四自由度码垛机器人控制系统设计

学士学位论文论文题目：四自由度码垛机器人控制系统设计姓 名 学 号 20101701025 学 院 控制科学与工程学院 专 业 自动化 年 级 2010 指导教师 2014 年 6 月 11 日II摘 要作为物流自动化领域的一门新兴技术，近年来，码垛技术获得了飞速的发展。码垛机器人以其高效、高精度、占地范围小等优势正在快速占领整个码垛行业。特别是西方发达国家几乎完全替代了人工码垛。从“七五”科技攻关开始，我国将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，实现了中国机器人产业的“从无到有” 。然而，从整体上说我国的机器人产业还很薄弱，机器人的研究依然任重而道远。本文就是立足于此，以具体工程实践为研究背景，进行四自由度码垛机器人控制系统的研究，以实现对码垛机器人的运动控制，满足生产实践需求。论文的主要内容如下：1、在绪论中简要介绍了本论文的研究背景及意义。2、通过分析机器人机械结构，获得机器人的几何模型，通过运动分析，得到运动变换关系式。3、根据码垛控制需求，选择位置伺服控制，并进行相关 MATLAB 仿真。4、以 ACR9000 多轴运动控制器和 MT6100iV 人机界面为核心控制器件进行相关系统硬件线路设计，共分为以下几个部分：相关器件选型、电气线路连接、控制器与伺服信号线路连接、触摸屏与控制器线路连接5、以 ACR View 和 EB8000 为开发工具，分别对下位机程序和人机界面进行开发。其中下位机程序运用 AcroBasic 语言进行模块化编程以实现示教、回零、再现、手动运行、参数设置等功能。上位机通过将相关控件与相应地址相链接实现对下位机的控制。关键词：码垛机器人，控制系统，位置伺服控制，AcroBasic 语言，模块化编程IIIAbstractAs a new technology in logistics automation area, in recent years, stacking technology has experienced a rapid growth. With their high performance, high precision and small area advantages, stacking robots are quickly capturing the entire palletizing industry. Especially in the western developed countries, palletizing robots almost completely replaced the manual stack. Since the tackle hard-nut problems in science and technology during Chinas Seven Five year Plan period,Our country has made torch-plan projects and application of industrial robots as one of the key research and development concentration.China has successfully realized robot industry from nonexistence to pass into existence plan. However, on the whole, our countrys robot industry is still underdevelopment, robots research is still a long way to go. This article talks about the control system of robot to realize motion control of the robot based on the engineering practice with specific background. Our purpose is to meet the industry requirement. Specific content of the article are as follows:1. The introduction of a brief background