喷涂机器人控制系统设计.pdf

第 5 期 总第 186 期 2014 年 1O 月 机 械 工 程 与 自 动 化 M EC H A N IC A L E N G IN E E R IN G A U T 0 M A T 10 N N o 5 0 c t 文章编号 1672 6413 20 14 05 0147 03 喷涂机器人控制 系统设计 江五讲 林 威 华 中科技 大学 机械科学 与工程 学院 湖北 武汉430074 摘要 设计 了一种空 间五 自由度 喷涂机器人 的控 制系统 包括控制 系统 的硬件 与软件 结构 该控制 系统采用 P C 104 主板 配 以 A D T 836 运 动控 制卡 实现 了机器人 空间 5 个 关节的协调控制 可进行喷涂轨迹示教 轨 迹文件编辑及 自动喷涂等作业任务 该控制 系统具有结构简单 便于维 护 开发周 期短 可靠性高等特 点 关键 词 喷涂机器人 控 制系统 运动控制 卡 中田分类号 T P 242 2 文献标识码 A 0 引 言 喷涂机器人是一种常用的工业机器人 其研究 与 应用已有 4O 多年的历史 目前 在国内喷涂行业 中使 用的喷涂机器人绝大多数还是国外大公司生产的机器 人 比如瑞士的 A B B 公司 德 国的 K U K A 公 司以及 日 本的安川电机公 司等口 近年来 我 国的华南理工大 学 华 中科技大学等科研机 构先后对喷涂机器人技术 进 行 了深 入 的研 究 取 得 了不 少 进 展 国 内 的一 些 企 业积极与机器人研究机构开展项 目合作 推动着我 国 喷涂机器人技术的发展 本文针对低成本小型喷涂机 器人的设计要求 以 自行设 计的五 自由度 喷涂机器人 为对 象 采用 PC 104 主板 配 以 A D T 836 运 动控 制 卡 研究 开 发 了一套 机器 人控 制 系统 1 喷 涂机 器人 控 制 系统 1 1 控 制 系统 功 能 控制系统是机器人的关 键部分 机器人整体功能 的实现在很大程度上都依赖于控制系统的功能 分析 喷涂机器人 的工作任务 总结 出喷涂机器人控制系统 应 具备 以下功 能 1 机器人运动控制功能 控制机器 人各关节的 启动 停止和正转 反转 喷枪 阀的启 闭 使机器人的 各个关节能协调地工作 2 喷枪速度控制功能 能对 机器人 末端喷枪的 行走速度进行调节 并采取一定 的措施保证其运动速 度 的稳定 性 3 机器人 系统供 电控制 功能 对喷涂机器人 的 供电进行控制 在面板上显示 电源供电状态 制动器需 加单 独 的供 电控 制 以方便 安 装调 试 4 电机 超速 报 警 及 处 理 功 能 选 用 合 适 的增 量 编码器采集各关节的转动角度信号 当采集 到的转动 速度超过设定的最大速度 时 做停机处理并给出警告 信号 以防事故的发生 5 人机交互功能 通过 LC D 触摸屏提供用户操 作接 口 按键和显示 能让用户方便地 了解系统状 态 和设定喷涂机器人的工作方式 6 机器人安全防护功能 为了防止控制系统出 现故障时致使机构损坏 需在机械限位前加光 电限位 开关 当检测到异常信号后 做停机处理并给出警告信 号 以 防事故 的发 生 1 2 控 制 系统 结构 从 喷涂机 器 人控 制 系 统 需 实 现 的功 能 可 以看 出 该系统应具有前向通道 传感器 后 向通道 电机及喷 枪阀等的控制 数据运算处理部分 决定控制 时机和 方式 及人机界面 是一个闭环控制系统 由于 PC 104 嵌入式系统的运算处理功能强 可靠性高 体积小 调 试方便 且成本低 因此采用 PC 104 作为控制系统 的 主机 另外 采 用运 动 控 制 卡对 喷涂 机 器 人 的各 关 节 进 行运 动控 制 这 样 整 个 控 制 系 统 可划 分 为 PC 104 嵌入式主板模块 执行机构驱动电路 传感器 电源和 控制面板几部分 控制系统的总体结构框图如图 1 所 示 2 控 制 系统硬 件 设计 本 喷涂 机器 人 控 制 系统 PC 104 模块 选 用 研华 PC M 一 3343F 其主要特点为 采用高性能低功耗 C P U 模块 C PU 速度 1 0 G H z 带有浮点运算单元 在板集 成了 256 M B 内存 最大可支持 512 M B 显示控制器 支持 L CD 显示 以太 网控制器等 2 运动控制卡选 用国产众为兴 的 A D T 一 836 运动控制卡 该运动控制卡 