摘 要：本文介紹了基于運(yùn)動控制卡的機(jī)器人智能切割系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。該機(jī)器人具有四個自由度，采用三軸聯(lián)動的工作方式，第三軸可與選定的兩軸的運(yùn)動軌跡保持正切。實(shí)驗表明該機(jī)器人切割系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足玻璃切割等行業(yè)的加工要求。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人，運(yùn)動控制卡，玻璃切割
Abstract: The software and hardware design of intelligent robot cutting system based on motion control card are discussed. Robot with 4-DOF adopts three axes coordinated motion, and a third axis can be controlled such that it remains tangent to the motion of the selected pair of axes. Experimentation verify the good stability and conformable precision in glass cutting etc.
Key Words: robot, motion control card, glass cutting
1 引言
工業(yè)機(jī)器人是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備，特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)設(shè)備。根據(jù)機(jī)器人的動作形態(tài)，一般可分為下面五類：圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人、直角坐標(biāo)型機(jī)器人、關(guān)節(jié)型機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人。切割機(jī)器人屬于直角坐標(biāo)型的工業(yè)機(jī)器人，每種類型的切割機(jī)器人都對應(yīng)著特定的加工材料和加工工藝，如國內(nèi)開發(fā)的高壓水切割機(jī)器人，型鋼機(jī)器人切割系統(tǒng)等。對于玻璃等脆性材料，由于需要采用帶有金剛石的刀具，這就要求刀頭的角度必須始終與切割圖形的軌跡保持正切，以具有最好的刀印和開片效果，正是基于這樣的應(yīng)用，我們開發(fā)了這樣的機(jī)器人智能切割系統(tǒng)。該機(jī)器人模型示意圖如圖1所示：
2 機(jī)器人硬件系統(tǒng)組成
控制系統(tǒng)采用三套交流伺服系統(tǒng)和一套氣缸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的四個自由度，由GALIL DMC-1842運(yùn)動控制卡和工業(yè)PC驅(qū)動機(jī)器人系統(tǒng)。X和Y方向通過傳動裝置將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)在笛卡兒坐標(biāo)系下的定位和軌跡插補(bǔ);切割頭有兩個自由度，一個是Z方向的刀頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（如圖1所示），切割時刀頭方向始終和XY平面的軌跡保持正切，另一個自由度是刀頭上的氣缸連桿設(shè)備控制著抬刀和下刀。另外，采用一塊ISA總線的IPC 5372-2 數(shù)字量輸入卡檢測機(jī)器人伺服報警狀態(tài)，提高機(jī)器人的自診斷性。
2.1運(yùn)動控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)框圖：
機(jī)器人運(yùn)動控制采用美國GALIL公司的PCI總線的DMC-1842運(yùn)動控制卡[1]，該控制卡采用32位微處理器，可控制4軸，具有多軸直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等功能，為了得到最佳控制效果，GALIL控制卡提供了含有速度、加速度前饋，Notch及低通濾波的PID