of this thesis and its significance.2. Through the analysis of the robots physical construction, get a simplified geometric model ,and with kinematic analysis ,get transformation equation of the end effector.3. Choose the way of Servo-position Control to meet the need of the stack.4. Use ACR9000 controller and MT6100iV HMI as the core of control device to design the hardware system. This part is divided into the following several parts: related components selection, electrical wiring connections, the connection between controller and servo driver，controller and the HMI5. Using the development software of ACR View and EB 8000 to design the control program and interface of the HMI. The control program is designed by AcroBasic language. We can use the program to realize the function of teach, playback, back home, manual operation, parameters settings and so on. Besides, HMI control the controller by the connection of ActiveX with relevant BIT address.KEYWORDS :stacking robot，control system，servo-position control，AcroBasic language ， modular program目录IV第一章 绪论 .11.1 研 究背景 .11.2 国内外发展现状 .21.3 论文研究意义和目的 .21.4 本文主要研究内容 .31.5 本章小结 .3第二章 码垛机器人机械结构及其运动学分析 .42.1 码垛机器人的机械结构 .42.2 运动学分析 .52.3 本章小结 .7第三章 伺服控制方式选择及仿真 .83.1 伺服驱动系统要求 .83.2 AC 伺服电机工作原理 .83.3 伺服控制方式选择 .93.4 位置伺服系统 .103.5 机器人 MATLAB 仿真 .113.6 本章小结 .13第四章 硬件控制系统设计 .144.1 硬件系统控制结构 .144.2 主要控制部件选型 .144.3 通信线路连接 .164.3.1 触摸屏与 ACR9000 的连接 .164.3.2 ACR9000 与伺服驱动器之间的连接 .164.3.3 其它信号线路 .184.4 电气线路连接 .184.5 本章小结 .18第五章 软件系统设计 .195.1 下位机软件开发 .195.1.1 ACR View 开发环境介绍 .195.1.2 系统参数配置流程 .195.1.3 AcroBasic 语言及相关编程介绍 .335.1.3 软件编写流程 .355.1.4 典型程序介绍 .355.1.5 运动监视、调试 .375.2 上位机触摸屏软件开发 .425.2.1 EB8000 开发软件介绍 .42V5.2.2 上位机界面开发 .435.3 本章小结 .44第六章 系统 测试 .45结束语 .46致 谢 .48参考文献 .49附录 .50附录 1. 控制柜电气线路连接图 .50附录 2. 调试过 程图片 .51附录 3. 成品实物图 .52附录 4. 下位机程序 .521第一章 绪论1.1 研究背景所谓码垛就是按照集成单元化思想，将一件件物料按照一定的模式堆码成垛，以便使单元化的物垛实现存储、搬运、装卸运输等物流活动 1。