线的情况下对焊接过程进行规划和仿到1 6 】【1 。7 1 。 通常一个完整的离线编程系统需要满足以下功能：1 ) 交互式的机器人系统c a d 建模环境： 2 ) 运动学、动力学方程的自动生成；3 ) 交互式的任务规划、编程及调试环境；4 ) 碰撞检 测；5 ) 对传感器的仿真。但是目前的许多应用系统往往不同时具有以上功能。离线编程系 统从实验室开发出来后，并不能直接应用于具体的工业机器人以完成作业任务，还必须解决 软件的实用化问题，包括：机器人建模，机器人对环境的不确定性抽取，传感器的建模及仿 真等。 离线编程技术不仅改善了劳动环境、减轻了劳动强度、提高了工作效率，还可以对编程 结果进行三维图形动画仿真，以检验编程的正确性，提供最佳的执行代码，从而保证了焊接 产品的高质量。 1 。3 本课题研究的意义 一、目前从国外引进的机器人自动化生产设备中，有近一半处于不能正常运行状态，其 中问题较大的占3 3 ，根本不能用的高达1 6 【l 引。据了解，上述问题的主要原因是：国外 系统不适合国内企业的工艺现状；国内人员素质较低，培训跟不上；系统选型不合理，配置 不当；缺乏足够的售前和售中技术支持；售后服务跟不上：国外机器人配件订货周期较长， 共至影响企业的正常生产。专家指出，国外机器人产品不仅价格昂贵，而且使用效果不理想， 国内工业机器人在价格、技术支持、售后服务和工程设计、实施等方面占据较大优势。这为 我们自主生产机器厶必足国内市场需求，发展国产机器人殛基昏诗倦成套装备产业，提供 了瀛哥町 二、目前实际应用中的焊接机器人基本上都是采用专用计算机、专用操作系统和机器人 语言来开发。结构封闭，表现出开放性差、缺少网络功能，不能实现焊接参数的在线检测、 调整型焊丝亟量的塞鲢撞生止生；l 及丕能进行疆毯缠堡等缺点，严重地影响了机器人的发 展和应用水平。在这种情况下，开发开放式的机器人控制系统显得非常迫切也非常可行，同 时开放式机器人控制器也是当前控制系统的主流和发展趋势。 三、针对大型复杂结构件的焊接有两大特点： 准结构化环境。待焊工件公差大，由龙门架、机器人与变位机构成的焊接系统定位精 度较差，实际夹持在变位机上的工件焊缝与设计的工件焊缝存在较大误差，可认为焊接机器 人成套装备工作在准结构化环境下。 人型设备的多轴( 8 轴以上) 协调控制。焊接工件大、重( 几吨) ；焊接轨迹复杂、 多变。为了实现焊缝的连续焊接，机器人和变位机必须协调运动以保证焊枪对焊缝的跟踪和 4 第一章绪论 以最佳位置对准焊缝。而为了消除焊接过程中局部高温引发的工件变形问题，往往需要两台 机器人从焊缝的两侧同步焊接。 传感 响应市场变化为特点的柔 接质量的智能化 形成一个以快速 所以，为适应机器人产业化的需要，开发具有自主知识产权的实用化、商品化的焊接机 器人控制系统成为当务之急，因此本课题组与昆山华恒焊接设备有限公司合作开发了“昆山 一号”弧焊机器人开放式控制系统。该机器人不仅要具有一般焊接机器人的运动轨迹控制功 能外，还要具有在非结构环境下的运动规划、与变位机的运动协调、焊缝自动跟踪等智能控 制功能。 1 4 本文主要研究内容 本课题的目的是针对自主开发的昆山一号r v l 6 六自由度机器人机械本体，研究设计 套具有开放结构的弧焊机器人控制软件系统，实现满足机器人弧焊作业的运动控制要求。因 此，本文的主要内容安排如下： 1 ) 第一章为绪论，介绍项目背景、意义以及课题概况。 2 ) 第二章在介绍机器人控制器硬件平台的基础上，重点介绍了控制系统的软件结构设 计及实现技术，本软件采用面向对象技术、模块化的思想，具有开放式的弧焊机器人控制系 统软件结构，论文对其中的进程技术、线程技术、实时性的提高等关键技术进行详细叙述。 3 ) 第三章介绍了控制器外围接口软件的设计与实现。首先介绍了控制器与p m a c 通信 函数库的设计，其次介绍了控制器从伺服发大器中获得与处理绝对位置的方法，最后介绍了 控制器与示教盒及示教盒模拟器的通信程序设计。 4 ) 第四章介绍了特殊焊接作业实现技术与软件开发。包括工具手的校正方法以及加入 工具手后程序在关节空间、直角坐标系、工具坐标系下的处理，焊接中横摆功能、多层焊的 实现，轨迹空间变换( 缩放、镜像、平移等) 等功能。 5 ) 第五章为昆山一号机器人运动控制实验。