1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展， 普通的人工勞動力已經(jīng)不適合強度高、環(huán)境惡劣的工作要求。而隨著機器人制造水平的提高， 具有高效率、質(zhì)量穩(wěn)定、通用性強的機器人已經(jīng)受到越來越多的青睞， 并被廣泛應(yīng)用到柔性制造生產(chǎn)線上。目前， 工業(yè)生產(chǎn)中的搬運、焊接、噴涂等繁重工作已經(jīng)逐漸被機器人所取代， 此外， 特種機器人在深海探測、消防救災(zāi)等領(lǐng)域也得到應(yīng)用［1］。早在20 世紀70 年代， 國外一些工業(yè)發(fā)達國家的機器人就進入了實用化的階段。經(jīng)過30 多年的研究應(yīng)用與改進， 目前無論在技術(shù)水平方面還是裝備數(shù)量上， 以日本和德國為代表的少數(shù)幾個工業(yè)發(fā)達國家都具有絕對的優(yōu)勢［1］。如瑞典的ABB、日本的川崎重工、德國的KUKA等。我國“863” 計劃已經(jīng)將機器人的研究列入其中，開發(fā)具有良好穩(wěn)定性和實用性的機器人也得到了企業(yè)的廣泛重視。本文主要介紹一種基于SMP 純軟件運動控制內(nèi)核的機器人控制系統(tǒng)以及它在焊接方面的實際應(yīng)用。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

SMP 系統(tǒng)是美國Soft ServoSystem 公司研發(fā)的基于PC 的純軟件運動控制內(nèi)核。SMP 軟件運行在裝有Ardence＇s RTX 的Windows 系統(tǒng)下， 通過主計算機的CPU 運行實時運動引擎， 具有閉環(huán)反饋、多軸插補、運動程序處理和PLC 邏輯運算功能。可搭配VersioBus 光纖、Panasonic RTEX、Yaskawa MECHATROLINK、Mitsubishi SSCNET 和FXI－40等多種伺服通訊網(wǎng)絡(luò)［2］。本機器人控制系統(tǒng)選用FPA－200適配卡與松下A4N 系列伺服系統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng)的通訊平臺。

2．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

SMP 系統(tǒng)運行環(huán)境為Windows2000 ／XP， 硬件上使用普通PC 或者性能更加穩(wěn)定的IPC， 高速的CPU 內(nèi)核承擔純軟件方式的運動插補和PLC 運算， 并通過標準的PCI 插槽與FPA－200 建立總線通信， 經(jīng)由FPA－200 適配卡上面的網(wǎng)絡(luò)接口和光纖接口直接與A4N 伺服驅(qū)動及I ／O 進行連接。利用CPU 進行純軟件運算， 節(jié)省了獨立的運動控制卡和PLC 設(shè)備， 有效地降低了硬件成本。通過FPA－200 的光纖接口， 可進一步擴展I ／O 模塊， 增加外圍設(shè)備輔助功能。整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。





2．2 SMP 軟件結(jié)構(gòu)

SMP 軟件的底層模塊包含三個可升級的實時引擎：PLC 引擎、SMP 引擎和SMP 運動解析器， 三個引擎相互循環(huán)配合完成運動控制的運算。CPU 給予底層模塊最高優(yōu)先級待遇。SMP 的上層模塊則用于執(zhí)行SMP 控制器， 如程序的加載、參數(shù)的設(shè)定、文件的管理和用戶界面的運行。利用Ardence RTX 對Windows 進行實時性擴展， SMP Real-Time DLL 中間鏈接層使上層模塊的應(yīng)用程序可實時調(diào)用和讀取底層模塊的運動引擎數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息［2］。





3 機器人硬件構(gòu)成

機器人的硬件結(jié)構(gòu)由四個部分組成： 工業(yè)計算機和觸摸屏顯示示教盒、FPA－200 RTEX 網(wǎng)絡(luò)適配卡、松下A4N電機及伺服驅(qū)動器和機器人本體。

工業(yè)計算機是系統(tǒng)運行的硬件基礎(chǔ)， 示教盒的應(yīng)用軟件界面直接面向?qū)ο蟛僮?。FPA－200 通過IPC 上的標準PCI 插槽與主機建立總線通信， 適配卡的工作電源同樣由PCI 總線提供。FPA－200 上RX、TX 兩個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)接口， 利用100Mbit ／s 的以太網(wǎng)絡(luò)將關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動串聯(lián)起來， 并以0．5～1ms 的周期速度對六個關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動實行高速循環(huán)控制和可編程加減速控制［3］。系統(tǒng)通訊具有極高的響應(yīng)性和穩(wěn)定性。