作为物流自动化领域的一门新兴技术，近年来，码垛技术获得了飞速的发展。一方面，随着企业集团化，生产能力规模化，对码垛能力的要求不断提高，传统的简单的码垛机和人工码垛已不能满足生产需要；另一方面，随着产品生产向着多品种少批量的方向发展，企业往往需要一线多产品的生产线，这就要求码垛机必须具备处理多种产品的能力。另外，随着大型物资批发配送中心的出现，需要为成千上万个用户按订单配送产品，这就要求码垛机具有混合码垛的能力，所有这些都为码垛机器人的发展提供了机会。作为工业机器人的典型的一种, 继70年代末日本将其用于码垛行业以来，码垛机器人在工业应用，尤其是包装领域和物流领域正发挥着越来越大的作用。将机器人与包装线相结合，既提高了生产线的工作效率，又增强了运行的可靠性，减少了人力资源的开支，更让当代企业迅速适应不断变化的市场要求，产生巨大的经济效益。码垛机器人以其特有的优势迅速抢占了码垛市场。其优势主要表现在以下几个方面：1.工作效率高 码垛机器人不仅能承担高负重，而且速度和质量远远高于人工码垛。2.操作精度高，工作范围大 码垛机器人的占地面积小，操作范围大；每一台码垛机器人都有独立的控制系统，极大地保证了作业精度。3.适应能力强 可以根据需要抓取不同类别的产品，更能适应现代多元化的生产。4.综合应用成本低 机器人虽然前期投入较高，但是却能达到成本效用最大化，且各家机器人都在为客户的成本控制而在产品中不断加入新的科技成果。5. 可以与其它检测设备和生产设备进行协调控制，构成现代化得自动生产线，大大提高企业自动化水平，提高了生产效率，增强企业竞争力图 1-1 码垛过程示意图21.2 国内外发展现状目前欧、美、日的码垛机器人在全球市场的占有率均超过了90，在机器人国际市场中占领份额最大的是日本，其生产、使用及销售一直处于全球领先位置。目前日本已经有130余家专业的机器人生产制造商。据日本机器人联合会2007年8月公布的数据显示：2007年第二季度机器人销售金额为1460亿日元，其中出口金额竟达到978亿日元。虽然2008年的金融危机使机器人的生产厂商也受到牵连，机器人生产和销售都有所影响，但随着经济的复苏，机器人行业也出现回暖的形势。2009年全球机器人行业总销售量仍比2006年增长10%。从“七五”科技攻关开始，我国将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，经过研制、生产、应用，实现了中国机器人产业的“从无到有”。“十五”期间是我国机器人产业发展的一个关键转折点。经过多年的研究开发，我国的机器人技术已经日趋成熟；市场需求在“十五”初期也有了一个“井喷式”的发展。此外我国也已经形成了以新松为代表的一些具有一定竞争力的机器人公司和产业化基地。但是，从整体上说我国的机器人产业还很薄弱，机器人的研究依然任重而道远。我国市场上机器人总共拥有量近万台，仅占全球总量的0.56%，其中完全化国产机器人仅占30% ，其余皆为从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进 2。究其原因，很大程度在于自主品牌不够，发展壮大自主品牌及其自动化成套装备产业成为当务之急。1.3 论文研究意义和目的日本、美国等西方发达国家码垛机器人应用广泛，几乎遍布整个相关行业。而在中国，码垛机器人在食品、包装等行业才刚开始得到应用。码垛机器人未能在较大行业范围内使用，而且在使用的码垛机器人中，进口的占据大部分比例。从各方面显示，工业机器人正处在迅猛发展阶段，掌握机器人的控制系统设计刻不容缓。另外，国家对机器人行业发展日益重视。山东省近日出台指导意见,从政策与资金方面促进机器人产业创新发展,促进机器人产业尽快成长为战略新兴产业。为加大对机器人产业的资金投入力度,山东省将建立以政府投入为引导、企业投入为主体、金融投入为支撑的多元化投资体系。自2010年起，实施山东省机器人创新发展科技重大专项，重点支3持面向山东省主导产业及领域的机器人关键共性技术研发及产业化项目的实施。省科技厅、发展改革委、经济和信息化委等部门的相关计划和专项资金安排向机器人的研究开发和示范应用推广倾斜。这对于机器人发展是一个重大机遇。因此抓住机遇，从事相关控制系统的研究，开发出高性能、低成本、具有自主知识产权的码垛机器人具有广阔的市场前景，同时可以进一步推进自主工业机器人的研发及推广使用，对于提高我国工业生产的现代化水平，都具有重大的经济价值和现实意义。1.4 本文主要研究内容本文依据山东省科学院自动化研究所机器人国家工程研究中心山东分中心所自主开发的一款四自由度混联码垛机器人为研究背景。