基于6R喷涂机器人的多轴运动控制系统设计

l 6 4 第 3期 2 0 1 0年 3月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 3 0 1 6 4 0 2 基于 6 R啧涂机器人的多轴运动控制系统设计 术 周 伟谢存禧 华南理工大学 机械工程学院 广州 5 1 0 6 4 0 Th e d e s i g n o f mu l t i a x i s mo t i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n 6 R p a i n t i n g r o b o t ZH0U W e i XI E Cu n x i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 C h i n a 0 c0 0 OO 0 00 01 0 00 1 I 00 O0 00 00 0 O0 00 0O 0 OO 00 00 00 00 0 00 00 I O L 00 O 一 摘要 针对传统封闭式喷涂机器人控制系统的实时性差的缺点 提出了用I P C D S P 运动控制器 的运动控制模式建立六 自由度啧涂机器人开放式控制系统的结构设计方案 采用 I P C P MA C运动控制卡 的结构来实现对喷涂机器人的 控制 并设计了 控制系 统的硬件平台结构 通过层次化体系结构提高了多 轴控制系统的效率 模块化的软件设计更使系统具有很强的可移植性 扩展性和开放性 关键字 喷涂机器人 开放式 多轴运动控制 A b s t r a c t 1 s p r a y i n g R o b o t f o r t r a d it io n a l c l o s e d e n d r e al t i m e c o n t r o l s y s t e m of t h e s h o r tc o m i n g s of t h e p o o r i t u s e d m o v e m e n t I P C D S P c o n t r o l l e r S mo t i o n c o n t r o l mo d e l r a y i n g R o b o t o v e n C o n t r o l s 一 t e rn t h e s t r u c t u r al d e s i g n of t h e p r o g r a m u s i n g I P C P MA C mo t i o n c o n t r o l c a r d S t r u c t u r e t o r e ali z e t h e s p r a y i n g r o b o t c o n t r o l a n d d e s ig n of t h e c o n t r o l s y s t e m h ar d w ar e p la tf o r m s tr u c t u r e T h r o u g h t h e h ie r a r c h i c a l s t r u c t u r e o ft h e s y s t e m of m u l t i a x i s c o n t r o l s y s t e m t o i m p r o v e t h e e f fic i e n c y oft h e m o d u l a r s o f t w are j s y s t e m d e s i g n e d t o m a k e m o r e h i g h l y p o r t a b i l i t y s c a l a b i l i t y a n d o p e n n e s s Ke y wo r d s P a i n t i n g r o b o t Op e n i n g Mu l t i a x i s mo t i o n c o n t r o l 00 cl l 0 00 1 30 00 00 0c 0 00 00 00 00 c 00 00 00 c 0 00 C D 0O 00 00 一 O 0c 中图分类号 T H1 2 T H1 3 3 3文献标识码 A 1 引言 在国外 喷涂机器人是一项较成熟的技术 大概已经有三十 年的研究和发展历史了l l l 在国内 喷涂机器人的研究始于上世纪 八 九十年代 由于国内市场巨大 近年来汽车制造和大型的机械制 造业在国内的发展和需求 国内的许多汽车厂家和制造公司也正 在研究和开发适合自己的喷涂机器人并准备进行商业化生产12 1 六 自由度喷涂机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动 控制系统 由于传统的机器人封闭式控制系统具有软件兼容性 差 系统扩展性差 容错性差以及缺少网络功能等缺点 随着机器 人智能控制体系的发展以及在工业上的广泛应用 传统的的机器 人控制系统由于其本身的限制已不能满足现代工业和社会发展 的要求 开放式控制系统应运而生 并很快成为了一种重要的工 业标准日 开放式结构的控制系统的发展趋势是以P C为基础 采 用面向对象的模块化的设计方法来构造系统 实验室与广州数控 合作共同开发喷涂机器人 采用 I P C P MA C运动控制卡的开放 式多轴运动控制模式 从而缩短了喷涂机器人的开发周期 降低 了喷涂机器人的开发成本 为 6自由度喷涂机器人的商业化生产 做好了必要的技术支持 2 喷涂机器人的机械主体结构 在喷涂过程中 由于被喷涂工件表面比较复杂 故要求喷涂 机器人手腕很灵活 能够到达空问的任意位置和姿态 实验室所 设计的喷涂机器人由腰部 大臂 小臂以及腕部四部分组成 具有 六个 自由度 即六个回转关节 前 3个关节决定喷涂机器人喷枪 在空间的位置 后 3 个关节决定其姿态 喷涂机器人的结构示意 图 如图 1 所示 图 1喷涂机器人的结构示意图 3 喷涂机器控制系统设计 3 1 喷涂机器人开放式控制系统硬件结构设计 在机器人控制系统中 若 只采用 P C机下的 Wi n d o w s 平台进 行运动控制 就存在实时性差的缺点 很难保证计算周期在毫秒 级的伺服控制周期之内 为了解决这个问题 就需要使用运算速 度快的D S P运动控制卡 让 Wi n d o w s 运行卡 j 对慢一些的任务 让运动控制卡处理速度很快的运动伺服控制 