（机械电子工程专业论文）大型钢结构管件弧焊机器人控制系统的研究.pdf

中文摘要 现代建筑行业中，越来越多地应用钢结构作为主体框架，其中涉及大量大型 钢管的对接。大型钢结构弧焊机器入主要应用在这领域的现场焊接，属于特种 机器人。本文针对大型钢结构管件弧焊机器人控制系统进行研究，设计了一套基 于工控机的开放式机器人控制系统，内容包括硬件配置和软件编制。 该焊接机器人由3 台同一构架上相关联的4 自由度机器人组成。根据工艺要 求，3 台机器人同时现场焊接，完成管件的对接。控制系统硬件采用基于p c 总 线的控制体系。运动控制部分采用p c + d m c l8 4 0 运动控制器的方案。 控制软件在w i n d o w s 平台上以v i s u a lc + + 作为开发工具，针对弧焊机器人 的特点，采用规范化方法设计。首先，提出了软件设计的结构化、模块化和人机 接口标准化，并进行了实现。在m f c 提供的框架上实现结构化，采用主线程、 辅助线程和多媒体定时器任务同时协调工作，满足工业控制实时性要求。模块化 则基于c + + 类的源代码级模块，整个程序依功能划分为类。在人机接口上提出了 命令交互、程序的容错性和错误报警提示等功能。其次，针对弧焊机器人的运动 控制和逻辑控制抽象出c m o t i o n 和c i o 两个类，以简化控制操作，实现软件复 用。同时这两个类有继承自c c m d t a r g e t ，可实现对象的序列化和接收消息。最 后，为满足弧焊机器人焊接时的编程控制，提出了一种基于s c r i p t c o n t r o l 控件的 机器人语言实现方法，并对以v b s 为基础的机器人语言进行了初步探讨。该方 法简单易行，有一定的工程实用性。 关键词：弧焊机器人机器人控制系统模块化机器人语言d m c a b s t r a c t i nm o d e mb u i l d i n gi n d u s t r y , m o r ea n dm o r es t e e lc o n s t r u c t i o n sa r eu s e da st h e s k e l e t o no ft h eb u i l d i n g s ，w h i c hn e e dl o t so fb u t tw e l d i n go f l a r g es t e e lp i p e s a n dt h e l a r g es t e e lp i p ea r cw e l d i n gr o b o t ，w h i c hi sak i n do fs p e c i a lr o b o t ，i sm a i n l ya p p l i e d i nt h i sa r e a t h i sp a p e rm a d eab a s i cr e s e a r c hw o r ko nt h ec o n t r o ls y s t e mo fal a r g e s t e e lp i p et r u s sa r cw e l d i n gr o b o t 砀ec o n t e n to ft h ew o r kc o n t a i n sh a r d w a r ed e s i g n a n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h ew e l d i n gr o b o ti sm a d eu po f3r e l a t e d4d o fr o b o t so nt h es a m ep i p e a c c o r d i n gt ot h ew e l d i n gp r o c e s s ，t h e3r o b o t sm u s tw o r kt o g e t h e rt oc o m p l e t et h e b u t tw e l d i n go ft h et w op i p e s c o n t r o ls t r u c t u r eb a s e do np cb u si su s e da st h e h a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dp c + d m c18 4 0m o t i o nc o n t r o l l e ri ss e l e c t e da st h e m o t i o nc o n t r o lp a r to ft h es y s t e m c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r e so ft h ea r cw e l d i n gr o b o t ，t h ec o n t r o ls o f t w