混聯(lián)雕刻機(jī)器人的實(shí)時(shí)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

羅繼曼，林巧智，劉 悅，孫曉偉

(沈陽建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110168)

混聯(lián)雕刻機(jī)器人的實(shí)時(shí)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

羅繼曼，林巧智，劉 悅，孫曉偉

(沈陽建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110168)

為實(shí)現(xiàn)混聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基于以太網(wǎng)RTnet進(jìn)行了實(shí)時(shí)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，在Linux操作系統(tǒng)環(huán)境下，運(yùn)用Qt和C++軟件編程，完成多功能測(cè)試系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和顯示功能。搭建了本測(cè)試系統(tǒng)主要硬件和軟件平臺(tái)，并給出整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的工作步驟。本測(cè)試界面實(shí)現(xiàn)如下功能：將雕刻機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置、速度、拉力測(cè)試的實(shí)時(shí)結(jié)果用曲線或數(shù)據(jù)等形式動(dòng)態(tài)顯示于測(cè)試界面上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)混聯(lián)雕刻機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)試。

實(shí)時(shí)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；以太網(wǎng)；Linux

0 引言

傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)主要由“測(cè)試電路”組成，所具備的功能少，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，測(cè)試系統(tǒng)采用以計(jì)算機(jī)為核心的高精度、高性能、多功能的特點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)[1～4]。工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)，常采用先進(jìn)的I/O總線和數(shù)字化總線，依據(jù)總線建立測(cè)試系統(tǒng)能確保硬件、軟件、系統(tǒng)級(jí)的兼容性、互換性、和重構(gòu)性[5～7]。

新型混聯(lián)雕刻機(jī)器人有5個(gè)自由度，可以完成沿X、Y、Z軸的移動(dòng)，和繞X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性需要搭建實(shí)時(shí)監(jiān)控與測(cè)試系統(tǒng)，能在真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況下或模擬運(yùn)動(dòng)情況下對(duì)機(jī)器人的特性、參數(shù)、功能、可靠性等進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算，用以完成試驗(yàn)數(shù)值、狀態(tài)、特性的獲取、傳輸、分析、處理、顯示、報(bào)警等功能。本測(cè)試系統(tǒng)在Linux操作環(huán)境下，運(yùn)用Qt編程測(cè)試界面，將混聯(lián)雕刻機(jī)器人特性參數(shù)，如位置特性，軌跡特性，速度特性，三個(gè)主動(dòng)軸的拉力特性等，以曲線形式或數(shù)據(jù)形式顯示在測(cè)試界面，便于工作人員直觀分析研究。為此，本文對(duì)混聯(lián)雕刻機(jī)器人的實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究[8～10]。

1 基于以太網(wǎng)RTnet的實(shí)時(shí)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

以太網(wǎng)(Ethemet)最初源自于1975年美國(guó)Xerox公司和Standford大學(xué)建造的一個(gè)Z19MbPs的CSMA/CD系統(tǒng)。以太網(wǎng)的飛速發(fā)展使以太網(wǎng)全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域成為可能。以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：l)通信速率高。2)應(yīng)用廣泛。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，幾乎所有的編程語言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā),如Java、VisualC十十、VisualBasic等。3)成本低廉。4)易于信息集成。以太網(wǎng)很容易與intemet連接，能實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成。5)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ骩11～13]。

以太網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在實(shí)時(shí)性、材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度以及適用性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。將以太網(wǎng)用于工業(yè)機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有以下特點(diǎn)：l)以太網(wǎng)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，虛擬局域網(wǎng)等新技術(shù)也有助于提高以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性。2)工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。3)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，由于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不單單是一個(gè)完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，而且還是一個(gè)借助網(wǎng)絡(luò)完成控制功能的控制系統(tǒng)。它除了完成數(shù)據(jù)傳輸之外，往往還需要依靠所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指令，執(zhí)行某些控制計(jì)算與操作功能，由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)完成控制任務(wù)。由以上特性，以太網(wǎng)在工業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)綜合測(cè)試系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[14,15]。