主要研究码垛机器人的控制方案、控制算法，以及运用PARKER ACR9000对伺服驱动器进行控制，运用威纶MT6100iv触摸屏进行上位机的开发。第1章主要对选题背景和研究内容及意义进行概述，介绍国内外码垛机器人的发展现状以及本文研究的目的和意义。第2章对码垛机器人进行机械结构及其运动学的相关分析。第3章对伺服电机控制特性进行分析设计，并运用MATLAB 自带的SIMULINK工具进行系统相关的仿真。第4章则重点介绍运动控制系统的硬件设计，包括对硬件控制器件的选型，线路连接等。第5章则进行相关软件的开发，包括运用AcroBasic语言对控制器进行编程，以及对触摸屏界面进行设计等。第6章则通过实际测试获得机器人的各项运动参数。最后一章是对本篇论文进行系统的总结。1.5 本章小结本章主要介绍了码垛机器人的相关发展背景，并对国内外的发展现状进行了描述。同时说明了课题的主要研究意义及研究内容。4第二章 码垛机器人机械结构及其运动学分析2.1 码垛机器人的机械结构用于码垛的机器人只需要 4 个自由度即可满足实际需求。所设计的码垛机器人的具体机械结构如图 2-1 所示。该机器人为四自由度混联机器人。其中 1 底部基座，2 内六角圆柱头螺钉 3 标准型弹簧垫圈 4 直线运动单元 5 外壳 6 连杆机构 7 内六角圆柱头螺钉8 标准型弹簧垫圈 9 内六角圆柱头螺钉 10 标准型弹簧垫圈 11 内六角圆柱头螺钉 12 标准型弹簧垫圈。手臂固定在腰部，其中小臂通过前大臂、后大臂的运动实现搬运和码垛作业。该机器人包含 4 个关节，能够实现 4 种运动：手臂前后运动、上下运动、腰部旋转运动、手腕回转运动。在运动的极限位置都安装有限位开关。水平和垂直方向的运动是通过由前大臂、后大臂、大臂连杆、小臂四个构件组成的平行四边形实现的，而腕部是由小臂、辅助连杆、腕部、三角架构成的连杆机构在运动中保持水平的。图 2-1 码垛机器人机械结构图52.2 运动学分析图 2-2 码垛机器人机构简图工业码垛机器人机构简图如图2-2所示，当F点固定， E点沿水平方向移动时，A 点的水平移动速度为E点的倍，如果E点作匀速运动，A 点也将作匀速运动：当E 点固定，F点沿垂直方向移动时，A点的垂直运动速度为F点的-1倍，如果F点做匀速运动，A 点也将作匀速运动 3。其中=AC/BC=CF/DF.如图2-3 所示，设置一个固定的坐标系XOY，其随基座一起旋转。当机器人本体处于虚线所示的位置时，平行四连杆机构的F0点为坐标系的原点，X 轴与A0C0平行。图中，DF=140mm，CD=700mm，BC=140mm，AB=700mm ，BE=700mm，DE=140mm。图 2-3 机械结构运动分析示意图下面分析当水平电机驱动模块正向移动x，垂直电机驱动模块正向移动y时，码垛机器人腕部的运动规律。因为D0F=DF-y，D0E=DE+x，则6(1)arctn(01 xDEyFEEF= = (2)2F22)(x在DEF中，有 2=DEF=arccos( ) (3)EFD22 3=FDE=arccos( ) (4)2此时，C 点坐标为(5)sin(co21Fyxc此时 A 点坐标为(6)si(c321Cyxc将式（5）带入式（6）中，可得：(7) )sin()sin(coo32121 AFyxA将 1、 2、 3及全部已知变量带入式（7）中，利用几何知识解得(8)xyxA58406则有(9)yxA图 2-4 码垛示例图7如图 2-4 所示，机器人码垛时，当码垛机器人搬运物品从生产线上的 A（x 0，y 0,z0）点到托盘上的 B（x 1,y1,z1）点时（10）)arctn(9011y水平关节移动距离为（11）6/)(0211yxl（12）5/02z由以上分析可知，给定给定工作区间上初始位置和任意一点，即可计算出各关节应旋转的角度或位移。同理，已知各关节旋转的角度和位移，亦不难求出末端机械手的位姿。2.3 本章小结本章通过对码垛机器人的机械结构进行分析，获得简化几何模型。通过对模型的运动学分析和计算获得机器人的位姿变换关系式，为下一步实现对机器人的位置精确控制打下基础。8第三章 伺服控制方式选择及仿真3.1 伺服驱动系统要求机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。机器人对关节驱动电机的主要要求归纳如下：1）快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。