（模式识别与智能系统专业论文）工业焊接机器人安全控制系统的设计与实现.pdf

舢1 1 1 1 i l i f i f 叭1 1 1 1 1 1 川1 1 1 i l 1 1 1 1 i i y 17 613 6 7 t h ed esg 烈a n di m p l e m e n t a t i o n o fs a f e t yc o n t r o ls y s t e mf o r 烈d u st r yw e l d gr o bo t ad i s s e i r c a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i 够 f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y l i us h e n g p e n g s u p e r v i s e db y p r o fy eh u a s c h o o lo f a u t o m a t i o n so u t h e a s tu n i v e r s 时 m a r c h2 0 1 0 东南 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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 擗日 期：型p 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：立陋导师签名：! 尘军日期： 焊接是制造业中最重要的工艺技术之一，而焊接机器人是焊接自动化的革命性进步。目 前，国内外已有大量的焊接机器人应用于各类自动化生产线上。工业焊接机器人机械、电气 系统复杂，工作区域大，运行速度快，因而无法准确预测在不同工况下有可能出现的所有危 险，尤其在人工示教编程或者维护时，任何操作失误和未知的系统缺陷都有可能造成设备损 坏甚至引发重大安全事故。国家标准及国际标准化组织都制定了工业机器人安全规范，为焊 接机器人安全控制系统的设计提供了参考。 论文参考工业机器人安全规范的国家标准，详细阐述了“昆山1 号”多轴焊接机器人安 全控制系统的设计与实现。论文首先介绍工业焊接机器人的发展背景、“昆山1 号 机器人及 其安全控制系统的研究意义；分析焊接机器人的作业特点，结合“昆山1 号”机器人的实际 需求，同时参考国家标准的安全规范，完成了安全控制系统的总体设计，包括系统结构设计、 软硬件功能划分。 接着论文根据总体设计，详细阐述以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 为处理核心，辅以c y c l o n ee p l c 6 型f p g a 高速采集单元的硬件设计。其中，根据硬件功能划分，设计了电源、数字信号采集、 模拟信号采集、光电编码器脉冲解码及计数、r s 2 3 2 通信、e e p r o m 存储、实时时钟、c a n b u s 接口等电路。 根据软件功能划分，论文在硬件电路的基础上进行软件设计并实现了安全控制系统的各 项功能。软件功能包括驱动程序设计、安全保护、数据交互、信息存储等。 完成软硬件设计后，使用“昆山1 号”机器人测试安全控制系统的各项性能指标及安全 保护的的效果，并对测试结果做了细致的分析。 最后论文对安全控制系统设计过程中所做的工作进行了总结，针对不足提出改进目标， 同时展望下一阶段的工作。论文所述工业焊接机器人安全控制系统，大大提高了焊接机器人 作业的安全性，具有很好的推广应用前景。 关键词：焊接机器人，安全保护，f p g a ，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a b s t r a c t a b s t r a c t 。