2 混聯(lián)雕刻機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)搭建

混聯(lián)雕刻機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)主要由中央控制臺(tái)、實(shí)時(shí)測(cè)試仿真單元和控制輸出單元，以及輔助測(cè)試裝置組成，混聯(lián)雕刻實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)硬件組成和數(shù)據(jù)流如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)硬件組成和數(shù)據(jù)流

2.1 混聯(lián)雕刻機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)

2.1.1 混聯(lián)雕刻機(jī)器人 NC主機(jī)

NC主機(jī)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制中心，NC主要分為前后臺(tái)工作方式，前臺(tái)為系統(tǒng)進(jìn)行加工操作，實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)信息；前臺(tái)硬件包括：液晶顯示屏、功能鍵、編程與控制鍵盤、機(jī)床操作按鈕、倍率修調(diào)旋鈕以及急停按鈕等組成。后臺(tái)進(jìn)行文本編輯、系統(tǒng)配置、PLC編輯編譯及系統(tǒng)調(diào)試提供顯示界面,其主要硬件包括：PCI卡，PCI卡插槽，PCI卡中嵌入一個(gè)Microblaze處理器。前后臺(tái)功能切換按鍵即可切換到后臺(tái)屏幕，如圖2所示。

圖2 NC控制面板

2.1.2 混聯(lián)雕刻機(jī)器人從站單元

從站單元是整個(gè)混聯(lián)雕刻機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)的集散中心，主要硬件有：電源板，計(jì)數(shù)器從站單元CNT，I/O從站，計(jì)數(shù)器I/O 32路輸入端子板和20路輸出端子板，軸控制站SVSV，手持盒接口。32 路端子板為I/O從站的輸入信號(hào)與機(jī)床的電氣控制信號(hào)之間提供了連接端口。20路輸出端子板為I/O從站的輸出信號(hào)與數(shù)控機(jī)床的電氣控制信號(hào)之間提供了連接端口。雕刻機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)的從站系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 從站系統(tǒng)組成

2.1.3 混聯(lián)雕刻機(jī)器人傳感器

混聯(lián)雕刻機(jī)器人分別在X軸和Y軸裝有SGC-4.2光柵線位移傳感器，在并聯(lián)部分的三條主動(dòng)鏈L1、L2、L3三根軸上安裝MCL-S2拉壓力傳感器。SGC-4.2光柵線位移傳感器主要應(yīng)用于直線移動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)量的精確顯示和自動(dòng)控制，廣泛應(yīng)用于切削機(jī)床加工量的數(shù)字顯示。MCL-S2 系列S式拉力傳感器適用于一些要求精度高的機(jī)床。傳感器如圖4所示。

圖4 SGC-4.2光柵線位移傳感器和 MCL-S2拉壓力傳感器

2.2 混聯(lián)雕刻機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)軟件構(gòu)成

混聯(lián)雕刻機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)主要由任務(wù)管理軟件、實(shí)時(shí)測(cè)試仿真單元軟件、控制輸出單元軟件，以及顯示終端軟件組成，混聯(lián)雕刻機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)軟件組成如表1所示。

表1 混聯(lián)雕刻機(jī)器人軟件組成

2.2.1 混聯(lián)雕刻機(jī)器人任務(wù)管理軟件

任務(wù)管理軟件即為中央控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，其功能主要包括系統(tǒng)的初始化，數(shù)據(jù)接收、打包、轉(zhuǎn)發(fā)、模型下載，故障警報(bào)等。NC主機(jī)軟件也劃分為上下兩層結(jié)構(gòu)，上層是用戶空間的實(shí)時(shí)檢測(cè)界面，下層是內(nèi)核空間的檢測(cè)模塊。時(shí)任務(wù)通過RTAI提供的FIFO管道和共享內(nèi)存與Linux用戶空間中的進(jìn)程進(jìn)行通信，任務(wù)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過FIFO管道方式傳遞到用戶空間，大量數(shù)據(jù)則運(yùn)用共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。軟件結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的任務(wù)管理軟件任務(wù)數(shù)據(jù)流如圖5所示。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)圖和任務(wù)管理軟件數(shù)據(jù)流圖