对工具坐标系的标定进行了实验；直线一 直线，圆弧圆弧，直线圆弧直线的逼近横摆进行了实验；以及关于两坐标系变换，点、线、 面变换也进行了实验，结果表明机器人按照焊接作业要求运动，轨迹平滑且机器人运动平稳。 6 ) 第六章为总结和展望。对本论文完成工作作总结和展望。 5 ：一 查堕奎堂堡主兰垡丝奎 一一 - - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ 一一 第二章控制器软件系统结构设计与实现 本系统是采用m i c r o s o f tv i s u a lc h 七0 集成开发环境开发的基于w i n d o w s 2 0 0 0 的控制软 件系统。v i s u a lc + + 6 0 是w i n d o w s 系统平台上功能最强大的应用程序开发系统，它与w i n 3 2 紧密相连，能完成从底层软件到上层直接面向用户的软件开发，具有灵活、运行效率高的特 点，适合控制系统软件的开发1 2 。因此，我们采用v i s u a lc + + 6 0 作为上层软件开发平台。 由于本控制系统的硬件采用“p c + 运动控制卡p m a c ”上下位机的开放性的设计，因而决定 了软件系统的开放性结构，在软件上采用模块化、结构化和面向对象的体系结构，这样一方 面软件编程的灵活性大大提高，以适应硬件可能发生的改变( 如增加或减少机器人的自由 度) ，另一方面也提高整个系统的控制性能。 2 1 机器人控制器硬件平台介绍 2 1 1 开放式控制系统 目前商品化的机器人控制系统大多采用封闭结构的专用控制器：主要采用专用计算机作 为系统上层主控计算机；在系统的内部采用专门的机器人语言进行离线编程和开发；采用专 用的微处理器对机器人各关节进行单独伺服控制，并将伺服控制伺服固化在e p r o m 中。这 种封闭式的控制器虽然能够满足工业生产中的某个特定要求，以及在一定情况下具有较好的 效率，但是它还是给研究开发和工业生产带来了种种弊端。这些弊端主要表现在：无法对系 统进行进一步研究；给用户的维护带来诸多不便；无法对机器人系统进行升级和重用，一旦 满足不了用户需求，将是一堆“废铁”。 开放式机器入控制器设计从根本上解决上述问题，w i l l i a ne 。f 0 r d 总结了开放式机器人 控制器的主要思想为1 2 2 1 ： ( 1 ) 使用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c ( 2 抖，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。 近年来，以p c 机为代表的计算机软硬件技术得到了空前的发展，制造业也以建立f m s 为目标，向“开放的工厂自动化”发展。为顺应这一趋势，基于p c 机的开放式控制器应运 而生，机器人的控制由专用的控制器向基于p c 机的开发通用型控制器过渡。一般是在原有 的机器人专用控制器中配置与p c 机通讯的总线及接口板，加上相应的通讯软件，用户即可 在p c 机上编程读取机器人的当前位置，对机器人的运动进行实时控制，监控机器人焊接系 统的工作状态，控制焊接工艺过程和焊接质量。 根据上述开放式思想设计了“昆山一号”机器人控制系统，本系统采用“p c + p m a c 运 动控制卡”开放性主从式结构。在这里把该系统抽象成一个个忽略具体细节的功能模块，各 模块之间有各自简单的接口。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。首先，对机器人控制器的体系结构进行介绍，体系结构图见图2 1 。 6 第二章控制器软件系统结构设计与实现 e 1 h e r n e t 图2 1 昆山一号机器人控制器体系结构图 昆山一号机器人控制器主要由示教盒、p c 、运动控制卡、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回信息控制液晶屏做相应信息显示。 ( 2 ) p c 与运动控制卡之间通过总线或者双端r a m 通讯。