w e l d i n g i so n eo ft h em o s ti m p o r t a mt e c l l o l o g i e si i lm a n l l f - a c 嘶n g ，w h i l ew e l d i i l gr o b o ti sa r e v o l u t i o n a r yp r o 铲e s so f 、e l d i n ga u t o m a t i o n t b d a y ，t h e r eh a sb e e nal o to fw e l d i n gr o b o t su s e di n a l ll 【i n d so fa u t o m a t i cp r o d u c tl i n e i i l d u s t 巧、v e l d i n gr o b o t sh a v ec o m p l i c a t e dm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a ls y s t e m ，l a 玛e 、r k i n ga r e aa n df 瓠tr u m l i i l gs p e e d s oi ti sh a r dt op r e d i c ta nt h ep o s s i b l e d a n g e r sp r e c i s e l y i nd i 伍：r e n tc o n d i t i o n s e s p e c i a l l y i na n i n c i a l t e a c h i n gp r o 留a m m i n g o r m a i n t e n a n c et i i i l e ，a i l yo p e r a t i o nf a i l u r e so ru n l ( n o 、v ns y s t e mb u g sm a yr c s u l ti ne q u i p m e md 锄a g e a i l de v e nl e a dt om a j o rs a f e 锣a c c i d e n t s n a t i o n a l1 1 1 s t i t u t eo fs t a i l d a r d s 觚dt h eh l t e m a t i o n a l o r g a n i z a t i o no fs t a l l d a r d i z a t i o nh a v ed e v e l o p e ds a f e 哆s p e c i f i c a t i o n so fi n d u s t 巧r o b o t s ，p r o v i d i n ga r e 诧r e n c ef o rt h es a f - e t ) rc o n 臼o ls y s t e md e s i g no f w e l d i n gr o b o t s t h ep a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g na n di m p l e m e n to fm es a f e 田c o n t r o ls y s t e mf o rm u l t i a x i a l 、e l d i n gr o b o t ”k u n s h a i ln o 1 ”i nd e t a i l ，a c c o r d i n gt ot 1 1 en a t i o n a ls t a n d a r d so fi n d u s t wr o b o t s s a f e t ys e p e c i f i c a t i o n i nt h eb e g i m l i n g ，t h eb a c k 铲o u n do ft h ei n d u s t 巧r o b o t ，”k u n s h a i ln o 1 ”r o b o t a n dt h es i g m f i c a n c eo fs a f e 哆c o m r o ls y s t e m d e s i g na r ei n t r o d u c e do ni s s u e s t h eo v e r a l ls y s t e m d e s i 弘a r ea c c o m p l i s h e da c c o r d i n gt ot 1 1 ew o t k i n gc h a r a c t e r i s t i co fi 1 1 d u s 缸yw e l d i n gr o b o t ，m e a c t u a ln e e d so f i k u n s h a i ln o 1 ”a n dt h er e f e r e n c eo fs a f e t ys p e c i f i c a t i o