a r ei s d e v e l o p e di nan o r m a l i z a t i o nm e t h o di nt h ev i s u a lc + + i d eo n h d o w sp l a t f o r m f i r s t ，s t r u c t u r i n g ，m o d u l a r i z a t i o na n ds t a n d a r d i z a t i o no fh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo f t h ec o n t r o ls o f t w a r ea r ep r o p o s e d a n dt h e na r ei m p l e m e n t e d t h es t r u c t u r i n gi s i m p l e m e n t e dt h r o u g ht h em f cf r a m e w o r k am a i nt h r e a d ，aw o r k e rt h r e a da n da m u l t i m e d i at i m e rt a s ka r ee x e c u t e dp a r a l l e lt om e e tt h er e a lt i m er e q u i r e m e n to ft h e i n d u s t r yc o n t r 0 1 t h em o d u l a r i z a t i o ni sb a s e do nc + + c l a s sm o d u l e s w h i c ha r es o u r c e c o d el e v e l n l ew h o l ep r o g r a mi sd i v i d e di n t os e v e r a lc l a s s e sa c c o r d i n gt h e i rf u n c t i o n f u n c t i o n ss u c ha sc o m m a n di n t e r f a c e ，f a u l t t o l e r a n c eo ft h ep r o g r a m , e l i o ra l a r ma n d s oo na t ei n t r o d u c e dt oa c h i e v et h es t a n d a r d i z a t i o no fi n t e r f a c e s e c o n d l y , t w oc l a s s e s c m o t i o na n dc i oa r ea b s t r a c t e da c c o r d i n gt ot h et w of u n c t i o n sm o t i o nc o n t r o la n d l o g i cc o n t r o lo ft h ea r cw e l d i n gr o b o t ，w h i c hc a nb ei n h e r i t e db yo t h e rc o d e m e a n w h i l et h et w oc l a s s e sa r ei n h e r i t e df r o mc c m d t a r g e t ，s ot h et w oc l a s s e sc a n s e r i a l i z et h e m s e l v e sa n dr e c e i v ew i n d o w sm a s s a g e f i n a l l y , i no r d e rt oa c h i e v e p r o g r a m m a b l ec o n t r o lo ft h er o b o tw h e nw e l d i n g ，am e t h o do fc o n s t r u c t i n gar o b o t l a n g u a g et h a ti sb a s e do ns c r i p t c o n t r o li sp r e s e n t e da n dar o b o tl a n g u a g eb a s e do n v b si sd i s c u s s e d t h i sm e t h o do fc o n s t r u c t i n gr o b o tl a n g u a g e si se a s ya n ds i m p l e ， a n di su s e f u li np r a c t i c ep r o j e c t k e yw o r d ：w e l d i n gr o b o t ，c o n t r o ls y s t e m , m o d u l a r i z a t i o n , r o b o tl a n g u a g e ， d m c i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毒1 宏业 签字日期： 2 矽明年f 月多。