基于6R喷涂机器人的多轴运动控制系统设计木

机械设计与制造

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文章编号：１００ｌ一３９９７（２０ｌＯ）０３－０１６４—０２

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ

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Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ

第３期２０１０年３月

基于６Ｒ喷涂机器人的多轴运动控制系统设计木

周伟谢存禧

（华南理工大学机械工程学院，广州５１０６４０）

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【摘要】针对传统封闭式喷涂机器人控制系统的实时性差的缺点，提出了用ＩＰｃ＋ＤｓＰ运动控制器ｉ

ｉ的运动控制模式建立六自由度喷涂机器人开放式控制系统的结构设计方案，采用ＩＰＣ＋ＰＭＡｃ运动控制卡ｉｉ的结构来实现对喷涂机器人的控制，并设计了控制系统的硬件平台结构。通过层次化体系结构提高了多；ｉ轴控制系统的效率，模块化的软件设计更使系统具有很强的可移植性、扩展性和开放Ｊ｝生。ｉ

关键字：喷涂机器人；开放式；多轴运动控制

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中图分类号：ＴＨｌ２，ＴＨｌ３３．３文献标识码：Ａ

１弓ｆ言

在国外，喷涂机器人是一项较成熟的技术，大概已经有三十年的研究和发展历史了【ｌ】。在国内，喷涂机器人的研究始于上世纪八、九十年代。由于国内市场巨大，近年来汽车制造和大型的机械制造业在国内的发展和需求，国内的许多汽车厂家和制造公司也正在研究和开发适合自己的喷涂机器人并准备进行商业化生产％

六自由度喷涂机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。由于传统的机器人封闭式控制系统具有软件兼容性差、系统扩展性差、容错性差以及缺少网络功能等缺点，随着机器人智能控制体系的发展以及在工业上的广泛应用，传统的的机器人控制系统由于其本身的限制已不能满足现代工业和社会发展的要求，开放式控制系统应运而生，并很快成为了一种重要的工业标准圈。开放式结构的控制系统的发展趋势是以Ｐｃ为基础，采用面向对象的模块化的设计方法来构造系统。实验室与广州数控合作共同开发喷涂机器人，采用ＩＰＣ＋ＰＭＡＣ运动控制卡的开放式多轴运动控制模式，从而缩短了喷涂机器人的开发周期，降低了喷涂机器人的开发成本，为６自由度喷涂机器人的商业化生产做好了必要的技术支｛待。

在空间的位置，后３个关节决定其姿态。喷涂机器人的结构示意图，如图１所不。

图Ｉ喷涂机器人的结构示意图

３喷涂机器控制系统设计

３．１喷涂机器人开放式控制系统硬件结构设计

在机器人控制系统中，若只采用Ｐｃ机下的ｗｉｎｄｏ啪平台进行运动控制，就存在实时性差的缺点，很难保证计算周期在毫秒级的伺服控制周期之内问，为了解决这个问题，就需要使用运算速度快的ＤｓＰ运动控制卡，让ｗｉｎｄｏ髑运行相对慢一些的任务，而让运动控制卡处理速度很快的运动伺服控制，这就是ＩＰＣ＋ＤｓＰ的控制模式。实验室将采用Ｄｅｌ诅Ｔａｕ公司的ＰＭＡｃ可编程多轴运动控制器与ＩＰｃ工控机组成的双微机分级控制方式。上级ＩＰｃ

２喷涂机器人的机械主体结构

在喷涂过程中，由于被喷涂工件表面比较复杂，敌要求喷涂

机器人手腕很灵活，能够到达空间的任意位置和姿态。实验室所工控机负责机器人的系统管理和上层路径规划，包括各种文件数设计的喷涂机器人由腰部、大臂、小臂以及腕部四部分组成，具有六个自由度，即六个回转关节，前３个关节决定喷涂机器人喷枪

据管理、系统状态监测、故障处理、运动学正逆解、运动控制程序的生成、伺服参数调整等实时性要求不高的任务，并通过

★来稿日期：２００９—０５—２２★基金项目：广东省科技计划资助项目（２００７８０１０４０００４９）

万方数据　

第３期

周伟等：基于６Ｒ喷涂机器人的多轴运动控制系统设计

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Ｐｃｏｍｍ３２动态链接库向ＰＭＡＣ发送在线指令，实时获取以ＰＭＡＣ为基础的伺服系统的状态和发送运动数据。下级ＰＭＡｃ运动控制卡负责接收由ＩＰｃ发出的各种运动控制命令，并根据位置给定信号和光电编码器的位置反馈信号，分时完成每个电机转角进行控制。采用的三层闭环回路来实现机器人的位置控制，如图３所示舟。电流闭环由伺服放大器来实现，是由伺服放大器来自己调解的，它可以避免有电流突变造成的电路破坏；速度闭环也由伺服放大器来实现，它采用的是比例积分控制，用户可以根据不的误差计算、控制算法计算及Ｄ／Ａ转换，并且将速度给定信号加至伺服组件的控制端子，完成对６个伺服电机的位置伺服控制。根据以上分析和ｗｉｌｌｉａｍＥ．Ｆｏｒｄ提出的开放式机器人控制系统的基本思想，设计了喷涂机器人运动控制系统结构，如图２所示。

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示教盒

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图２喷涂机器人控制系统的总体结构

喷涂机器人控制系统中，双端口ＲＡＭ作为ＩＰｃ和ＰＭＡＣ之间的高速缓冲区，将ＩＰＣ内存中的轨迹数据下载到ＰＭＡｃ，或将关节位置的传感器信息和伺服系统的总体状态信息反馈回ＩＰＣ。ＰＭＡＣ运动控制卡通过ＰｃＩ总线连接到ＩＰＣ工控机中，将ＩＰＣ机的信息处理能力和ＰＭＡｃ的运动控制能力有机的结合到一起，具有开放性程度高，实时性和通用性好，运动控制轨迹准确等优点。同时运动控制卡本身提供了在ｗｉｎｄｏｗｓ环境下的动态链接库，使用非常方便，大大缩短了产品的研制和开发周期。