no fn a t i o n a ls t a l l d a r d s t h e s y s t e md e s i g ni 1 1 c l u d e st h es y s t e ma r c l l i t e c t u r ed e s i 呈皿a n dh a r d w a r e s o r w a r e m c t i o nd i v i s i o n t h e n ，h a r d w a r ed e s i g ni si n t r o d u c e do nt h eb a s i so ft h eo v e r a l ls y s t e md e s i 印b e f o r e i ti s d e s i g n e dw i t ht h ec o r eo fd s pt m s 3 2 0 f 2 812a n dah i g h s p e e ds 锄p l eu n i tm a d eo ff p ( a c y c l o n ee p1c 6f o ra s s i s t a n t a c c o r d i n gt o t h eh a r d w a r e 如n c t i o nd i v i s i o n ，s o m ec i r c u i t sa r e d e s i g n e ds u c ha sp o w e rs u p p l y ，d i g i k ds i g n a ls a m p l i n g ，a n a l o gs i g n a ls a m p l i n g ，p u l s ed e c o d i n ga n d c o u n t i n go fo p t i c a le n c o d e r ，c o m m u i l i c a t i o no fr s 2 3 2 ，s t o r a g eo fe e p r o m ，r e a lt i m ec l o c l ( c a n b u si n t e 矗舱e a i l de t c a c c o r d i n gt ot h es o r w a r ef h n c t i o nd i v i s i o n ，m es o f h a r ed e s i g na c h i e v e sa l lt h ef h n c t i o n so f t | 1 es a f e t yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e 圾r d w a 舱c i r c u i t s s o f t w a r em n c t i o nc o m p r i s e sd r i v i n g p r o g r a md e s i g i l ，s a 诧够p r o t e c t ，d a t ae x c h a n g e ，m e s s a g es t o r a g ea n de t c a r e rt h es o r w a r ea n dh a r d 、v a r e d e s i g n ，a l lt l l ep e r f o m a n c ei 1 1 d i c a t o r sa n dt h es a f e t y p r o t e c t i o ne 腩c ta r et e s t e di i lr o b o t ”k u n s h a i ln o 1 a n dd e t a i l e da n a l y s i si sd o n ef o rt h et e s t i n g r e s u l t i i lm ee n d ，m ep 印e rs u m m 撕z e sa l lt a s k so ft h e s a f e t ) rc o n t r o ls y s t e md e s i g n ，s u g g e s t s i m p r o v e m e n t sf o rt h es h o r r t a g e ，a i l dl o o l 【si n t ot ：h en e x ts t a g eo f 、o r k t h es a f e t ) ，c o n t r o ls y s t e mo f 试d