伺服電機直接安裝在機器人關(guān)節(jié)上， 從機械內(nèi)部走線。在機器人底部用標準航空插頭與伺服驅(qū)動連接。A4N 伺服驅(qū)動上的X5 接口提供了豐富的I ／O接點， 通過PLC 編程， 由X5 接口上的I ／O 點完成對焊槍能設(shè)備的控制， 如圖3 所示。




本系統(tǒng)采用的SMP－850 可實現(xiàn)8 軸插補聯(lián)動控制。通過FPA－200 的VersioBus 光纖接口擴展IM－300 I ／O 模塊，最多可增加到416 輸入輸出點。 

4 應(yīng)用軟件開發(fā)

SMP 系統(tǒng)提供了應(yīng)用于Visual C＋＋、Visual Basic 和Java 的應(yīng)用軟件庫接口、MAPI 源代碼和對引擎內(nèi)核的實時調(diào)用DLL 文件。強大的MDK 二次開發(fā)軟件包可方便用戶根據(jù)操作習慣和實際需要開發(fā)自己的應(yīng)用軟件。本文介紹的機器人控制系統(tǒng)選用Visual Basic 軟件作為開發(fā)環(huán)境。

4．1 軟件開發(fā)流程

應(yīng)用軟件的運行首先要實現(xiàn)對SMP 系統(tǒng)的初始化和RTX 引擎的啟動。SMP 系統(tǒng)的初始化包括SMP 設(shè)備打開和系統(tǒng)參數(shù)加載。系統(tǒng)初始化和RTX 引擎啟動成功后， 設(shè)置系統(tǒng)操作模式， 打開中斷循環(huán)并與遠程設(shè)備建立通訊。程序主循環(huán)過程中斷狀態(tài)正常時， 打開PLC 引擎并使伺服電機。在不同操作模式下， 根據(jù)實際需用編寫界面操作程序。軟件編寫過程中， 通過MDK 二次開發(fā)包提供的MAPI 調(diào)用語句和動態(tài)鏈接文件DLL， 可實時讀取界面操作所需要的引擎狀態(tài)和系統(tǒng)信息。





4．2 示教操作界面


手動示教模式的功能是讓操作人員記錄機器人位置姿態(tài)并生成焊接軌跡。在機器人的實際應(yīng)用中， 需要操作人員在手動操作模式下移動機器人關(guān)節(jié)使焊槍末端始終沿著規(guī)定的焊接軌跡移動， 然后在示教模式下記錄運動過程中的關(guān)鍵位置點， 并根據(jù)焊接的要求插入打開焊槍、關(guān)閉焊槍、輸入焊接速度、暫停等功能指令， 最后保存軌跡生成可再現(xiàn)的示教程序［4］。程序中對焊槍的控制是將M 指令進行譯碼后， 交給PLC 引擎運算， 并通過PLC 輸出點控制焊槍的開始點和結(jié)束點。示教功能界面如圖5 所示。在自動運行界面下， 操作者可重復(fù)調(diào)用保存好的示教軌跡程序， 控制機器人運動， 完成焊接。





5 結(jié)束語

本文介紹的基于PC 機和Windows 系統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、系統(tǒng)內(nèi)核升級方便、應(yīng)用軟件開發(fā)周期短、界面友好等優(yōu)點。本系統(tǒng)實現(xiàn)了對6 個自由度機器人的聯(lián)動控制， 完成了示教編程、參數(shù)設(shè)定， 自動運行等功能模塊的編程。搭配松下A4N 系列伺服和廣東伺博科NBC－350 二氧化碳氣保焊機， 在實際的焊接應(yīng)用中取得了良好的效果。通過對焊接速度和焊接電流， 電壓等參數(shù)的調(diào)節(jié)， 焊接質(zhì)量達到了技術(shù)要求， 軌跡準確， 焊縫平滑。接下去， 機器人系統(tǒng)的進一步研究工作將主要在以下兩個方面：

（1） 深入研究機器人運動的速度前饋和加減速算法，提高機器人在高速運動下的定位精度， 減少振動， 保證機器人運動的平穩(wěn)性；

（2） 建立機器人三維模型， 研究機器人逆運動學(xué)算法， 規(guī)劃機器人的空間運動軌跡， 編寫離線編程加工程序。