收稿 日期 2014 0 1 23 修 回 日期 20 14 03 21 作者简介 江五讲 1984一 男 湖北黄冈人 在读硕士研究生 主要从事机器人控制系统的研究 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 148 机 械 工 程 与 自 动 化 2014 年第 5 期 是基于 PC 104 总线的高性能六轴伺服 步进运动控制 卡 其速度控制有多种方式 如对称 非对称直线加 减速 S 曲线加减速 在运动过程中可实 时改变速度 和 目标位置 可使用连续插补功能实现高速高精度轨 迹控 制 Pa l04嵌入式主板 运动控制卡 电 源 IJ 图 1 喷 涂 机 器 人 控 制 系 统 结 构 框 图 2 1 驱动 方 式 步进电机驱动可直接实现数字控制 控制结构简 单 控制性能好 而且成本低廉 适用于传动功率不大 的关 节 或小 型机器 人 3 考 虑到本 喷 涂机器 人 的实 际 使用范围和成本因素 决定选用步进电机加行星减速 器作为机构驱动部件 2 1 1各关节最大负载转矩计算 腰关节电机主要 带动整个机 械臂作水平旋 转运 动 当大臂 小臂及手腕均处于水平工况时 腰关节转 动轴 处 的转 动惯量 最 大 此 时 的腰 关 节 转 动 惯 量 计算 示意 图如 图 2 所示 750 mm 500蛐 大臂 小臂及手 I 200蛐一 2o 关 节 重心 肘关节 腕重心 r I 腰腰 关 节 T l T 1 喷 图 2 腰关节转动惯量计算示意 图 此时算得 的腰关节最大转动惯量为 厂 z m 0 z 1l 77 2 z 3li 4l l1 39 kg 12 1 考虑到该 关节处 使用行 星 减速器 传动 选 定 的 传动 比 一30 传动效率 叩 一90 取安全系数 K 一2 M O T E C 两相步进电机 其静扭矩 T 一2 N m 则由公 式 T X X rl 2 z a 可算得腰关节最小角加速度为 个V V a 一 一2 37 rad s 一13 6 s z 肩关 节 电机 主要带 动大臂 作俯 仰动 作 当大臂 小 臂及手腕均处于水平工况时 该关节的负载转矩最大 此时的负载转矩计算示意图如图 3 所示 肩 5 50岫 0 墼叫大臂重心 肘关节 腕重心喷理 T 处 盈 4 1 kg m 4 6 kg m4 9 94 k g 图 3肩关节最大负载转矩计算示意 图 肩 关节 处 的最大 负载转 矩 M为 M m 2gl m 3g l 4gl 100 46 N m 则该关节驱动装置需要输出的最大负载转矩为 T K M一 2 X 100 4 6 2 00 92 N m 其他几个关节的最大负载转矩计算方法与肩关节 相同 2 1 2 各关节电机参数计算 由算得的各关节的最大负载转矩来选择各关节驱 动装置的传动比和电机的最大输出转矩 机器人传动 系统设计的基本准则是在满足机器人本体技术参数要 求的前提下 满足传动 比大 体积小 重量轻 惯量小等 要求 在选型计算中需用到的计算公式有 1 所需电机最高转速计算公式为 电机转速 r m i n 一关节转速 s 传动1 6 2 所需电机最大转矩计算公式为 电机转矩 N m 关节转矩 传动比 传动效率 3 所需电机最大功率计算公式为 电机功率 w 一电机转矩 电机转速 2 60 各关节驱动装置相关参数计算结果如表 1 所示 2 2 硬 件模 块 电路 设 计 本喷涂机器人控制系统硬件电路使用了多个开关电 源分别对控制板 失 电制动器和驱动电机供 电 采用运 选择北京 阿沃德公 司生产的型号为 SM 257 8OH 的 动控制卡产生脉冲和方向信号控制各关节电机驱动器 表 1各关节 电机参数计 算结果 最小转速 最大转速 最大转矩 电机最低 电机最高 电机最大转矩 电机最大 关 节名称 总传动比 s s N m 速度 r m i n 速度 r ra i n N m 一O 9 功率 w 腰关 节 5 90 30 54 00 25 00 450 2 OO 94 2 5 肩关 节 5 60 50 10 0 92 4 1 67 500 4 46 233 78 肘关 节 5 12O 25 2O 0 7 2O 83 500 O 89 46 7 腕关 节 10 240 8 2 36 13 33 320 0 33 10 96 腕俯仰 10 240 8 2 36 13 33 320 0 33 10 96 