u s n yw e l d i n gr o b o td i s c u s s e di nt i l ep a p e rg r e a t l ye n h a i l c e st h es 疵够o fw e l d i n gr o b o to p e r a t i o i l a i l dh 嬲g o o dp r o m o t i o np m s p e c t s k e y 、o r d s ：w e l d i n gr o b o t ，s a f e t yp r o t e c t ，f p g a ，t m s 3 2 0 f 2 8l2 i i 摘要 b s t r a c t 目录 第l 章绪论 1 1 工业焊接机器人简介 1 2“昆山l 号”机器人 1 3 安全标准及研究现状 1 3 1 安全标准 1 3 2 k u k a 机器人安全机制 1 4 本课题的研究意义 1 5 本论文研究内容及章节安排 第2 章安全控制系统需求分析及总体设计。 1 一 1 2 一 2 2 - ) - 3 4 2 1需求分析4 2 1 1 安全防护装置4 2 1 2 工业机器人安全规范4 2 1 3 “昆山l 号”安全保护需求5 - 2 2 总体设计7 2 2 1概述- 7 - 2 2 2 系统状态量7 2 2 3 总体设计10 2 2 4 硬件功能划分11 2 2 5 软件功能划分- 1 2 - 2 - 3 本章小结1 2 第3 章硬件设计与实现 ：；1概述- 1 3 3 2 器件选犁及硬件结构框图1 3 3 2 1 器件选型- 1 3 3 2 2 硬件结构框图1 7 - 3 3 电源设计1 7 3 4 d s p 及f p g a 最小系统- 1 8 3 4 1 d s p 最小系统- 1 8 - 3 4 2 f p g a 最小系统2 0 3 5 系统状态量采集电路2 卜 3 5 1 数字量输入电路2 1 - 3 5 2 模拟量采集电路2 4 3 5 3 编码器脉冲计数电路2 7 3 6 通信电路3 0 3 7 信息存储电路3 0 3 7 1 实时时钟电路3 0 3 7 2 存储器电路一3l - 3 8 执行电路3 2 3 9 c a n b u s 接口电路- 3 2 - 3 1 0 本章小结3 3 第4 章软件设计与实现 3 4 4 1 概述3 4 4 2 安全保护程序3 5 4 2 1 外部总线驱动设计3 5 4 2 2 模数转换单元驱动设计3 7 i i i 目录 4 2 3 运行逻辑判断3 8 4 2 4关节限位3 9 4 2 5 安全防护设施监视4 0 4 2 6 过速过载保护4 0 4 3数据交互设计4 1 4 3 1 u a r t 驱动设计- 4 1 4 3 2 r s 2 3 2 数据交互4 2 4 4 信息存储设计4 3 4 4 1 s p i 驱动设计4 3 4 4 2信息存储4 4 4 5 c a n b u s 通信设计- 4 4 4 5 1e c a n 驱动设计4 5 4 5 2 c a n o p e n 通信设计4 6 4 6 本章小结4 8 第5 章性能指标实现与保护功能测试4 9 ：一 5 1概述4 9 5 2 性能指标分析及实现方案4 9 5 2 1模拟量检测精度4 9 5 2 2 编码器脉冲检测精度。51 5 2 3 r s 2 3 2 通信可靠性51 5 2 4 安全保护程序执行时间51 5 3 系统运行情况5 2 5 3 1 性能指标实现情况5 2 5 3 2 安全保护实现情况5 2 第6 章工作总结与展望。 6 1 工作总结5 3 6 2 下一步工作展望5 4 致谢 参考文献。 作者在攻读硕士学位期间发表的论文 附录 一5 5 一! ；i 。5 9 附录l 安全控制系统核心板实物图5 9 附录2 安全控制系统基板实物图6 0 一 附录3 安全控制系统核心板p c b 图6 l - 附录4 安全控制系统基板p c b 图6 2 i v 1 1 工业焊接机器人简介 焊接是制造业中最重要的工艺技术之一，而焊接机器人是焊接自动化的革命性进步。目前，国内外已 有大量的焊接机器人应用于各类自动化生产线上。工业机器人是一种能自动控制、可重复编程、 多功能，可以替代人完成特定任务的一种自动化装置口1 。工业机器人极大的提高了劳动生产 率，降低了生产成本，改善了劳动强度，对现代高技术产业以至人们的生活产生了重要影响。 而焊接机器人是工业机器人大家族中的望族，大约占各国工业机器人应用总数的2 0 一5 0 。 