运动控制卡进行闭环控制( 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它一 些低实时性要求的计算任务，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口：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、 力矩控制等。 ( 4 ) i ，o 接口单元：用于p l c 监控开关量的输入输出。在实际的工业应用现场，涉及到 许多开关量的控制，如检测行程限位，机器人回零信号，面板操作等。 ( 5 ) 传感器接口：传感器接口为后继的电弧跟踪、视觉跟踪留下接口。e t h e r n e t 接口 连接用以实现机器人网络控制。 ( 6 ) p c 机与e t h e r n e t 连接以实现机器入网络控制。e t h e r n e t 由于其良好的普及 性、兼容性，逐步成为工业控制的标准。 其次，昆山一号机器人控制系统硬件结构采用p c 机与多轴运动控制器p m a c 构成上下 位机形式的开放式数控系统。p m a c 主要完成机器人的各关节电机运动控制，辅助动作及 控制面板开关量的控制，p c 机则主要实现系统的管理功能，以及运动规划，轨迹插补，焊 接中焊缝跟踪等功能。在p m a c 板与p c 机之间采用双端口r a m 进行数据交换，解决二者 之间的通讯瓶颈问题，实现高速重复不需要握手的数据通信。 7 东南大学硕上学位论文 2 1 2 工控机 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 ms d r a m ，最高支持5 1 2 ms d r a m ； i d e ：支持双i d e 设备，d m a l 0 0 ： 总线：1 6 位p c 1 0 4 接口； 串口：r s 2 3 2 三个，r s 4 2 2 4 8 5 一个； 网卡：一个e t h e n e t 接口，1 0 0 1 0 m 自适应，8 0 2 3 ： u s b ：1 1 硬箍：8 0 g ； 数字i o ：8 个i ，8 个o 其它：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。 2 1 3p m a c 多轴运动控制卡及附件l p m a c 2 一p c 1 0 4 ( p r o g r a m 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 公司推出的开放 式多轴运动控制器。p m a c 2 一p c 1 0 4 内部使用了一片m o t o r o l ad s p 5 6 3 1 1 数字信号处理芯 片，它的速度、分辨率、带宽等指针远优于一般的控制器。该卡可以同时控制l - 8 个轴，每 个轴的控制都是完全独立的。p m a c 伺服控制算法为p i d 算法或者扩展伺服算法( 零极点 表示方式) ，标准伺服周期为2 0 4 p s ( 4 0 m h zd s p ) 。 p m a c 卡具有伺服控制和可编程逻辑控制的能力，伺服控制功能通过运动程序实现， 其伺服更新率约为4 9 k h z ，可编程逻辑控制功能通过p l c 程序实现，可编程逻辑控制的循 环时间最多为1 0 m s 。并且p m a c 可自动判别任务的优先级。 运行运动程序时，p m a c 一次执行程序的行语句，并且首先进行该语句( 包括非移动 的任务1 的所有计算，然后开始执行该语句对应的运动。p m a c 卡总是工作在实际运动之前， 当需要时，它总能正确的与即将执行的动作相协调。当运动程序在前台运行时，p m a c 可 以在后台运行多达3 2 个p l c 程序。p l c 的命名是可编程逻辑控制器，因为它们以一种相似 的方式工作，在处理器时间允许的情况下尽可能快的重复扫描他们的操作。p l c 程序可以 极高采样速率监视模拟输入和数字输入、设定输出值、发送信息、监视运动参数、改变增益 值、以及命令运动程序停止启动，但p l c 程序不能执行运动控制语句。通过运动程序和p l c 程序的配合运行，p m a c 能很好地完成实时性强的多任务控制。 