基于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的創(chuàng)新實(shí)踐探索與實(shí)現(xiàn)*

林勛濤 蘇發(fā) 賴冠宇

(1.廣州航海學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院,廣東廣州 510725;2.西京學(xué)院,陜西西安 710123)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)四個(gè)部分組成[1-2]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的主體,用于完成工作任務(wù),從功能上可分為手部、腕部、臀部、腰部和基座[3];驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力的裝置,根據(jù)動(dòng)力原理可區(qū)分為電力驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置[4];控制系統(tǒng)指的是可以通過預(yù)先編寫好的程序控制調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)使之達(dá)到設(shè)想的運(yùn)行狀態(tài)[5],并且可以接收檢測(cè)裝置反饋信息的一個(gè)閉環(huán)管理系統(tǒng)[6];傳感系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分,一般分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器,使得機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境有適應(yīng)能力,從而能表現(xiàn)出機(jī)器人的智能化。本文的創(chuàng)新實(shí)踐研究主要是利用CRPS80-V2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)和EST UN伺服系統(tǒng)組成的一個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng),通過繪制相關(guān)的電氣原理圖、電路接線圖、設(shè)備接線后試運(yùn)行及在線編程[7-8],來研究工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成,實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新活動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。

1 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件設(shè)備主要有CRP-S80-V2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)和E S T U N 伺服系統(tǒng)。

1.1 CRP-S80-V2控制系統(tǒng)

C R P 控制系統(tǒng)采用了當(dāng)前世界流行的開放式軟硬件平臺(tái),具備各種控制模塊、傳感感應(yīng)模塊、檢測(cè)模塊、及機(jī)器設(shè)備的安全連接方式;采用模塊化的方式設(shè)計(jì)軟件,簡(jiǎn)化操作難度,在特定環(huán)境、針對(duì)不同的機(jī)器構(gòu)造,能夠提升設(shè)備的功能性,控制系統(tǒng)主要包括示教器、CRP-S80-V2機(jī)箱、I/O板、BK板。

(1)示教器。示教器可通過人工操控調(diào)整,寫入程序,調(diào)整參數(shù)進(jìn)行控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制設(shè)備,在使用的過程中可以操控機(jī)器人根據(jù)設(shè)計(jì)要求執(zhí)行各種指令[9]。也可以通過程序編寫導(dǎo)入控制機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行,并且可以修改機(jī)器人的系統(tǒng)參數(shù)、速度參數(shù)、操作參數(shù)等[10]。特別注意:示教器的模式開關(guān)選擇示教模式,并且保證機(jī)器人處于通電狀態(tài),為達(dá)到安全穩(wěn)定的效果,急停裝置的使用必須配合電路設(shè)計(jì)。(2)CRP-S80-V2機(jī)箱。CRP-S80-V2機(jī)箱為CR P控制系統(tǒng)的信號(hào)傳輸中樞以及為控制系統(tǒng)提供電源。該機(jī)箱連接I/O板,BK板,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),并通過電纜連接傳輸信號(hào)或接收反饋信號(hào),并且可以通過連接示教器對(duì)各個(gè)信號(hào)進(jìn)行觀察控制。(3)BK板。BK板通過配套的機(jī)器人專用端子信號(hào)線攬與主機(jī)M X T 接口連接,它的作用是將機(jī)器人的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)接,并通過BK 板內(nèi)置的抱閘控制模塊,使機(jī)器人能夠安全運(yùn)行。(4)I/O板。I/O轉(zhuǎn)接板主要是通過I/O信號(hào)X00-X22和Y00-Y22進(jìn)行轉(zhuǎn)接,可通過Y00-Y07進(jìn)行繼電器轉(zhuǎn)接輸出,進(jìn)而控制機(jī)器人。

1.2 ESTUN伺服系統(tǒng)

ESTUN伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)組成。(1)伺服驅(qū)動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)用于接收上位機(jī)控制指令并控制伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),同時(shí)為伺服電機(jī)提供電源的驅(qū)動(dòng)裝置。各端子記號(hào)有各自功能,能為伺服驅(qū)動(dòng)提供電源。比如其中CN1為輸入與輸出用連接端子,其與CRP伺服控制系統(tǒng)的S80-V2機(jī)箱的J1端子連接,是輸入與輸出用連接器,控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)通過該接口傳輸接受指令輸入信號(hào)或反饋信號(hào)。(2)伺服電機(jī)。伺服電機(jī)是執(zhí)行指令控制的裝置,通過連接編碼器線和電源線可以反饋編碼器信息給驅(qū)動(dòng)或者上位機(jī)和接通電源。并且可以通過輸出軸將緩速器或者其他機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝在伺服電機(jī)上,并進(jìn)行工作。