2.2.2 混聯(lián)雕刻機(jī)器人實(shí)時(shí)測(cè)試軟件

混聯(lián)雕刻機(jī)器人實(shí)時(shí)測(cè)試軟件主要完成信號(hào)采集、信號(hào)傳輸，模型仿真計(jì)算、信號(hào)控制輸出等功能，具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式。測(cè)控軟件的手動(dòng)與自動(dòng)功能可通過任務(wù)管理計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令進(jìn)行區(qū)分。測(cè)控軟件主要功能模塊分為自檢、控制功能、信號(hào)采集功能和數(shù)據(jù)通信等，測(cè)試軟件的頂層控制流程和數(shù)據(jù)流如圖6所示。

圖6 測(cè)控軟件頂層控制流程圖和測(cè)試軟件信息數(shù)據(jù)流圖

3 混聯(lián)雕刻機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)工作步驟

混聯(lián)雕刻機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)的工作步驟如下：首先對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即NC主機(jī)中用戶界面和內(nèi)核PCI驅(qū)動(dòng)初始化。在PCI驅(qū)動(dòng)程序中，初始化ucLinux系統(tǒng)，獲得大塊物理地址連續(xù)內(nèi)存；初始化socket接口，等待來自用戶空間的命令信息。用戶界面完成主界面的初始化后，獲得用于共享的內(nèi)存初始地址。初始化完畢后，可以根據(jù)用戶命令執(zhí)行具體任務(wù)。

其次，用戶界面發(fā)送命令到最后的執(zhí)行，完成整個(gè)過程數(shù)據(jù)信息的采集，傳遞和讀取。首先確定監(jiān)測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)結(jié)束條件；啟動(dòng)用戶空間的SampleThread數(shù)據(jù)拷貝線程等待內(nèi)核空間的命令；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊接收到命令后，周期線程調(diào)用就緒狀態(tài)的start()，并開始執(zhí)行處于運(yùn)行狀態(tài)run方法的線程，更新監(jiān)測(cè)狀態(tài)信息，并將數(shù)據(jù)拷貝到共享內(nèi)存中，顯示在用戶界面。

再次，子站仿真模塊仿真I/O設(shè)備或伺服電機(jī)完成相應(yīng)的通信功能。在太網(wǎng)RTnet一個(gè)通信周期里，仿真子站先在XML中查找并復(fù)制屬于本子站的數(shù)據(jù)。然后將上一周期的執(zhí)行結(jié)果寫入XML，并發(fā)送出去。最后根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行命令，如調(diào)用仿真函數(shù)庫中的伺服電機(jī)加速減速函數(shù)。

最后，子站通過一個(gè)定時(shí)器readTimer讀取狀態(tài)信息，太網(wǎng)RTnet將反饋回來的信息傳到共享內(nèi)存中，最終用戶層顯示信息。

4 混聯(lián)雕刻機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 測(cè)試界面軟件編程

本混聯(lián)雕刻機(jī)器人測(cè)試界面開發(fā)是在Linux環(huán)境中進(jìn)行，主要由于Linux操作系統(tǒng)占內(nèi)存少、精簡(jiǎn)、穩(wěn)定、適合開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試界面運(yùn)用Qt使用 C++語言進(jìn)行編程。

4.2 運(yùn)行界面測(cè)試結(jié)果

混聯(lián)雕刻機(jī)器人的測(cè)試界面主界面顯示：當(dāng)前混聯(lián)雕刻機(jī)器人所處的狀態(tài)，各個(gè)關(guān)節(jié)的命令位置、反饋位置、命令速度、實(shí)際速度、扭矩等如圖7所示。測(cè)試系統(tǒng)基于開放式平臺(tái)，能獨(dú)立測(cè)試不同的特性參數(shù)。目前該測(cè)試界面能實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：1）測(cè)試混聯(lián)雕刻機(jī)器人刀尖點(diǎn)實(shí)時(shí)位移曲線；2）測(cè)試混聯(lián)雕刻機(jī)器人各關(guān)節(jié)以及三根主動(dòng)軸實(shí)時(shí)速度曲線；3）測(cè)試混聯(lián)雕刻機(jī)器人三根主動(dòng)軸拉力曲線。