焊接机器人主要从事自动化生产线上的焊接工作，它是焊接自动化的革命性进步，突破了刚 性焊接自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化生产方式n 1 。 世界各国生产的焊接机器人基本上都属于关节机器人，绝大部分有6 个轴，其中，1 、2 、 3 轴可确定末端工具的空间位置，而4 、5 、6 轴解决工具姿态的不同要求。同时，根据焊接 工业的复杂程度，机器人可增加多个外部轴，如地轨、变位机、龙门架等。根据机器人焊接 要求的不同，还可以将机器人分为点焊机器人、弧焊机器人口，。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系统组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例， 则由焊接电源、送丝机( 弧焊) 、焊枪( 钳) 等部分组成。 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，如瑞典a b b 公司、奥地利k e b a 公司、德国k u k a 公司、日本f a n u c 公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。在国 内，工业焊接机器人企业多以进口机器人本体，再自行设计、制造配套的外围设备，完成机 器人系统工程。主要厂家有：沈阳新松机器人自动化，哈尔滨博实自动化设备，丰裕电机工 程，上海机电一体工程等。 1 2 “昆山l 号 机器人 “昆山1 号”机器人是东南大学与华恒焊接技术中心联合开发的全自动焊接机器人。该 机器人最大工作负荷为1 6 公斤，重复定位精度为 0 0 5 m m 。可以应用于汽车、家电、轻工等行业零 部件焊接作业及小型装配、激光切割、焊接等作业 中制。 “昆山1 号”机器人由机器人本体、外部轴、 控制柜及焊接设备组成。“昆山1 号 机器人本体 及焊接设备如图卜1 所示。它是8 自由度机器人， 包括6 自由度机器人本体和2 个外部轴( 变位机、 地轨) 。控制柜主要包括电气系统、运动控制系统、 安全控制系统。焊接设备主要包括焊枪、焊丝、送 丝机及相应控制设备。在实际使用中，机器人按照 以下过程工作： 1 该机器人运动控制系统主要由示教编程 器、工控机、运动控制卡和交流伺服驱动 器组成。 2 用户使用示教编程器示教焊接轨迹、编辑 示教程序或从以太网接收离线示教程序， 并通过以太网发送至工控机。 图1 1 昆山l 号机器人 3 工控机作为运动控制系统的处理核心，负责对示教程序进行解释分析，按要求规划 东雨大学硕士学位论文 出合理的运动轨迹，并以固定时间间隔送往运动控制卡执行。 4 运动控制卡将接收到的轨迹细分，进行准p i d 位置闭环运算，并输出模拟量指令至 交流伺服驱动器。 交流伺服驱动器根据指令完成速度环或电流环运算，控制机器人各运动轴完成相应动作。 本文所述机器人安全控制系统应用于“昆山1 号 机器人控制柜中，与运动控制系统协 同工作。它监视各轴伺服驱动器的工作状态及工作环境中的安全信号，同时实时计算机器人 各关节速度、转矩及角度，实现机器人工作逻辑监控、关节限位、过速过载保护功能，从而 大大提高了机器人工作的稳定性和安全性，确保机器人安全作业，同时有效地保护了现场人 员和设备。 1 3 安全标准及研究现状 1 3 1 安全标准 针对机器人的安全要求，国际标准化组织( i s o ) 发布工业机器人安全规范i s 01 0 2 1 8 1 崎。， 规定了工业机器人及其系统在设计、制造、编程、操作、使用、维护和修理阶段的安全要求 及注意事项。2 0 0 7 年，国家标准化管理委员会颁布工业机器人安全规范g b1 1 2 9 卜2 0 0 7 m 1 ， 说明预防偶然事故的技术措施遵循下述两条基本原则： 1 自动操作期间安全防护空间内无人； 2 当安全防护空间内有人进行示教、程序验证等工作时，消除危险或至少降低危险。 1 3 2k u k a 机器人安全机制 而焊接机器人安全控制系统方面的研究，目前可参考资料比较少。 德国k u k a 机器人的安全控制系统采用被称为电子安全回路口1 的方式实现安全控制功能， 回路结构如图卜2 所示。