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：叁洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：友1 亥尘。 导师签名： 签字日期：2 口口c 1 年乡月3 d 日 签字日期： 够 p7 年易月f 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 11 焊接机器人及焊接设备概述 机器人是一种能移依据内部的程序或控制算法通过感觉和识别能力控制自 身的行为的人造智能机器。机器人种类很多，如按用途町分为工业机器人、探索 机器人、服务机器人和军事机器人嘲。机器人内涵的广泛性导致机器人的定义多 种多样，不能完全统一。然而应用最多最成熟的还是工业机器人。 工业机器人在实际生产中一般多用来进行焊接、搬运、喷涂、装配、涂胶等。 焊接机器人作为工业机器人的一个重要分支，技术比较成熟，应用范围比较广。 例如在汽车车身的生产线中就大量应用点焊机器人，而且是多机器人协调作用， 以提高生产效率。弧焊机器人多为5 自由度机器人并与变位机协同工作实现6 个或更多自由度，来满足焊接要求。弧焊机器人与其它用建机器人相比，对轨迹 的要求更加严格。例如相贯线焊接，要求机器人有空间曲线插补能力。这对机器 人控制系统提出了更高的要求。图i 为两种焊接机器人。 图l焊接机器人 、 装备制造业是为并行各业提供各种装备的产业。随着科学技术的发展，焊接 逐步成为制造业尤其是装备制造业中的重要加工手段p 】。在发达国家如美国、 臼本和欧洲的汽车制造、车辆、造船以及航空航天业的焊接生产中焊接机器人 和焊接臼动化专机的应用非常广泛。一方面是高焊接质量和生产率的要求，另一 方面国外的劳动力成本高，采用焊接自动化后，节约了人力成本。我国尚不是一 个焊接强国，国内焊接自动化水平相对较低。多数仍然是手工生产或者半自动化 生产。焊接散宰低与焊接质量不稳定是手工电弧焊的难题。 天律大学硕士学位论文 第一章绪论 对于非现场施工来说，自动焊接设备可选品种比较丰富。焊接机器人和自动 焊接设备均可使用。如自动埋弧焊机、龙门式焊机、_ j = 型钢管样机等在实际中有 着广泛应用，与焊接机器人相比，这些设备的通用性较羞。有些焊接工作要求必 须现场条件下焊接如钢结构建筑、大型吝嚣，且焊接姿态及工况较差。对这类 焊接工作土要是通过 丁用手工电弧焊或半自动电弧焊来完成传统焊接设备和 通用机器人都难以胜任这样的工作。 目前世界上有几家公司正在着手研制这方面的产品。国内这方面的研究如无 导轨全智能球罐焊接机器人等。此机器人主要由磁吸式全位置行走机构、焊枪位 置调整机构和摆动机构组成依靠磁轮把机器人固定在球罐j 。图2 为同内外几 种现场焊接机器人， a 管切割机 b 焊接机 c球罐焊接d7 , 5 米直径球罐焊接现场 图2自动焊接设备 12 机器人控制系统国内外发展现状 12 1 目前的研究热点及趋势 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 目前机器人控制研究主要集中在以下几个方面： 1 ) 重点研究开放式，模块化控制系统，更加友好的人机界面，语言、图形 编程界面； 2 ) 机器人控制器的标准化和网络化，以及基于p c 机网络式控制器； 3 ) 进一步提高在线编程的可操作性，离线编程的实用化； 4 ) 多传感系统； 5 ) 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者 之间的协调控； 6 ) 多智能体( m u l i t - a g e n t ) 协调控制技术：主要对多智能体的群体体系结构、 相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控 制等方面进行研究； 1 - 2 2 国外机器人控制系统发展现状 机器人起源于美国，日本通过消化吸收迅速掌握了机器人的相关技术，并逐 步发展，形成了自己的特色。从机器人数量上，日本和美国占多数。其他一些国 家如德国、意大利、瑞典、英国都有一定的机器人生产能力。 早期生产的机器人控制器，都是专用控制器，只针对自己公司的机器人，设 计自己的控制系统。包括系统总体结构、硬件选用以及计算机控制软件。这样设 计主要考虑两个问题：大量用户基础和较低的启动投资 4 1 。但这样的系统有许多 缺点：不满足需求时，系统再很难添加一些组件；系统改造代价很高甚至不能完 成。