濾波器補(bǔ)償功能，所有濾波器參數(shù)均可調(diào)整，以求伺服系統(tǒng)獲得最佳性能。機(jī)器人交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的工作模式設(shè)定為速度模式，以獲得最佳的速度響應(yīng)性能，在所有伺服參數(shù)中，速度指令電壓幅值VCMS和速度環(huán)比例增益Kvp會串聯(lián)到系統(tǒng)主回路中，對系統(tǒng)性能的影響最大，需要和控制卡的參數(shù)聯(lián)合整定。機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2：機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2.2機(jī)器人輸入輸出信號：
機(jī)器人輸入信號包括：X、Y、Z各軸伺服報警狀態(tài)（每軸四路報警輸入線，共需采集12路信號）;X、Y軸正反向
限位開關(guān)輸入信號;X、Y、Z各軸原點(diǎn)輸入信號;兩路TTL輸入信號（切割頭下探保護(hù)信號IN1，激光器搜索到切割物體信號IN2）。機(jī)器人輸出信號是六路TTL輸出信號（三路報警復(fù)位輸出信號，以及潤滑劑開關(guān)、定位桿開關(guān)、激光搜索器開關(guān)三路輸出信號）。其中，X、Y軸正反向限位開關(guān)輸入信號FLSX、RLSX、FLSY、RLSY和切割頭下探保護(hù)信號IN1配置成中斷信號，利用控制卡命令 EI[3]實(shí)現(xiàn)。刀頭壓力通過控制卡W軸的開環(huán)輸出命令OF產(chǎn)生，可以精確產(chǎn)生+/-10V的模擬電壓信號。
3 機(jī)器人軟件設(shè)計
3.1機(jī)器人切割程序框圖和人機(jī)界面：
機(jī)器人切割系統(tǒng)的程序框圖如圖3所示，人機(jī)界面如圖4所示：
圖3：機(jī)器人切割系統(tǒng)程序框圖
圖4：機(jī)器人人機(jī)界面
3.2線程實(shí)現(xiàn)：
伺服狀態(tài)監(jiān)控線程通過CPU掃描數(shù)字量采集卡的板卡地址而獲得各軸伺服報警狀態(tài)，如果發(fā)生伺服報警，該線程會和機(jī)器人切割主線程通訊，以采取相應(yīng)保護(hù)措施。
機(jī)器人切割主線程空閑時阻塞，等待上層界面的“切割開始”信號。切割函數(shù)封裝了運(yùn)動控制卡的命令，能根據(jù)傳入的參數(shù)自動選擇切割速度、加速度以及矢量速度平滑系數(shù)等切割參數(shù)。切割圖形可由用戶在編輯命令區(qū)域完成，或者直接載入CAD文件。切割函數(shù)和人機(jī)界面的開發(fā)語言是VC++6.0，開發(fā)環(huán)境是Windows98第二版，采用OPENGL作圖，讀入的CAD文件類型是AutoCAD R14的DXF文件。機(jī)器人的主要運(yùn)動控制函數(shù)定義如下：
int CutLine（double x0,double y0,double x1,double y1）//直線切割函數(shù)
int CutArc（double radius,double startangle,double anglewidth）//圓弧切割函數(shù)
int CutEllipse（double MajorLength,double MinorLength,double startAngle, double angleWidth,
double rotation）//橢圓弧切割函數(shù)
int ContinuousCut（char ＊filename ,int cut_counts）//多義線切割函數(shù)
int CutLines（char ＊filename）//任意曲線切割函數(shù)
int SearchObject（double coordinate[3][2]）//搜索切割物體的函數(shù)
對于中斷監(jiān)控線程，首先要配置運(yùn)動控制卡的中斷使能特性，用命令EI1024,1配置成限位中斷使能和輸入1中斷使能。應(yīng)用程序通過處理WM_DMCINTERRUPT消息可以處理控制卡發(fā)出的中斷，該消息定義在D
MCCOM.H中[6]。
3.3位移分辨率的匹配：
由于X軸和Y軸可能出現(xiàn)位移分辨率不匹配的問題，即機(jī)器人兩軸運(yùn)行相同的脈沖數(shù)時，位移卻不同，這時需要用ES[3]命令來修正插補(bǔ)序列，如果X、Y軸的編碼器線數(shù)分別為2000和5000，電機(jī)每轉(zhuǎn)的行走距離分別為27.494mm和27.489mm，此時：