这个双回路中各在线单元被称为节点，它们发出的探测位经过整个 回路后返回，若返回值与发出时相同，则认为回路中各单元正常工作；然后回路中各单元会 把检测到的机器人系统状态发送至下一节点，下一节点比较此状态与其所检测之状态，若相 图1 - 2 k u k a 机器人安全回路 8 a 叼p 删帕m o “ 图1 3k u k a 机器人安全保护状态量 同，则完成相应安全保护输出，并控制发送状态至下一节点。 k u k a 机器人的电子安全回路中各节点均检测外部安全保护装置的状态，并与前一节点状 态比较，根据比较结果，判断机器人能否继续正常工作，同时输出相应的控制信号。所检测 的保护装置状态包括：紧急停止、外部紧急停止、使能开关、面板使能开关、操作模式、授 权输入、安全门等。具体如图卜3 所示。 k u k a 机器人将关节限位、过速过载等保护措施集成在运动控制系统中完成，因此这些保 护在安全回路中没有得到体现。而本文所述安全控制系统，恰恰重点关注以上保护功能，下 文中将会进行详细阐述。 第1 章绪论 而国内机器人安全控制系统尚无可参考资料。 1 4 本课题的研究意义 随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，自动化焊接机器人从6 0 年代开 始用于生产以来，其技术已日益成熟，主要有以下优点： 1 稳定和提高焊接质量； 2 提高劳动生产率； 3 改善工人劳动强度，可在有害环境下工作； 4 降低了对工人操作技术的要求； 5 缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。 但是同时，工业焊接机器人机械、电气系统复杂，工作区域大，运行速度快，因而无法 准确预测在不同工况下有可能出现的所有危险，尤其在人工示教编程或者维护时，任何操作 失误和未知的系统缺陷都有可能造成设备损坏甚至引发重大安全事故陋1 。 另外，本课题安全控制系统所应用的国产焊接机器人“昆山1 号”各方面性能还不是很 完善，更重要的是，国产焊接机器人作业不是足够稳定，同时需要人工参与的环节更多，因 而其存在较大的安全隐患，甚至引发安全事故。 本论文所研究课题正是依据工业机器人安全规范的国家标准，参考国外产品( 如k u k a 机 器人) 的设计理念，同时结合“昆山l 号机器人的实际需求，设计实现独立的安全控制系 统，大大提高了机器人在焊接作业时的安全性，保护了示教人员、维护人员的人身安全，保 障生产企业的利益，具有良好的行业应用前景，有着深远的研究意义。 1 5 本论文研究内容及章节安排 本论文旨在设计一套应用于国产焊接机器人的安全控制系统，包括安全控制系统的需求 分析、总体设计、软硬件功能划分、硬件设计、软件设计、性能指标测试及安全保护功能测 试等内容。论文各章节内容安排如下： 第1 章为绪论，介绍工业焊接机器人的发展背景、“昆山1 号 机器人控制系统、工业 机器人安全规范及国内外研究现状、本课题的研究意义等。 第2 章首先参考k u k a 机器人的安全控制回路设计思路，并分析工业机器人安全规范的国 家标准，完成“昆山1 号 焊接机器人安全控制系统的需求分析，然后罗列“昆山1 号”机 器人系统状态量，给出总体框图，并进行软硬件功能划分。 第3 章根据系统设计要求及硬件功能划分，完成硬件电路的设计，并详细介绍各个电路 的实现方案及参数选择。 第4 章根据系统设计要求及硬件功能划分，介绍软件主流程，然后详细阐述各软件模块 的驱动程序设计及功能实现。 第5 章首先对安全控制系统的性能指标进行分析，提出各项指标的实现方案，然后给出 大量随机的安全保护功能的测试结果。 第6 章对安全控制系统设计过程中所做的工作进行了总结，针对不足提出改进目标，同 时展望下一阶段的工作。 第2 章安全控制系统需求分析及总体设计 2 1 需求分析 2 1 1 安全防护装置 采用机器人进行焊接，光有一台机器人是远远不够的。焊接机器人工作站绝不仅仅是配 备有焊枪( 钳) 的单个机器人，它必须 是一个系统，除机器人外还需要有焊接 设备、工件的移动装置、工件变位装置、 工件的定位和夹紧装置、焊枪喷嘴或焊 钳电极的清理装置、安全保护装置等等。 而工业焊接机器人工作站环境通常比较 复杂，具有大功率设备密集，电网波动 大；协同工作的吊装设备、转运设备数 量多，流程复杂：现场工作人员操作频 繁等特点。在操作人员或示教人员需要 接近机器人时，产生危险的概率也随之 上升，因此设置必要的保护装置势在必 行。 安全保护装置包括防撞传感器、安 全围栏、安全光栅、紧急停止按钮等。 图2 1 中描述了典型的焊接机器人系统 及其安全防护装置的安装位置。 