2）起动转矩惯量比大。在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。3）控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。4）调速范围宽。能使用于较大的调速范围。5）体积小、质量小、轴向尺寸短。6）能经受得起苛刻的运行条件目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载 1000N（相当 100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是 AC 伺服电动机，步进电动机和 DC 伺服电动机。3.2 AC伺服电机工作原理目前国际上的工业机器人 90%以上均采用 AC 伺服电机作为执行机构。永磁交流伺9服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。定子绕组散热比较方便。惯量小，易于提高系统的快速性。适应于高速大力矩工作状态。同功率下有较小的体积和重量。机器人所采用的 AC 伺服电机也常常被称作是 DC 无刷伺服电机。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度 4。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数） 。图 3-1 给出了 AC 伺服电机工作电路的基本组成。交流电源通过整流滤波后再经过PWM 逆变器输出交流信号，形成旋转的磁场，从而使电机运动。通过控制驱动电路的脉冲信号通断来实现对电机运动的控制 5.3.3 伺服控制方式选择一般伺服包含三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。（1）速度控制方式：通过模拟量的输入或脉冲的频率进行转动速度的控制，速度控制模式主要用于对速度要求比较高的场合。（2）转矩控制方式：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的图 3-1 AC 伺服电机工作电路基本组成10力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。 主要应用于对速度和位置要求不太严格，对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中。（3）位置控制方式：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。码垛机器人运动轨迹属于 PTP 型，在运动过程中末端执行器以最快的速度从一点准确定位到另一点。机器人的控制对末端执行器的位置精度要求较高，而对末端执行器的速度控制和力矩控制没有特殊要求，所以确定码垛机器人关节点选择位置伺服控制方式以保证末端定位精度。3.4 位置伺服系统关节单元位置伺服控制系统工作原理如图 3-2位置给定信号与位置反馈信号之差值通过调节器进行动态校正，然后送至速率调节器、电流调节器，即经过外环、中环、内环三个闭环调节器的校正再由模拟功率接口驱动伺服电动机，实现位置伺服控制。在这个系统中，位置调节器的作用是使位置给定与的偏差向最小变化。速度反馈调节器的主要作用是阻尼位置调节过程的超调。电流调节器的作用是减小力矩波动，改善动态响应的快速性，并对最大电流进行限定等。滤波电速度检测微处理器构成的位置控制速度控制器电流调节器PWM放大器 伺服电机速度给定电流给定 电流反馈编码器信号接收处理位置检测脉冲给定滤波器滤波器图 3-2 位置伺服控制方式原理图11路的作用是滤除位置或速率传感器输出信号中的谐波信号。以上各环节的参数的设计和整定应根据具体的负载的性质（力矩和惯量的大小） ，以便满足位置伺服精度的要求 6。位置环处理时采用积分 PID 算法。通过调节比例、积分、微分的参数，可以使伺服电机获得较好的动态性能，使实际位置与期望位置偏差较小，从而使系统保持较高的运动精度。离散化 PID 控制算式为： )1()()()(0keKiekKUdnip其中，k 为采样序列号，k=0，1，2 ；Kp、Ki、 Kd 分别表示比例、微分、积分系数。根据递推原理得到其增量式 PID 算法为： )1()()()( kekedip通过调整 Kp、Ki、Kd 的值，配合较高的机械精度，可以使伺服系统的动作灵敏，响应加快，使位置控制在一定的偏差范围内。