設(shè) m=1000×2000×27.489/5000=1099.56≈10996
n=1000×27.494=27494
此時，用控制卡的ES m, n命令，可以保證矢量插補(bǔ)時兩軸位移分辨率一致。
3.4傳動件的消隙：
傳動機(jī)構(gòu)存在間隙，也叫側(cè)隙，由于DMC-1842運(yùn)動控制卡取消了輔助編碼器接口，無法同時反饋軸端編碼器信號和位置信號，一種軟件消除傳動件間隙的方法是：將控制卡固件升級到Rev s63b版本，該版本提供一個BK命令用來消除反向間隙。另外可以采用的硬件消隙方法有：消隙齒輪消隙、柔性齒輪消隙、對稱傳動消隙、偏心機(jī)構(gòu)消隙、齒廓彈性覆蓋層消隙等方法[4]。
3.5坐標(biāo)變換：
機(jī)器人切割系統(tǒng)采用兩種切割方式：定位切割和搜索切割。涉及兩個直角坐標(biāo)系：機(jī)床坐標(biāo)系、切割物體坐標(biāo)系。所有的圖形繪制都是基于切割物體坐標(biāo)系的，切割時再轉(zhuǎn)換到機(jī)床坐標(biāo)系。機(jī)器人切割臺上沿X、Y方向各有三個氣缸，定位切割時氣缸頂起來，切割物體靠在定位桿上，此時坐標(biāo)變換相當(dāng)于一個坐標(biāo)平移;搜索切割是將切割物體大致放于切割區(qū)，由機(jī)器人自己去搜索切割物體（機(jī)器人切割頭上裝有一個激光搜索器，下方有反光物體時會產(chǎn)生一個輸入信號），此時只需搜索切割物體y方向上的一個點(diǎn)和x方向上的兩個點(diǎn)就可以確定切割物體平面（切割物體一般是矩形），此時的坐標(biāo)變換相當(dāng)于平移+旋轉(zhuǎn)變換。
設(shè)切割物體坐標(biāo)系為[O‘;i‘，j‘]，機(jī)床坐標(biāo)系為[O;i，j]，切割物體坐標(biāo)系的原點(diǎn)O‘在 [O;i，j]中的坐標(biāo)是[x0，y0]T，如果M點(diǎn)在[O;i，j]與[O‘;i‘，j‘]的坐標(biāo)分別是[x，y]T與[x‘，y‘]T，S為正交矩陣，假設(shè)切割物體傾斜放置，可以理解為機(jī)床坐標(biāo)系[O;i，j]通過逆時針旋轉(zhuǎn)θ角得到切割物體坐標(biāo)系[O‘;i‘，j ‘]，此時切割物體坐標(biāo)到機(jī)床坐標(biāo)變換公式為[5]：
4 實(shí)驗結(jié)果：
機(jī)器人伺服采用
SANYO公司[2]的產(chǎn)品，各軸伺服系統(tǒng)的具體參數(shù)為：
X軸：伺服型號：PY2A050A2 電機(jī)型號：P60B13150B
Kp：45 Kvp：160 Tvi：20 VCMS：200
Y軸：伺服型號：PY2A030A2 電機(jī)型號：P50B08075H
Kp：37 Kvp：240 Tvi：15 VCMS：200
Z軸：伺服型號：PY2A015A2 電機(jī)型號：P50B05020D
Kp：37 Kvp：200 Tvi：15 VCMS：200
控制卡參數(shù)：KP 12,8,8 KI 8,2,2 KD 30,10,10 BK 5,5 MT,,-1 CE,,2 OE0,0
圖5顯示了機(jī)器人XYZ三軸聯(lián)動時采集到的XY軸的運(yùn)行軌跡：
圖5：機(jī)器人運(yùn)行軌跡
5 結(jié)束語：
本文從硬件到軟件介紹了基于DMC-1842運(yùn)動控制卡的切割機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)過程，從工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行效果來看，該套機(jī)器人切割系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，切割刀印光滑，具有較高的切割精度，切割速度快。機(jī)器人預(yù)留了6路TTL輸入接口，可用于日后完善機(jī)器人的安全區(qū)域物體侵入檢測等行為，增強(qiáng)機(jī)器人的安全性能。此外，該機(jī)器人還有一些可以改進(jìn)的地方，比如設(shè)計更好的傳動機(jī)構(gòu)以達(dá)到更高的定位和切割精度，根據(jù)氣溫微調(diào)各軸分辨率以克服熱脹冷縮對精度的影響，設(shè)計自動換刀機(jī)構(gòu)以提高切割效率等等。
合作項目：該項目由武進(jìn)吉鑫機(jī)械有限公司和江南大學(xué)合作開發(fā)，由江南大學(xué)完成電氣系統(tǒng)和自動控制部分，該機(jī)器人切割系統(tǒng)已為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益200多萬元。
