噴涂機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

江五講，林 威

（華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

噴涂機器人是一種常用的工業(yè)機器人，其研究與應(yīng)用已有40多年的歷史。目前，在國內(nèi)噴涂行業(yè)中使用的噴涂機器人絕大多數(shù)還是國外大公司生產(chǎn)的機器人，比如瑞士的ABB公司、德國的KUKA公司以及日本的安川電機公司等［1］。近年來，我國的華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)等科研機構(gòu)先后對噴涂機器人技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，取得了不少進(jìn)展。國內(nèi)的一些企業(yè)積極與機器人研究機構(gòu)開展項目合作，推動著我國噴涂機器人技術(shù)的發(fā)展。本文針對低成本小型噴涂機器人的設(shè)計要求，以自行設(shè)計的五自由度噴涂機器人為對象，采用PC104主板，配以ADT836運動控制卡，研究開發(fā)了一套機器人控制系統(tǒng)。

1 噴涂機器人控制系統(tǒng)

1.1 控制系統(tǒng)功能

控制系統(tǒng)是機器人的關(guān)鍵部分，機器人整體功能的實現(xiàn)在很大程度上都依賴于控制系統(tǒng)的功能。分析噴涂機器人的工作任務(wù)，總結(jié)出噴涂機器人控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

（1）機器人運動控制功能：控制機器人各關(guān)節(jié)的啟動／停止和正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)，噴槍閥的啟／閉，使機器人的各個關(guān)節(jié)能協(xié)調(diào)地工作。

（2）噴槍速度控制功能：能對機器人末端噴槍的行走速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并采取一定的措施保證其運動速度的穩(wěn)定性。

（3）機器人系統(tǒng)供電控制功能：對噴涂機器人的供電進(jìn)行控制，在面板上顯示電源供電狀態(tài)，制動器需加單獨的供電控制以方便安裝調(diào)試。

（4）電機超速報警及處理功能：選用合適的增量編碼器采集各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度信號，當(dāng)采集到的轉(zhuǎn)動速度超過設(shè)定的最大速度時，做停機處理并給出警告信號，以防事故的發(fā)生。

（5）人機交互功能：通過LCD觸摸屏提供用戶操作接口（按鍵和顯示），能讓用戶方便地了解系統(tǒng)狀態(tài)和設(shè)定噴涂機器人的工作方式。

（6）機器人安全防護(hù)功能：為了防止控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時致使機構(gòu)損壞，需在機械限位前加光電限位開關(guān)，當(dāng)檢測到異常信號后，做停機處理并給出警告信號，以防事故的發(fā)生。

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從噴涂機器人控制系統(tǒng)需實現(xiàn)的功能可以看出，該系統(tǒng)應(yīng)具有前向通道（傳感器）、后向通道（電機及噴槍閥等的控制）、數(shù)據(jù)運算處理部分（決定控制時機和方式）及人機界面，是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于PC104嵌入式系統(tǒng)的運算處理功能強、可靠性高、體積小、調(diào)試方便、且成本低，因此采用PC104作為控制系統(tǒng)的主機。另外，采用運動控制卡對噴涂機器人的各關(guān)節(jié)進(jìn)行運動控制。這樣，整個控制系統(tǒng)可劃分為PC104嵌入式主板模塊、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路、傳感器、電源和控制面板幾部分，控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本噴涂機器人控制系統(tǒng)PC104模塊選用研華PCM－3343F，其主要特點為：采用高性能低功耗CPU模塊，CPU速度1.0GHz，帶有浮點運算單元，在板集成了256MB內(nèi)存（最大可支持512MB）、顯示控制器（支持LCD顯示）、以太網(wǎng)控制器等［2］。運動控制卡選用國產(chǎn)眾為興的ADT－836運動控制卡，該運動控制卡是基于PC104總線的高性能六軸伺服／步進(jìn)運動控制卡。其速度控制有多種方式，如對稱、非對稱直線加／減速，S曲線加減速。在運動過程中可實時改變速度和目標(biāo)位置，可使用連續(xù)插補功能實現(xiàn)高速高精度軌跡控制。

圖1 噴涂機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 驅(qū)動方式

步進(jìn)電機驅(qū)動可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉，適用于傳動功率不大的關(guān)節(jié)或小型機器人［3］?？紤]到本噴涂機器人的實際使用范圍和成本因素，決定選用步進(jìn)電機加行星減速器作為機構(gòu)驅(qū)動部件。

2.1.1 各關(guān)節(jié)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算

腰關(guān)節(jié)電機主要帶動整個機械臂作水平旋轉(zhuǎn)運動，當(dāng)大臂、小臂及手腕均處于水平工況時，腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸處的轉(zhuǎn)動慣量JZ最大。此時的腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動慣量計算示意圖如圖2所示。

圖2 腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動慣量計算示意圖

此時算得的腰關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)動慣量為：

考慮到該關(guān)節(jié)處使用行星減速器傳動，選定的傳動比i＝30，傳動效率η＝90%，取安全系數(shù)K＝2，選擇北京阿沃德公司生產(chǎn)的型號為SM257－80H的MOTEC兩相步進(jìn)電機，其靜扭矩T＝2Nm。則由公式T×i×η＝2×JZ×α可算得腰關(guān)節(jié)最小角加速度為：