其中，防撞传感器通常由伺服驱动 装置自带的电机转矩测量单元代替，以 口口 1 规器入 - 哥：壤拽聋亍嚣- 一工件i - 啦篷蛾动力设鍪5 _ - 期凳设备i 扣安全魏护麓置 7 q 趸定空l i j 0 ( + 7 ) 最太空剃联锁f h l o _ 铙装置 图2 1 焊接机器人安全保护装置 实现过载保护；安全围栏是围在焊接机器人工作区域之外的围栏，这里所指的机器人工作区 域是指机器人为了焊接全部焊缝所需运动的最大范围的水平投影面积，而不一定是机器人本 身的最大运动空间；在操作人员装卸工件、示教程序的围栏开口一侧，安装安全光栅，即在 围栏开口处安装一对红外发射器与接收器，以判断是否有人进入安全围栏，从而决定是否停 止机器人运动；另外，为了以防万一，应该在机器人工作环境周围安装多个紧急停止按钮； 至少应在操作人员的操作盘上和安全围栏的门边安装急停按钮。 2 1 2 工业机器人安全规范 本节主要对工业机器人安全规范的国家标准g b1 0 2 1 8 1 9 9 7 中对机器人安全作业方面的 要求进行罗列分析，提出与“昆山l 号 机器人相关的内容，从而为本文所要设计的安全控 制系统提供依据。 首先，安全规范中定义危险源主要包括以下几方面： 1 保护设施移动或拆卸； 2 动力源或配电系统失效或发生故障； 3 控制电路、装置或元器件失效或故障； 4 机械部件运动引起挤压或撞击。 针对以上危险源，安全规范提出安全保护系统的基本设计要求，机器人系统在设计、制 造和应用中应考虑到万一某个元部件( 电气、电子、机械、气动或液压) 发生不可预见的失 第2 苹安全控制系统需求分析及总体设计 效时，安全功能应不受影响，若受影响时，机器人系统仍应保持在安全状态，安全功能至少 应包括如下方面： 1 限定运动范围； 2 紧急停机或安全停机； 3 慢速； 4 连锁防护装置。 对以上安全规范进行分析，不难发现，机器人工作现场至少要保证有安全防护装置，如 安全围栏、安全光栅，紧急停止按钮。在此基础之上，需要能够检测防护装置状态、电气系 统状态、机器人过速、过载、超出工作区域等状态，从而对这些危险情况快速准确的做出响 应。因此，独立工作的安全控制系统显得尤其必要。 2 1 3 “昆山1 号”安全保护需求 2 1 3 1 运动控制系统 “昆山1 号 机器人运动控制系统包括示教器、工业计算机、p m a c 运动控制卡以及伺服 放大器，结构框图如图2 2 所示。 图2 2 “昆山1 号”机器人控制系统 其中，工业控制计算机由华北科技公司生产，c p u 为v i ac 8 0 0 m 低功耗处理器，2 5 6 m 内 存，支持p c 1 0 4 总线接口，并提供三个r s 一2 3 2 和一个r s 一2 3 2 4 2 2 4 8 5 通讯口，硬盘容量 8 0 g 。能够运行w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统。主要参数如下： 主板：安勤p c m 一3 6 1 03 5 寸主板 c p u ： v i a8 0 0 m 低功耗处理器 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 o o 总线：1 6 位p c 1 0 4 接口 串口：r s 2 3 2 一个，r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 一个 网卡：双e t h e n e t 接口，1 0 0 1 0 m 自适应，8 0 2 3 硬盘：希捷7 2 0 0 转8 0 g 其他：看门狗，集成显卡、声卡，p s 2 鼠标、键盘，液晶显示器等。 东南大学硕士学位论文 p m a c 运动控制卡为美国d e l t at a u 公司的p m a c 2p c 1 0 4 运动控制卡。它为三卡叠加系 统，分别为：基卡，轴扩展卡及通讯卡旧1 。该卡可同时控制卜8 个轴，且各轴可完全独立控 制。p a m c 伺服算法为准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 u s 。 该卡提供两种程序模式，即运动程序和p l c 程序。运动程序负责接收目标轨迹点，伺服算法 根据跟随误差计算，输出控制指令( 速度或转矩指令) 至伺服控制器；p l c 程序在伺服周期 中空闲时间执行，实现一些必要的控制功能。 “昆山1 号 选择松 下m i n a sa 4 系列高性能交 流伺服放大器n 引，支持外 部制动器和1 7 位绝对式旋 转编码器。