３．２喷涂机器人控制系统软件模块化结构设计

喷涂机器人的整个控制程序是在具有开放性的ｗｉｎｄｏ’Ｉｒ８ｘＰ

平台上用微软的ｖｉｓｕａｌｓｔＩｌｄｉｏ２００５ｃ＃编写开发的。其中包括主机和示教盒的操作界面，解释器程序，轨迹插补程序，运动学正逆解算法程序等。

喷涂机器人运动控制系统软件体系结构主要包括系统管理与通讯模块、初始化与数据处理模块、运动控制与轨迹插补模块、动态跟踪与检测模块四个部分。系统管理与通讯模块主要负责上位机和ＰＭＡｃ之间的通讯，同时实现对整个系统的调度和管理，以及示教编程；初始化与数据处理模块主要负责对机器人的系统参数和工作参数的配置工作；运动控制与轨迹插补模块根据示教时得到的若干示教点实现直线和圆弧的轨迹规划和运动学正逆解算法，并将相关参数传给运动控制卡，执行运动控制程序；动态跟踪与检测模块负责对伺服放大器和相关外设的输入信号进行处理，识别其中的异常，并将异常反馈到系统管理模块，从而实现故障报警功能。对运动控制系统软件进行模块化设计，不仅使喷涂机器人软件系统具有很好的可扩展性和可移植性，而且有利于系统开发过程中程序员之间的分工与合作。

４喷涂机器人关节伺服控制系统

由于喷涂机器人的运动过程是变负载的，因此为了保护电机和电路以及保持运动过程的相对平稳，需要在运动过程中对电流

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方数据同系统的控制要求调整比例常数Ｋｖｐ和积分常数１Ⅵ来获得满意的速度闭环特性；位置闭环由ＰＭＡｃ运动控制卡来完成，ＰＭＡｃ对于位置闭环采取了ＰＩＤ控制的方式，位置闭环的参数可以通过Ｉ变量来调节，根据系统的不同伺服要求可在一定范围内由用户设定。实际使用中验证这种三环控制系统运行平稳，定位｛眦黜《伺臌炼

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图３喷涂机器人关节位置伺服控制系统的实现方案

５

ＩＰＣ同ＰＭＡＣ之间的通信

ＩＰＣ上的ｗｉｎｄｏｗ￥与ＰＭＡｃ之间通过Ｄｅｌ诅Ｔａｕ公司提供的

的通信方法，在主程序中只需调用ＰｃｏｍＩＩｌ３２动态链接库就能完库中包含了很多函数，但常用的并不多，只要掌握了以下几个函ＯｐｅｎＰ眦ｃＤｅｖｉｃｅ（），，为应用翟酊芋使用ＰＭＡｃ手丁月乙—１、ｉ百道；ＣｌｏｓｅＰ眦ｃＤｅｖｉｃｅ（）∥当程序运行完毕后关闭所打开的通道；

Ｐｍ∽ＧｅｔＲｅｓｐｏＩｌｓｅＡ（），，发送—个命令字符串给ＰＭＡｃ，并

ＰｎＩａｃｃｏ曲ｇｕｒｅ（）／胴出配置对话框并修改ＰＭＡｃ的参数；ＰｌＩｍＤｏｗｎｋ础～（），／将程序从ＩＰＣ下载到ＰＭＡｃ；

ＰｌＩ眦ｓｅｎｄｃ嗍ｄＡ（），／发送—个石净令字符串给ＰＭＡＣ。

６结论

以上介绍了～种基于喷涂机器人的多轴控制系统，该控制系制能力有机的结合到一起，极大的提高了系统的工作效率，并在高了喷涂机器人的开发效率，降低了喷涂机器人的开发成本，有参考文献

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ｉｎｇ［Ｊ］．ＭａｒｙＩａＩｌｄ：ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＡ腿ｒｉｃ粕ｃｏｎｔｒｏｌｃｏｍｆｅｎｃｅ，１９９４

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精度高，具有良好的开放性和扩展性。

ＰＣｏｍｍ３２动态链接库进行通信。ＰＣｏ眦１１３２包括了所有与ＰＭＡｃ成ｗｉｎｄｏｗｓ同ＰＭＡＣ之间的数据交换。尽管Ｐｃｏｍｍ３２动态链接数，就可以实现大多数的通信功能。

从缓冲区得到ＰＭＡｃ反馈；

统采用ＩＰｃ＋ＰＭＡｃ运动控制卡的控制模式。采用分层体系开放式控制系统结构，将ＩＰｃ机的信息处理能力和ＰＭＡＣ的运动控此基础上提出了喷涂机器人控制系统软件模块化设计，使这种喷涂机器人控制系统具有良好的开放性、实时性和扩展性。从而提利于喷涂机器人的商业化生产。

２赵德安，陈伟，汤养．基于遗传算法的喷涂考『Ｉ器＾喷枪路径规划［Ｊ］．中国机３ＩＥＥＥＯｐｅｎｃｏｎｔｒｏｌ咿ｍ∞｝孤ｅｉ唧１０ｒｔ蛳ｃｅｏｎｎｄｕ“ａｌｓｔ∞ｄ砌《Ｍ１Ｍａｙ瑚０４

５张连新，高洪明．基于ＰＭＡｃ的开放式弧焊机器人控制系统［ｎ焊接学报。

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