然而随着近几年计算机行业的快速发展，使机器人控制器向开放式结构发展， 以充分利用现成的软硬件资源。 而完全开放式系统是指任何人( 不仅是制造商) 都可以更改系统的各个方面； 在专用控制器和开放式控制器之间的系统可称为混合式控制系统。目前一些支持 开放控制结构的科研机构大致遵循这样一些原则： 使用非专用计算机平台开发系统( 如s u n ，s g i ，p c s ) ； 使用标准控制系统( 如u n i x ，v x w o r k s ) 和标准控制语言( 如c 或c + + ) ； 基于标准总线结构，以便可以接装各种外围设备和传感器； 基于网络，可以共享数据和远程操作； 美国在这方面研究较多 4 1 ，如美国空军的n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o n c o n t r o l l e r ) ，致力于开发一个可以成为机床a n s i 标准的开放系统架构标准；森 地亚国家实验室和能源部实验室也提出了一种叫g i s c ( g e n e r i ci n t e l l i g e n ts y s t e m c o n t r o l l e r ) 通用智能控制器的概念；t r e l l i ss o f t w a r e & c o n t r o l s 正在研发一种称为 n o m a d 的系统，这是一组运动控制软件模块，可以直接使用成品计算机软件和 硬件资源来实现控制系统。n o m a d 使用遵循p o s i x 规范的l y n x o s 操作系统， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 并使用标准的c 语言，还包括t c p i p 协议、x w i n d o w s 等，与u n i x 兼容。 另外一些专业机器人生产商也生产了一些基于p c 的开放机器人控制器及软 件系统。如美国a d e p t 公司的一些控制器产品完全运行在p c 机和w i n d o w s 操作 系统上。其典型产品有a d e p ta c t i v e v + ( t m ) ，可以通过v i s u a lb a s i c 或v i s u a lc 抖 对控制卡进行实时控制；a d e p ta c e 是一个集成的控制环境；以及a d e p td e s k t o p 和a d e p tw i n d o w s 日本的m o t o m a n 公司生产了名为p c x r c 基于p c 的控制器，此控制器简化 了系统集成，降低了成本，扩展了功能，是系统集成和o e m 应用的理想平台。 在这个平台上还可以使用m o t o m a n 的一些高级计算机工具，如v i s u a l p a l l e t 、 m o t o s i m 、m o t o c a l 和r o b o t p r o 其他的一些机器人公司也开发了基于p c 机的一些辅助软件，以提高其控制 器的性能。如川崎重工的一些计算机软件k c w i n 3 2 、d s r v g u n 等。 最后，值得一提是一些公司开始提供机器人控制所需的源码或组件，一些开 源社区也开始从技术上支持机器人控制。较为典型的有t h eo r o c o sp r o j e c t 图3实时工具箱程序架构 o r o c o s 是o p e nr o b o tc o n t r o ls o f t w a r e 的缩写，即开放机器人控制软件【5 】。其 目标是为机器人和类似机器开发一种通用的、开源的、模块化的软件框架。o r o c o s 工程支持四种c h 库：实时工具箱，运动学和动力学库，贝叶斯调节库和o r o c o s 组件库。使用o r o c o s 开发的软件是由组件构成，组件可以是o r o c o s 中现成的，也 可以根据o r o c o s 自己构建。每个库都有许多功能，例如图3 为使用实时工具箱时 的程序架构：o r o c o s i 程的出现，必将有力促进机器人控制系统的发展。 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 国内机器人控制系统发展现状 我国机器人学研究起步较晚，但进步较快，已经在工业机器人、特种机器人 和智能机器人各个方面取得了明显成绩，为我国机器人的发展打下了初步基础。 在8 0 年代，示教型机器人及控制系统技术已经掌握，并进行了各种智能机器人 技术的研究。进入9 0 年代，在国内市场经济发展的推动下，确定了特种机器人 与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针， 实现了高技术发展与国民经济主战场的密切衔接，研究出有自主知识产权的工业 机器人系列产品，并小批量试生产，完成了一批机器人应用工程，建立了9 个机 器人产业化基地和7 个科研基地。 