如图2 3 所示。 该驱动器可通过设置参数 完成位置环、速度环、电 流环或者全闭环控制。本 系统中，设置伺服为速度 环控制模式。控制器通过 数字量i o 接口控制驱动 器的执行与停止，通过模 拟量指令控制各关节的运 动速度。 机器人运动控制系统 工作原理如下所述： 5 3 m ( 嘲i m o l ，l e ，0 图2 - 3 松下a 4 伺服放大器 1 示教器通过工业以太网与至工业控制计算机相连，为用户提供机器人操作的手持终 端。用户通过示教编程器示教焊接轨迹、编辑示教程序或通过以太网接收离线示教 程序。 2 工控机为整个运动控制系统的核心单元，负责对机器人工作各项任务进行管理。因 此与安全控制系统通信由工控机完成，而工控机则作为前者的上位机。工控机通过 以太网接收示教程序进行解释分析，按要求规划出合理的运动轨迹，并通过p c 1 0 4 工业总线通信，以固定时间间隔( 如1 0 m s ) 将目标轨迹发送至运动控制卡执行。 3 p m a c 运动控制卡进行位置闭环控制，完成高实时性、高时钟精度的伺服计算功能。 运动控制卡将目标轨迹细分，进行准p i d 位置闭环运算，同时输出模拟量指令至伺 服放大器。 4 伺服放大器根据运动控制卡给定的控制量完成速度环运算，对电机进行相应伺服控 制，即转速控制，从而控制机器人各关节完成相应动作。 2 1 3 2 搿昆山1 号力性能指标 “昆山l 号 焊接机器人机械结构包括机器人本体和外部轴。其中，机器人本体为6 自 由度垂直关节，各关节均为旋转轴，都有其最大运动范围、最大运动速度。各参数详见表2 1 。 表2 一l 机器人本体参数 项目1 轴( 回转)2 轴( 下臂) 3 轴( 上臂) 4 轴( 横摆)5 轴( 俯仰)6 轴( 回转) 最大运动范围 + 1 5 0 o + 3 0 。 + 1 5 0 0 + 1 8 0 。 + 1 2 0 。 + 3 6 0 0 一1 8 0 o 一1 2 8 。一1 2 0 0一1 8 0 。一1 2 0 。一3 6 0 0 最大速度 1 4 0 。s1 4 0 。s1 4 0 。s2 7 0 。s2 7 0 。s4 0 0o s 昆山l 号 还包括两个外部轴：地轨及变位机。地轨在机器人运动轨迹规划中被定义为 7 轴，这是一个直线轴，机器人本体安装在地轨之上，可以沿地轨直线移动至被焊工件的最 佳焊接位置；而变位机被定义为8 轴，是一个旋转轴，其作用是将工件旋转到最佳焊接位置。 这两个外部轴参数详见表2 2 。 第2 章安全控制系统需求分析及总体设计 表2 2 机器人外部轴参数 项目7 轴( 地轨)8 轴( 变位机) 最大运动范围 0 m 1 0 m一3 6 0 。+ 3 6 0 o 最大速度 0 5 m s2 0 。s 在机器人进行示教、再现等操作时，由于运动控制系统出现故障或产生错误，各关节可 能超出其最大运动范围或者产生过速，这是极其危险的，所以在安全控制系统中，需要进行 关节过速保护和关节限位保护等功能。 2 2 总体设计 2 2 1 概述 根据上述章节中对于安全保护需求及安全规范的国家标准的分析，同时结合“昆山l 号” 机器人的性能参数、运动控制系统的特点，确定安全控制系统需要完成以下两方面的任务： 1 监视机器人运动控制系统各类状态量，如伺服放大器接口数字量、各关节电机转速、 转矩以及机器人各关节位置，分析机器人的运行逻辑是否正确，判断机器人各关节 是否存在超出最大运动范围、过速过载等情况，针对不同安全情况做出相应保护动 作； 2 监视机器人工作区域内安全设备的状态，确保备用电源稳定，并根据安全门，安全 栅栏等设施的状态决定当前的安全等级和允许执行的动作。 2 2 2 系统状态量 安全控制系统监测的系统状态包括以下三类： 1 伺服放大器i o 接口数字量、模拟量、光电编码器脉冲信号，用以检测机器人运动 逻辑、各关节速度、转矩、运动角度等状态； 2 。控制柜面板按钮信号，包括上电使能、面板急停、运行、暂停等；电气系统开关量 信号，主要是继电器、接触器触点状态量； 3 安全防护设施及备用电源的状态。 2 2 2 1 伺服放大器i o 接口 伺服放大器i o 接口如图2 4 所示。 伺服放大器i 0 接口信号包括2 4 v 数字量、速度及转矩模拟量、光电编码器脉冲，接下 来详细介绍这这些信号。 1 2 4 v 数字量 这些数字量通过伺服放大器背板x 5 插口与外部器件相连，见图2 4 。 运动控制卡读取输出量，判断伺服放大器及电机关节状态，进行分析处理，输出信号至 伺