由于工业机器人工作 环境较 为复杂 因此供电安 全非 常重 要 需要 在 电源输 入端 加 电源开关 控 制 电路 电源输入端开关控制电路如 图 4 所示 电路中使用了 漏电保护开关 继电器 启动和停止按键 通过该电源 开关控制 电路 可以安全 快速地进行开关控制 运动控制卡与电机驱动器及两相步进电机的接线 图如 图 5 所示 考虑安全因素 本喷涂机器人使用了失电制动器 由于使用失电制动器使得在不供电时机器人各关节都 不能转动 这给机构安装调试带来 了不便 因此 需设 计一路只给失 电制动器供电而不给系统其他部件供电 的电源开关控制电路 设计的制动器开关控制电路如 图 6 所 示 3 控 制 系统 软 件设计 一一一一一一一 馈 可 厶 反 百 竺 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2014 年第 5 期 江五讲 等 喷涂机器人控制 系统设 计 149 本喷涂机器人控制系统采用 V i sual C 6 0 开发 软件 进 行开 发 在 W i ndow s X P 操 作 系统 下 运 行 该 控 制 系统 的控 制过 程 如下 启 动一 自动 寻 找 零 点一 设 定编码器零位一设定工作模式一运算处理一控制和状 态信号输出一编码器输 出信号一反馈控制 PU L 1 D IR 1 图 4 电源 输入端开关控制 电路 图 5 V 图 5 电机驱动器连接 电路图 P 6 P 7 P 8 P 9 P l0 图 6 制动器开关控制 电路 喷涂机器人主程序 主要包括初始化模块 手动调 节模块 喷涂模块和复位模块 主程序结构框 图如图 7 所 示 手动调节模块 主要包括单关节转动子程序和控制 前进后退 上下移动 左右移动 的多轴联动子程序 用 于检测喷涂机器人各关节运动是否正常 喷涂模块由示教子程序 文件编辑子程序和喷涂 控制子程序组成 示教和文件编辑子程序用于生成和 修改轨迹文件 喷涂控 制子程序用于 自动喷涂 作业 喷涂运动控制程序流程图如图 8 所示 主 程 序 图 7 初始化程序 复垡 I 喷涂机器人主程序结构框图 图 8 喷涂运动控制程序流程 图 4 结 束语 本 文介 绍 了一 种基 于运 动控制 卡 的五轴 喷涂 机器 人控制系统方案设计 详细介绍 了该控 制系统 的功 能 驱动方式选择 硬件模块 电路设计 和软件控制流 程 该控制系统方案具有结构简单 开发周期短 程序 可靠性 高 等特 点 参考文献 1 丁度坤 谢存禧 张铁 等 喷涂机器人控制系统的开发与 研究 J 机床 与液压 2009 3 13 15 E2 1张晓辉 焊接机器人控制系统的研究与设计 D 上海 东 华大学 2010 10 15 3 康 洪 P U M A 560 型机 器人 传动 系 统分 析 J 机 器人 19 8 7 5 49 55 D ev elop m en t of P a i n ti n g R ob ot C on tro l S ystem JIA N G W a i ang LIN W ei S c hool of M ec hani c al S c i en c e and E ngi neeri ng H uazhong U n i versi ty of S c i en c e and T ec hnology Wuhan 430074 C hi na A bstrac t T h e d esi g n o f pai nti n g ro bo t c o ntrol system w as presen ted T h e hardw are an d softw are struc tu re o f th e c on tro l system w ere i ntroduc ed T he c ontrol system usi ng a PC 104 and m oti on c ontrol c ard c ould reali ze the c oodi nati on c ontrol of fi ve joi nts i nc lu d i n g th e m o vi n g trac e dem o nstrati o n trac e d ata ed i ti n g an d au tom ati c sp ray i ng T he c on tro l system sc h e