2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的搭建及運(yùn)行

通過計(jì)算機(jī)語言可以預(yù)先根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求編寫好所需程序通過控制器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,而執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)也會(huì)將位置,速度等信息反饋回給控制器,在這個(gè)過程中,外部傳感器也會(huì)將外部環(huán)境的信息傳送至控制器進(jìn)行控制。因此機(jī)器人系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)。機(jī)器人系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition diagram of robot system

利用C R P-S 8 0-V 2 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)和E S T U N伺服系統(tǒng)搭建的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)物連接示意圖如圖2所示。

在此工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)基礎(chǔ)上,進(jìn)行了創(chuàng)新實(shí)踐的活動(dòng),可以形成三種控制伺服系統(tǒng)運(yùn)作的方法。

2.1 單獨(dú)通過伺服電機(jī)運(yùn)行

首先需要固定伺服電機(jī),因?yàn)殡姍C(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),避免在使用過程中電機(jī)出現(xiàn)意外情況;隨后確定所用電纜是否正確配線,配線不正確可能會(huì)導(dǎo)致伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)異常,從而使電機(jī)損壞。通過電機(jī)配套的運(yùn)行表,可施行寸動(dòng)模式,此時(shí)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)順、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),也可以通過改變內(nèi)部參數(shù)來實(shí)現(xiàn)速度/扭矩等混合模式。

2.2 通過示教器控制伺服電機(jī)單體的試運(yùn)行

首先需按照電氣原理圖和連接圖完成整體的連線,在操作過程中需提前確定控制系統(tǒng)中設(shè)定的控制指令是否正確,伺服電機(jī)能否按照指令正常運(yùn)行,確定參數(shù)是否設(shè)置正確,檢查完畢后可以進(jìn)行控制運(yùn)行,進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)要提前了解《手動(dòng)操作安全規(guī)范手冊(cè)》,做到安全第一,并且注意,由于廠家系統(tǒng)PLC程序是同時(shí)輸入輸出S80-V2機(jī)箱的J1-J8的8軸的控制以及報(bào)警信號(hào),而本次設(shè)計(jì)僅使用J1軸進(jìn)行控制,且本次使用的伺服系統(tǒng)低電平有效,因此把J1以外其余7個(gè)觸電調(diào)至高電平即可。同時(shí)需要獲得管理員權(quán)限在示教器時(shí)更改伺服參數(shù),將不用到的J2-J8驅(qū)動(dòng)信號(hào)刪除。完成操作后,報(bào)警方可解除。

圖2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)物連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of physical connection of industrial robot system

在完成以上操作后,示教器無警報(bào)的前提下,先將模式旋至示教模式,按下示教器顯示屏的“伺服下電”,此時(shí)伺服系統(tǒng)開始通電,系統(tǒng)將通過讀取編碼值來計(jì)算伺服電機(jī)此時(shí)的坐標(biāo)位置,按下停止按鍵,解除禁止機(jī)器人動(dòng)作。此時(shí)就可以通過示教器編寫PLC程序[11-13],進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)行[15],讓機(jī)器人完成理想動(dòng)作。

2.3 通過其他方式提前編寫PLC程序,并通過U盤導(dǎo)入示教器

將存放提前編號(hào)PLC程序的U盤插入主機(jī)箱的USB接口;點(diǎn)擊<文件操作>→<從U盤內(nèi)導(dǎo)入>;分別將參數(shù)、程序、用戶PLC讀入系統(tǒng);等待彈出完成界面,出現(xiàn)后按下確定系統(tǒng)重啟后拔下U 盤;導(dǎo)入P LC 程序后,重啟示教器可運(yùn)行用戶PLC程序。

3 結(jié)語

本次工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)新研究所采用的設(shè)備有C R P控制系統(tǒng)和E ST UN 伺服系統(tǒng),在了解所有設(shè)備的操作原理和使用方法的基礎(chǔ)之上,繪制出系統(tǒng)接線圖和電氣原理圖,并將設(shè)備連接起來,通過編寫PLC程序和通過系統(tǒng)的手動(dòng)操控最終使伺服電機(jī)正確運(yùn)行起來。通過本次的創(chuàng)新活動(dòng)的學(xué)習(xí),可以把機(jī)器人的相關(guān)知識(shí),通過自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐得到一定加強(qiáng),對(duì)了解工業(yè)機(jī)器人的組成及學(xué)生的創(chuàng)新思想的培養(yǎng)有很大作用。