国内机器人控制系统的研究主要集中在以下3 个体系上： 1 ) 采用p l c + 运动控制模块来完成比较简单的机器人控制，具有开发周期 短，运行稳定等特点。 2 ) 使用标准计算机系统和标准操作系统来研制开放式控制系统。对于下位 机既可以使用现成的板卡，也可以针对自己系统的特点研制自己的下位 机控制器。 3 ) 完全使用单片机搭建自己的控制系统。如使用a r m 做上位机，d s p 做 下位机的控制系统。其特点是柔性很大，可实现较特殊的功能，但开发 周期较长。 相比之下第二种方案应用的更多。典型的有工控机+ w i n d o w s 操作系统+ 运 动控制卡。优点是：( 1 ) 成本低；( 2 ) 具有开放性；( 3 ) 完备的软件开发环境和丰富 的软件资源；( 4 ) 良好的通讯功能。其缺点是w i n d o w s 是一个非严格的实时操作 系统，不具备严格的实时处理能力，另外其可靠性和安全性亦有很大的问题 6 1 。 国内研制很多机器人控制系统都是基于这个体系的，如中科院沈阳自动化研究所 的s i a s u n 0 6 b 机器人控制系统，基于p c 总线和c a n 总线。此控制系统分为 三个层次，伺服与数据采集层与被控电机和传感器相连，运动层负责运动规划和 插补计算等控制算法，系统层负责离线编程和生产线的管理域监控。 在运动控制卡的选用上，选用较多的是美国d e l t a t a u 公司的p m a c 卡。 p m a c 卡功能强大，内置p l c 功能，还支持数控系统的g 代码。n i 的运动控制 卡有l a b v i e w 的全力支持，使得在软件设计省力不少。另外g a l i l 公司的d m c 控制器在市场上也占有相当的份额。 控制系统硬件的成熟让机器人控制系统的研究逐渐放到了软件和算法。 w i n d o w s 上的各种开发工具为其研究提供了方便。国内在这方面的研究主要有软 件的模块化研究、智能控制、多算法融合和性能分析、控制器体系结构、实时多 任务操作系统、开放结构标准、多控制器结构和网络化等。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 研究背景和意义 制造业中大量产品是依靠焊接实现的。但焊接过程复杂，劳动条件差，劳动 强度大，自动焊接能极大提高生产效率。 在建筑行业、桥梁、海洋石油平台制造等行业中，尤其是现代建造业中，钢 结构的应用越来越普遍，常常需要进行钢管的对接。这些都需要现场施工焊接， 不能使用车间里的焊接设备。目前这一类的焊接工作都是由人工焊接或是以手工 为主的半自动焊接。焊接效率不高并且焊接质量不能保证。 本课题项目是以广州新电视塔的建造为契机提出来的，目的是研制用于诸如 此类现场施工的大型钢结构管件的对接焊接。位于广州新城市中轴线和珠江景观 轴交汇处的广州新电视塔，塔高6 1 0 米，由一座高4 5 4 米的主塔体和一个高1 5 6 米的天线桅杆构成。用钢量5 万吨【1 0 1 。其中涉及大量管件的焊接工作，如2 4 根 直径1 2 0 0 到2 0 0 0 范围的钢管对接。接头采用v 型坡口，所有全熔透焊缝均为 一级焊缝，1 0 0 超声波检验。并采用分段焊接，对称施焊，三点同时焊接以减 少焊接残余应力，三段的焊接参数保持一致连续焊接直到完成。采用二氧化碳保 护焊。若用人工焊接效率不高并且焊接质量不稳定。另外高空作业更不利于人工 焊接工作。在这种情况下，使用特种焊接机器人可以降低劳动强度，提高焊接效 率和质量，而用视觉纠偏焊缝跟踪技术焊接机器人有望解决两管对接处焊缝不均 的焊接难题。 由于是特种焊接机器人，且焊接工艺要求复杂，所以一般的通用机器人控制 器不能满足其要求，并且作业环境恶劣，对焊机器人本体及控制系统提出了较高 的要求，必须研制专用型机器人控制器。本课题就是针对该焊接机器人的控制系 统进行基础性研究。 控制器的性能影响着焊接效率和质量。目前由于缺乏系统的研究，在控制器 的核心部件控制软件上亦存在一些严重的问题，如软件未结构化、模块化，软 件的可操作性差，容错性差，可继承性差等一些问题。因此研究一套完善的、易 于扩展的机器人控制器具有重要的现实意义。 1 4 本文的主要内容 本文结合工程实际，对大型钢结构管件弧焊机器人的控制系统实现进行一些 基础研究，着重研究了控制系统软件的实现，并真正实现一个具有基本功能的控 制系统。本文涉及的主要内容如下： 1 ) 通过对焊接工艺、控制要求、现场工作条件的分析，确定以研华工控机 ( i p c 6 l o ) 、输入输出卡p c l 7 2 0 、以及g a l i l 公司d m c l 8 4 0 控制器为 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 主要硬件的方案，以实现大型钢结构管件弧焊机器人的运动控制系统； 2 ) 以w i n d o w s 为平台，v i s u a lc + + 为开发工具进行钢结构管件弧焊机器人 控制系统软件设计，按照结构化和模块化的思想编程，并规范人机交互 接口； 3 ) 针对弧焊机器人控制系统中的两个重要功能一运动控制和输入输出控 制，抽象为软件中的两个核心类，并对此类进行详细的研究设计，在代 码级上形成模块化。 