3.5 机器人 MATLAB仿真系统仿真采用 MATLAB 中 Simulink 自带的机器人系统实例。具体仿真模型如图 3-3 所示。该仿真系统中采用两路伺服电图 3-3 机器人系统 MATLAB 仿真原理图12机，模拟平面内的运动。可以实现两轴的协调控制仿真过程模拟机器人从点-30,-45到点30， 45的运动状态，运行时间为 1.5s , 其中参数设置为两路电机系统位置环 PID 参数均为 P=32000，D=400，速度环 PID 参数设置为 P=0.5，I=10 ，加速度及减速度均设为 5000 rpm/s ，减速比设置为 130。仿真结果如图 3-4，其中第一幅仿真图读取的参数为机器人运动参数。从上到下读取参数依次为转矩、加速度、运动速度、位置。第二幅和第三幅读取的分别是两路伺服电机的相关参数，从上到下依次为电压、电流、转矩、回转速度。从图中可知，该系统多电机同步效果较好，反应灵敏，位移较为精确，可以很好的满足码垛的需求。13图 3-4 MATLAB 仿真结果143.6 本章小结通过对伺服驱动系统的要求及 AC 伺服电机工作原理的分析，选择合适的伺服控制方式，即位置控制方式。并通过对反馈环的分析，获得所要调节的控制参数。最后通过 MATLAB仿真，进行控制方式验证和参数调整。15第四章 硬件控制系统设计4.1 硬件系统控制结构整个控制系统基本硬件平台如图4-1所示4.2 主要控制部件选型1运动控制器运动控制器选用美国 Parker 公司生产的独立式系统级别的多轴控制器 ACR9000。和传统的板卡级运动控制卡相比，图 4-1 控制系统硬件结构图伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器伺服驱动器腰座关节水平关节垂直关节腕部关节上位机触摸屏运动控制器接近开关电磁阀气缸腕部手爪16ACR9000 可脱离工控机工作，稳定性好；封闭式结构，抗干扰强；屏蔽电缆连接，屏蔽性好，通讯距离长；体积小巧。ACR-9000 的特点主要包括以下几个方面（1）稳定，可靠的硬件结构（2）直观、友善的调试开发界面（ACR-VIEW）（3）灵活、简便的编程功能（4）强大、开放的 PID 算法（5）强劲、多样的运动及插补功能（6）针对不通应用领域提供的特殊功能（7）强大的通讯能力，便捷地 HMI 开发方式控制器具体规格参数说明如表 1 所示控制轴数 2 ， 4 ， 6or8 轴（选用的为6轴）处理器 32 位浮点 DSP150MFLOPS/75MHz轨迹运算 64-bit 精确度用户存储区 1MB 内存，用于保存用户的程序和设置的参数固件 闪存外形尺寸 3.58 ” W 10.5” H 5.3” D(2-4axes), 5.0” w 10.5” H 5.3” D(6-8axes)操作系统 多任务实时操作系统硬件电池 可选备份电池使用户程序和参数不易丢失多任务 8 个坐标系 /16 个正本程序 /8 个梯形图程序轨迹更新 每 100-500 s伺服更新 25 s/axis梯形图逻辑 PLC100-500 s 扫描时间插补 直线、圆弧、正弦曲线、螺旋线、椭圆、样条、三维弧形伺服环 PID ，速度前馈，加速度前馈， Notch 和低通滤波性能位置修正 硬件 1usec串行接口 1 个串行端口（ RS232 and/or RS422 ）Ethernet 10/100Base-TUSB 2.0通讯CANopen DS401 协议，用于 I/O 扩展。 （可选项）模拟输出 可输出到 8 路， 16 位模拟量控制信号步进输出 可输出到 8 路，最高频率 2.5MHz输入输出 编码器输入 可输入到 10 路正交编码器信号， 20MHz。可通过软表 1 ACR9000 规格参数说明17件设置同步串行接口（ SSI ） ，正交接口，步进和方向， CW/CCW 模式模拟输入 8 路单端（ 4 路双端） ， 12 位（可选项）内置数字 I/O 2 到 4 轴控制内置 20 点 24VDC 光隔离输入， 4 点 24VDC 光隔离输出；4 到 8 轴控制器内置 40 点，24VDC 光隔离输入， 8 点 24VDC 光隔离输出开发软件 ACR-View 软件开发包软件提供语言支持 动态链接库支持 C+,VB6,C#,VB.NET2. 触摸屏触摸屏选用威纶 MT6100iV。威纶系列触摸屏是目前市场上使用较为广泛的一类触摸屏。