肩關(guān)節(jié)電機主要帶動大臂作俯仰動作，當(dāng)大臂、小臂及手腕均處于水平工況時，該關(guān)節(jié)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩最大，此時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算示意圖如圖3所示。

圖3 肩關(guān)節(jié)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算示意圖

肩關(guān)節(jié)處的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩M為：

則該關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置需要輸出的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

其他幾個關(guān)節(jié)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算方法與肩關(guān)節(jié)相同。

2.1.2 各關(guān)節(jié)電機參數(shù)計算

由算得的各關(guān)節(jié)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩來選擇各關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置的傳動比和電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩。機器人傳動系統(tǒng)設(shè)計的基本準(zhǔn)則是在滿足機器人本體技術(shù)參數(shù)要求的前提下，滿足傳動比大、體積小、重量輕、慣量小等要求。在選型計算中需用到的計算公式有：

（1）所需電機最高轉(zhuǎn)速計算公式為：

電機轉(zhuǎn)速（r／min）＝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速（°／s）×傳動比／6。（2）所需電機最大轉(zhuǎn)矩計算公式為：

電機轉(zhuǎn)矩（Nm）＝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩／（傳動比×傳動效率）。

（3）所需電機最大功率計算公式為：

電機功率（W）＝電機轉(zhuǎn)矩×電機轉(zhuǎn)速×2π／60。各關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置相關(guān)參數(shù)計算結(jié)果如表1所示。

2.2 硬件模塊電路設(shè)計

本噴涂機器人控制系統(tǒng)硬件電路使用了多個開關(guān)電源分別對控制板、失電制動器和驅(qū)動電機供電。采用運動控制卡產(chǎn)生脈沖和方向信號控制各關(guān)節(jié)電機驅(qū)動器。

表1 各關(guān)節(jié)電機參數(shù)計算結(jié)果

由于工業(yè)機器人工作環(huán)境較為復(fù)雜，因此供電安全非常重要，需要在電源輸入端加電源開關(guān)控制電路。電源輸入端開關(guān)控制電路如圖4所示。電路中使用了漏電保護(hù)開關(guān)、繼電器、啟動和停止按鍵。通過該電源開關(guān)控制電路，可以安全、快速地進(jìn)行開關(guān)控制。

運動控制卡與電機驅(qū)動器及兩相步進(jìn)電機的接線圖如圖5所示。

考慮安全因素，本噴涂機器人使用了失電制動器。由于使用失電制動器使得在不供電時機器人各關(guān)節(jié)都不能轉(zhuǎn)動，這給機構(gòu)安裝調(diào)試帶來了不便。因此，需設(shè)計一路只給失電制動器供電而不給系統(tǒng)其他部件供電的電源開關(guān)控制電路。設(shè)計的制動器開關(guān)控制電路如圖6所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本噴涂機器人控制系統(tǒng)采用Visual C＋＋6.0開發(fā)軟件進(jìn)行開發(fā)，在Windows XP操作系統(tǒng)下運行。該控制系統(tǒng)的控制過程如下：啟動→自動尋找零點→設(shè)定編碼器零位→設(shè)定工作模式→運算處理→控制和狀態(tài)信號輸出→編碼器輸出信號→反饋控制。

圖4 電源輸入端開關(guān)控制電路圖

圖5 電機驅(qū)動器連接電路圖

圖6 制動器開關(guān)控制電路

噴涂機器人主程序主要包括初始化模塊、手動調(diào)節(jié)模塊、噴涂模塊和復(fù)位模塊，主程序結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

手動調(diào)節(jié)模塊主要包括單關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動子程序和控制前進(jìn)后退、上下移動、左右移動的多軸聯(lián)動子程序，用于檢測噴涂機器人各關(guān)節(jié)運動是否正常。

噴涂模塊由示教子程序、文件編輯子程序和噴涂控制子程序組成。示教和文件編輯子程序用于生成和修改軌跡文件，噴涂控制子程序用于自動噴涂作業(yè)。噴涂運動控制程序流程圖如圖8所示。

圖7 噴涂機器人主程序結(jié)構(gòu)框圖

圖8 噴涂運動控制程序流程圖

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于運動控制卡的五軸噴涂機器人控制系統(tǒng)方案設(shè)計。詳細(xì)介紹了該控制系統(tǒng)的功能、驅(qū)動方式選擇、硬件模塊電路設(shè)計和軟件控制流程。該控制系統(tǒng)方案具有結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)周期短、程序可靠性高等特點。

［1］ 丁度坤，謝存禧，張鐵，等.噴涂機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)與研究［J］.機床與液壓，2009（3）：13－15.

［2］ 張曉輝.焊接機器人控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］.上海：東華大學(xué)，2010：10－15.

［3］ 康洪.PUMA－560型機器人傳動系統(tǒng)分析［J］.機器人，1987（5）：49－55.