除了运动控制程序和p l c 程序外，p m a c 还提供了“在线命令”供用户进行实时操作， 用户通过主机发送a s c i i 码形式的“在线命令”到p m a c ，p m a c 接收后立即完成相应操 作，并同样发送a s c i i 码形式的响应至主机。p m a c 具有很强的计算功能，可以对变量、 常量进行算术运算、逻辑运算。 p m a c 卡附件：p m a c 卡的附件主要有一块基卡，一块轴扩展卡( a c c l p ) ，一块通讯 乍- ( a c c - - 2 p ) ，块2 4 伏i o 卡( a c c - - 3 4 a a ) 。 p m a c 卡的特点1 1 4 j ：p m a c 卡最大的特点就是其开放式结构。 开放式结构：支持于主机的多种连接方式：串行方式，包括r s 2 3 2 ，r s - 4 2 2 ；并 行总线方式，包括p c x t a t ，v m e ，s t d 3 2 以及p c i 等。连同伺服放大器，可控制多种类 型的电机：直流电机( 包括有刷和无刷) ，交流电机和步进电机等。通过选用适当的由d e l t a t a u 提供的选件，连接多种类型的位置反馈装置：增量编码器，绝对编码器，旋转变压器， 直线电压位移传感器，激光干涉仪和磁致伸缩位移传感器等。通过对卡内寄存器的操作，用 户可以控制p m a c 板的特性。另外，p a m c 的微操作系统( f i r m w a r e ) 也可通过i n t e m e t 及时 8 第= 章控制器轼件系统结构设计与实现 升级。卡内可以同时容纳2 5 6 个运动程序和3 2 个p l c 程序，用户可咀通过类似b a s i c 的 p m a c 解释语言进行程序开发，另外p m a c 也可对p l c 程序进行编译，使运行速度更快。 2 1 4 邑山一号r v l 6 机器人本体 本课题使用的机器人本体为六轴机械机构，如图2 - 2 所示为自主研发的昆山一号r v l 6 机器人本体。 幽2 - 2 昆山号r v l 6 机器人本体目2 - 3 昆山一号r v l 6 机器人示教盒 2 1 5 昆山一号r v l 6 机器人示教盒 昆山一号r v l 6 机器人霍墼塞垫自主开发的手动操作机器人设备，和主机通过串口通讯， 井提供急停按扭，具体参数见袁2 2 ，示教盒如图2 - 3 。 表2 2 昆山一号r v l 6 示教盒参数表 8 位微处理器，带8 k f l a s h3 2 0 x 2 4 0 液晶显示模块 e e p r o m 8 k 静态r a m ，2 5 6 k e p r o m ( 固化 文字语言中文、英文 汉字库) 标准r s 2 3 2 r s 4 2 2 串口通讯图形显示控制器s e d l 3 3 0 带 3 2 k x 2 静态r a m 8 x 7 矩阵式键盘接口显示方式背光液晶画面 2 2 软件总体结构 2 2 1 软件系统功能 本课题机器人控制软什系统功能可以分为三部分：人机警! ! 竺量鍪竺量堑：上位机即 东南大学硕士学位论文 工控机程序、下位机即p m a c 程序，如图2 4 所示。 ( 1 ) 示教器程序：示教器是实现机器人控制和人机接口的工具，一般具有键盘扫描、 人机通信和显示等功能。示教器程序运行在示教器中，完成示教器的上述功能。它采用扫描 方式定时查询，进行键盘处理。通过标准r s 4 8 5 串口通讯接口，实现示教器与上位主机的 通信，将处理键值送入上位机中，同时接受上位机的指令或者显示信息。本课题中示教器包 括示教盒和示教盒模拟器两个人机接口。 ( 2 ) 上位机程序：上位机程序包括人机界面、示教与再现、轨迹规划、运动学算法、 机器人语言编辑与解释、系统管理、文件管理与示教器及下位机的通信这几个部分。示教与 再现是弧焊机器人工作的基本方式，所以示教与再现模块是上位机程序的核心。运动学算法、 语言编辑与解释、与示教器和下位机的通信都是上位机程序的重要组成部分。 ( 3 ) 下位机程序：下位机程序包括运动程序和p l c 程序，运动程序用于机器人运动控 制，p l c 程序用于逻辑控制、系统监控等。p c 机端和p m a c 端的通讯程序均不需要开发。 p c 机端的通讯功能由p c o m m 3 2 d n 动态链接库实现，用户只需调用库函数即可。 2 2 2 软件系统结构 图2 - 4 机器人控制软件系统功能