所选内含 32 位 RISC（精简指令集）微处理器，高效快速，功能强大、使用方便、可靠性高、寿命长、性价比高。触控反应灵敏，具有高可靠性。能够支持市场上大多数的 PLC，特别是兼容对 ACR9000 控制器的开发，这是其它触摸屏所不具有的。3. 伺服驱动器及伺服电机选用安川系列产品。驱动器型号为 SGDM-10ADA，输入电压为 200-230V，最大输入电流为 7A。输出 0-230V，输出功率为 230W 伺服电机根据关节位置的不同，工作性能要求也不相同。这里不再详细说明。4.3 通信线路连接4.3.1 触摸屏与 ACR9000的连接触摸屏与 ACR9000控制器之间通过 RS232进行串口通讯 7，具体通信线路连接如图4-2所示：weinview MT8000 系列触摸屏COM1 ACR9000 RS232 COM12 RX 3 TX 5 GND3 TX2 RX5 GND图 4-2 ACR9000 与触摸屏连接示意图18其中通讯参数设置为 COM1（9600 ，N，8，1） ，不需要进行站号设置。4.3.2 ACR9000与伺服驱动器之间的连接该连接信号线路较多，连接起来比较复杂。具体线路连接图如图4-3所示。控制器和伺服驱动器具体引脚功能说明见表 2 ACR9000 安川引脚号 说明 引脚号 说明3 编码器输入 A+ 33 PA04 编码器输入 A- 34 /PA05 编码器输入 B+ 35 PB06 编码器输入 B- 36 /PB07 编码器输入 C+ 19 PC08 编码器输入 C- 20 /PC0图 4-3 ACR9000 与安川伺服驱动器连接电路图2 4 V 开关电源+-ACR9000安川伺服驱动器A + 3E n a b l e - 2 0D r i v ef a u l t + 1 6D i r - 1 3D i r + 1 2S t e p - 1 1S t e p + 1 0Z - 8Z + 7B - 6B + 5A - 4D r i v ef a u l t - 1 7E n a b l e + 2 1D r i v eR e s e t - 2 2D r i v eR e s e t + 2 33 3 P A 03 4 / P A 03 5 P B 03 6 / P B 01 9 P C 02 0 / P C 07 P U L S8 / P U L S1 1 S I G N1 2 / S I G N3 2 A L M -3 1 A L M +4 7 2 4 V +4 0 / S - O N4 4 A L M -R e s e t4 2 P - O T4 3 T - O T表 2 ACR9000 与安川伺服驱动器引脚说明1910 脉冲+（驱动器位置控制方式） 7 PULS11 脉冲-（驱动器位置控制方式） 8 /PULS12 方向+（驱动器位置控制方式） 11 SIGN13 方向-（驱动器位置控制方式） 12 /SIGN16 读驱动器报警输入+(外接+24V)32 ALM-(警报输出负 )17 读驱动器报警输入- 31 ALM+（警报输出正）20 对驱动器使能输出- 47 24V+21 对驱动器使能输出+ 40 /S-ON (伺服使能端)42 P-OT（禁止正转驱动）22 对驱动器复位输出-43 T-OT（禁止反转驱动）23 对驱动器复位输出+ 44 ALM-Reset4.3.3 其它信号线路在调试过程中，上位机是通过 USB 下载线与触摸屏进行通讯的。上位机与ACR9000 的通讯是通过 Ethernet 实现的。4.4 电气线路连接主要是主电路控制柜配线。需要配合使用继电器器，开关，急停按钮等。电源采用 220V交流电源。通过控制器输出伺服驱动器控制信号，以实现伺服电机电机的同步运行。具体电气线路图请参见附件 1。4.5 本章小结本章主要对控制系统硬件系统进行搭建和连接。选择合适的控制器件，进行信号线路和电气线路的连接。从而实现由人机界面控制控制器，实现对伺服驱动器的控制，从而控制机器人按要求运行。20第五章 软件系统设计5.1 下位机软件开发5.1.1 ACR View开发环境介绍ACR View 为 Parker 控制器自带的开发工具，可以支持 Ethernet,USB,CANopen 和串口连接等多种通讯方式。含有配置向导使项目的建立更为简易，可以将系统参数设置好以备控制器随时进行对运动和代码的开发。通过配置向导可以对机械参数、PID 参数、伺服增益、正/反向运动进行调整。