圖7 混聯(lián)雕刻機(jī)器人的測(cè)試主界面

混聯(lián)雕刻機(jī)器人的測(cè)試功能一包括：乘1、乘5、乘10這三個(gè)倍率的實(shí)時(shí)位移測(cè)試曲線界面，取數(shù)頻率為100ms，實(shí)現(xiàn)刀尖點(diǎn)實(shí)時(shí)位移曲線如圖8所示。

圖9 位移分別乘1、乘5、乘10這三個(gè)倍率實(shí)時(shí)測(cè)試曲線

混聯(lián)雕刻機(jī)器人的測(cè)試功能二包括：乘1、乘5、乘10這三個(gè)倍率的實(shí)時(shí)速度測(cè)試曲線界面，此測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試的是關(guān)節(jié)X1、Y1、Y2和三根主動(dòng)軸L1、L2、L3的速度曲線，取數(shù)頻率為100ms，六個(gè)速度以不同顏色曲線現(xiàn)實(shí)是在一個(gè)界面上，易于比較分析如圖10所示。

圖10 速度分別乘1、乘5、乘10這三個(gè)倍率實(shí)時(shí)測(cè)試曲線

混聯(lián)雕刻機(jī)器人的測(cè)試功能三包括：乘1、乘5、乘10這三個(gè)倍率的實(shí)時(shí)拉力測(cè)試曲線界面，分別以三個(gè)顏色的畫筆在同一張畫布中繪制所測(cè)得的三根主動(dòng)軸L1、L2、L3的拉力曲線，取數(shù)頻率為100ms，便于比較分析三根主動(dòng)軸拉力情況，如圖11所示。

圖11 拉力分別乘1、乘5、乘10這三個(gè)倍率實(shí)時(shí)測(cè)試曲線

測(cè)試結(jié)果顯示：實(shí)時(shí)測(cè)試仿真單元信號(hào)采集到仿真運(yùn)算結(jié)束的時(shí)間為約1ms～10ms；網(wǎng)絡(luò)通信速率可達(dá)100Mbps，站與站間通信距離最大100m，測(cè)試精度為0.1mm.。

5 結(jié)論

本文對(duì)新型混聯(lián)雕刻機(jī)器人實(shí)時(shí)綜合測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究，搭建了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的中央控制臺(tái)NC主機(jī)、包含實(shí)時(shí)測(cè)試仿真單元和控制輸出單元的從站單元等硬件結(jié)構(gòu)；完成了任務(wù)管理和實(shí)時(shí)測(cè)試仿真單元的軟件編制。綜合測(cè)試系統(tǒng)將混聯(lián)雕刻機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的位移、速度、拉力等參數(shù)的測(cè)試曲線實(shí)時(shí)地顯示于測(cè)試界面上。得到如下結(jié)論：

1) 混聯(lián)雕刻機(jī)器人采用了高分辨率、高精度的檢測(cè)元件，應(yīng)用了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)RTnet，并應(yīng)用RTAI，提高了測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

2) 該混聯(lián)雕刻機(jī)器人實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)具有多種性能測(cè)試功能，如運(yùn)動(dòng)位置特性，軌跡特性，速度特性，三個(gè)主動(dòng)軸的拉力特性等參數(shù)的測(cè)量。

3) 用Qt平臺(tái)C++軟件開發(fā)的混聯(lián)雕刻機(jī)器人性能測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)了全菜單式的用戶界面，操作便捷，采用圖形形象地顯示出各種測(cè)試結(jié)果的曲線，使得監(jiān)測(cè)更加方便。

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Research of hybrid sculpture robot’s real-time monitoring system

LUO Ji-man, LIN Qiao-zhi, LIU Yue, SUN Xiao-wei

TP241

A

1009-0134(2014)05(下)-0025-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).07

2014-01-10

遼寧省基金項(xiàng)目（20102185）；沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目（F13-316-1-37）

羅繼曼（1966 -），女，四川雙流縣人，教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)，建筑裝備，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究，機(jī)械制造與機(jī)械學(xué)研究等。