这就是 I P C D S P 的控制模式 实验室将采用 D e l t a T a u公司的P MA C可编程多轴 运动控制器与 I P C工控机组成的双微机分级控制方式 上级I P C 工控机负责机器人的系统管理和上层路径规划 包括各种文件数 据管理 系统状态监测 故障处理 运动学正逆解 运动控制程序 的生成 伺服参数调整等实时性要求不高的任务 并通过 来稿 日期 2 0 0 9 0 5 2 2 k 基金项 目 广东省科技计划资助项 目 2 0 0 7 B 0 1 0 4 0 0 0 4 9 m 叫 造 与 机 第 3期 周 伟等 基于 6 R喷涂机器人的多轴运动控制 系统设计 1 6 5 P C o ram 3 2动态链接库向 P MA C发送在线指令 实时获取以 P MA C为基础的伺服系统的状态和发送运动数据 下级P MA C运 动控制卡负责接收由t P C发出的各种运动控制命令 并根据位置 给定信号和光电编码器的位置反馈信号 分时完成每个电机转角 的误差计算 控制算法计算及 D A转换 并且将速度给定信号加 至伺服组件的控制端子 完成对6 个伺服电机的位置伺服控制 根 据以上分析和Wi l l i a m E F o r d 提出的开放式机器人控制系统的基 本思想 设计了喷涂机器人运动控制系统结构 如图2所示 广 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 1 图2喷涂机器人控制系统的总体结构 喷涂机器人控制系统中 双端口R A M作为I P C和 P M A C之 间的高速缓冲区 将 I P C内存中的轨迹数据下载到P MA C 或将 关节位置的传感器信息和伺服系统的总体状态信息反馈回I P C P M A C运动控制卡通过 P C I 总线连接到 I P C工控机中 将 I P C机 的信息处理能力和 P MA C的运动控制能力有机的结合到一起 具有开放性程度高 实时性和通用性好 运动控制轨迹准确等优 点 同时运动控制卡本身提供了在 Wi n d o w s 环境下的动态链接 库 使用非常方便 大大缩短了产品的研制和开发周期 3 2喷涂机器人控制系统软件模块化结构设计 喷涂机器人的整个控制程序是在具有开放性的Wi n d o w s X P 平台上用微软的V i s u a l S t u d i o 2 0 0 5 c 编写开发的 其中包括主 机和示教盒的操作界面 解释器程序 轨迹插补程序 运动学正逆 解算法程序等 喷涂机器人运动控制系统软件体系结构主要包括系统管理 与通讯模块 初始化与数据处理模块 运动控制与轨迹插补模块 动态跟踪与检测模块四个部分 系统管理与通讯模块主要负责上 位机和 P M A C之间的通讯 同时实现对整个系统的调度和管理 以及示教编程 初始化与数据处理模块主要负责对机器人的系统 参数和工作参数的配置工作 运动控制与轨迹插补模块根据示教 时得到的若干示教点实现直线和圆弧的轨迹规划和运动学正逆 解算法 并将相关参数传给运动控制卡 执行运动控制程序 动态 跟踪与检测模块负责对伺服放大器和相关外设的输入信号进行 处理 识别其中的异常 并将异常反馈到系统管理模块 从而实现 故障报警功能 对运动控制系统软件进行模块化设计 不仅使喷 涂机器人软件系统具有很好的可扩展性和可移植性 而且有利于 系统开发过程中程序员之间的分工与合作 4 喷涂机器人关节伺服控制系统 由于喷涂机器人的运动过程是变负载的 因此为了保护电机 和电路以及保持运动过程的相对平稳 需要在运动过程中对电流 进行控制 采用的三层闭环回路来实现机器人的位置控制 如图 3所示 电流闭环由伺服放大器来实现 是由伺服放大器来自己 调解的 它可以避免有电流突变造成的电路破坏 速度闭环也由 伺服放大器来实现 它采用的是比例积分控制 用户可以根据不 同系统的控制要求调整比例常数 K v p和积分常数 T v i 来获得满 意的速度闭环特性 位置闭环由 P MA C运动控制卡来完成 P MA C对于位置闭环采取了P I D控制的方式 位置闭环的参数可 以通过 I 变量来调节 根据系统的不同伺服要求可在一定范围内 由用户设定 实际使用中验证这种三环控制系统运行平稳 定位 精度高 具有良好的开放性和扩展性 P MA C 交流伺 服电机 l 电 流 反 馈 I 一 速变反馈 L J 光电 I 编码器 图3喷涂机器人关节位置伺服控制系统的实现方案 5 I P C同 P M A C之间的通信 I P C上的Wi n d o w s 与 P M A C之问通过 D e l t a T a u 公司提供的 P C o m m3 2 动态链接库进行通信 P C o m m3 2 包括了所有与P MA C 的通信方法 在主程序中只需调用 P C o m m3 2动态链接库就能完 成 Wi n d o w s 同P M A C之间的数据交换 尽管 P C o m m3 2 动态链接 库中包含了很多函数 但常用的并不多 只要掌握了以下几个函 数 就可以实现大多数的通信功能 O p e n P m a c D e v i c e 为应用程序使用 P M A C打开一个通道 C l o s e P m a c D e v i c e 当程序运行完毕后关闭所打开的通道 P m a c G e t R e s p o n s e A 发送一个命令字符串给 P M A C 并 从缓冲区得到P MA C反馈 P m a c C o n fi g u r e 调出配置对话框并修改P MA C的参数 P m a c D o w n L o a d A 锵 程序从 I P C下载到 P M A C P m a c S e n d C o mm a n d A 发送一个命令字符串给 P MA C 6结论 以上介绍了一种基于喷涂机器人的多轴控制系统 该控制系 统采用 I P C P MA C运动控制卡的控制模式 采用分层体系开放 式控制系统结构 将 I P C机的信息处理能力和P MA C的运动控 制能力有机的结合到一起 极大的提高了系统的工作效率 并在 此基础上提出了喷涂机器人控制系统软件模块化设计 使这种喷 涂机器人控制系统具有良好的开放性 实时性和扩展性 从而提 高了喷涂机器人的开发效率 降低了喷涂机器人的开发成本 有 利于喷涂机器人的商业化生产 参考文献 1 F a r s i 1V L R a t c l i ffK J o h n s o n E J e tc R o b o t C o n t r o l S y s t