设置导向中有一个易于使用的试运行装置，用来快速验证每一个轴的关键运动状况和硬件设置；程序编辑模块同时支持 AcroBasic 语言和PLC 语言编程。另外为了调试运行方便，ACR View 还提供了很多状态监视窗口，包括参数监视面板、BIT 位监视面板、伺服环监视面板、通用状态面板以及图形监视功能，极大的方便了用户。5.1.2 系统参数配置流程ACR-View 软件安装好之后，我们可以通过下面的方法来打开。逐步单击“开始”菜单“所有程序”“Parker Automation”“ACR-View”“ACR-View Program”，弹出“New/Open Project”对话框，如图 5-1 所示，该对话框用于新建或者打开现有的工程。21图 5-1 新建窗口下面我们新建一个工程：选中“Create New Project”单选框，并在后面输入工程的名字，我们这里输入工程名为“Demo1 ”，点击“OK”按钮继续，弹出新的对话框，在这里需要选择控制器类型，我们这里选择“ACR9000” ，如图 5-2 所示：图 5-2 选择控制器类型单击“下一步”按钮，在新弹出的对话框中选择所购买的 ACR 控制器型号，我们手头的产品是 9000P1U6B0,因此选择这个型号，如图 5-3 示：22图 5-3 选择控制器型号单击“下一步”按钮，在新弹出的对话框中保持默认设置，再单击“下一步”至此，工程配置操作完成，弹出 ACR-View 主界面，如图 5-4 示：图 5-4 ACR View 主界面我们可以看到，该对话框主要分成四个区域：231. 最上面是菜单栏2. 菜单栏下面是工具栏（分上下两层，上层是通用工具栏，下层是梯形图编程工具栏）3. 工具栏下面左侧是树形向导，也是我们经常要打交道的地方4. 树形向导右侧是主操作界面区域，其显示内容会根据在树形向导中所选择内容的不同而变化，我们大部分操作都要在这个地方进行。当新建一个工程后，在主界面中首先会显示“通讯”对话框，如图 5-5 所示图 5-5 通讯设置窗口在这个对话框中，我们要选择用到的通讯方式，主要有下面 4 种：Bus：总线通讯，只用于 ACR1505,ACR8020 板卡式运动控制器Serial：串口，在后面指定与运动控制器连接的 PC 机的串口号，及通讯速率Ethernet：以太网，在后面输入 ACR9000 的 IP 地址，ACR9000 出厂默认的 IP 地址为 0USB：电脑通过 USB 与 ACR9000 通讯。我们选择以太网，IP 设为 0，点击 Connect 使电脑与 ACR9000 连接。下面我们需要对 ACR9000 的各个电机轴进行配置。我们单击左侧“树形向导”中的“Configuration Wizard（配置向导） ”，如图 5-6 中蓝色区域位置：24图 5-6 点击配置向导点击后，会在主界面区域中弹出图 5-7 所示对话框：图 5-7 配置向导说明该对话框是对“Configuration Wizard（配置向导） ”简单说明，点击“Find”按钮（图5-7 中黑框处）可以查看当前控制器中的固件版本号，单击“Next”按钮继续，弹出图5-8 所示对话框，该对话框说明了配置需要有哪些步骤，单击“Next”按钮继续到下一步。单击“Back”按钮可返回上一步。25图 5-8 配置步骤说明单击“Next” 后，弹出图 5-9 所示对话框，从这里要开始对第一个电机轴进行配置图 5-9 轴设置开始该对话框指定轴的名字，及控制器对驱动器输出的信号类型。26Axis Name:指定轴的名字，一般保持默认。Command Output：选择控制器输出给驱动器的信号类型， “DAC”代表输出+/-10V 模拟量（用于驱动器工作于速度和转矩控制下） ， “Stepper”代表输出脉冲加方向信号（用于驱动器工作于位置控制下） ，DAC0/Stepper0 对应控制器的“AXIS0”接口，DAC1/Stepper1 对应于控制器的“AXIS1”接口，依次类推。我们这里保持轴的名字为“X”，输出信号类型选择“Stepper0” ，单击“Next”按钮继续，弹出图 5-10 所示对话框：图 5-10 选择电机及驱动该对话框用于选择驱动器和电机：我们这里用的是安川驱动器和电机，我们要在相应的选择框里选择“Other” 。单击“Next ”按钮继续，弹出图 5-11 所示对话框，该对话框用于对位置环及速度环的编码器进行设置。Type：选择编码器的类型，默认为“Full Quadrature（全积分） ”，即控制器将编