4 ) 对机器人语言进行研究，并针对焊接机器人的特点及工艺要求，以s c 邱t c o n t r o l 控件为基础设计机器人语言。 天津大学硕士学位论文第二章钢结构管件弧焊机器人控制系统硬件结构 第二章钢结构管件弧焊机器人控制系统硬件结构 2 1 引言 机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。结合大型钢结构焊接 机器人的控制要求，以及机器人本体的结构特点，本章提出了一种基于d m c 运 动控制卡的开放式结构机器人控制系统。这种机器人控制系统采用开放式硬件、 软件结构，可以根据需要方便地扩展功能，具有良好的开放性和扩展性。控制系 统软件则采用规范化设计，实现软件的结构化和模块化。 2 2 机器人本体与焊接工艺简介 本机器人有4 个自由度，根据前面提到的焊接要求，需要3 台机器人同时焊 接。3 台机器人均布导轨上运动，焊接时导轨固定在管件上。实施焊接时，每台 机器人在各自区域内焊接，每台焊接圆管焊缝的1 3 。 1 机器人四轴 4 机器人轴向运动轴 7 钢管 2 机器人摆角轴 5 一机器人周向运动轴 3 一焊接机器人 6 焊接机器人导轨 图4 大型钢结构焊接机器人机构简图 机器人x 轴为沿导轨运动的自由度，即绕管做圆周运动。y 轴为沿管轴线方 8 天津大学硕士学位论文第二章钢结构管件弧焊机器人控制系统硬件结构 向运动的自由度，其运动可保证焊枪运动到焊缝上。z 轴为沿管径向运动的自由 度，其运动可控制调节焊枪高度。r 轴为转动轴，可使焊枪产生在过管轴线平面 内的摆动。其结构简图如图4 所示。 被焊钢管材料为q 3 4 5 。由于焊缝要求高，实际焊接工艺比较复杂。为了满 足焊接要求，管件焊接前都要预热，表1 是有关预热参数 表1 q 3 4 5 预热温度 接头最厚部件的板厚t ( m m ) 4 0 t 6 06 0 t 8 0 8 0 摄氏度1 0 0 摄氏度1 4 0 摄氏度 并且焊接后采用保温缓冷的措施。由于钢管直径比较大采用三台机器人同时 焊接，焊接参数保持一致。机器人配置如图5 机器人3 机器人1 器人2 图5机器人配置图 每道焊缝的收头需熔至上一焊缝约5 0 m m 处，让焊缝错开，不集中到一处。 如图6 ： 图6分层分道焊接头错位焊接示意图 9 天津大学硕士学位论文第二章钢结构管件弧焊机器人控制系统硬件结构 上述要求可通过机器人编程操作的方法来实现。并不涉及机器人控制系统的 软件编程问题。 在对大型v 型坡口进行焊接时，采用的是多层多道焊填充方法，如图7 所 示，即通过分析各种焊道截面形状，给v 型坡口第一层铺设一道焊道，第二层 铺设两道焊道，以后每增加一层也相应增加一道焊道【2 6 1 。 国 油 图7 多层多道焊接方法举例 2 3 控制系统硬件组成 2 3 1 基于p c 总线的控制系统特点 总线是指一系列的信号规定，过程定义和物理要求，以此保持各厂家产品的 兼容性。目前国际上已正式公布或推荐的总线包括：v m e 总线，m u l t i b u s 总 线，s t d 总线，i b m 微通道体系等，这些总线标准都是在一定的历史背景和应 用范围内产生的。而p c 总线是随i b mp c 机的发展而快速发展起来。p c 适当“加 固 用于工业后，即产生了工业用的基于p c 总线的控制计算机i p c 。由于i p c 与p c 兼容，是p c 机上的丰富的软件资源可直接应用到i p c 上，节省开发时间， 减少了培训费用；其开放的软硬件资源，既使制造商向其靠拢，也便于用户开发； 微电子技术的快速发展使i p c 机性能指标不断提高。 随着计算机软硬件的发展，i p c 越来越多的被用作工业产品的解决方案。使 用p c 机作为上位机监控或直接用于控制。使实时性和稳定性都可以满足工业控 制的需要，并且具有价格上的优势。 2 3 2 控制系统的硬件组成 本系统的硬件设计上，选用了基于p c 总线的工业控制结构。即采用研华 6 1 0 h 工控机作为主控计算机，配以各种板卡实现相应的功能。工控机上主要完 1 0 天津大学硕士学位论文第二章钢结构管件弧焊机器人控制系统硬件结构 成运动控制的上位运算、输入输出管理、图像处理、机器人协调、与示教器通信 以及界面的人机交互。 运动控制卡是系统的核心部件，可根据用户的指令输入，根据一定的控制算 法，产生控制电压来驱动各个伺服电动机运动。国内应用较多的有p m a c 卡。 近几年来国内外不少公司也都推出了一些运动控制卡。相比之下g a l i l 公司的 d m c 系列运动控制卡更具优势。由于该控制器没有把所有功能全部集中于一个 控制器中，用户根据自己的需求在众多产品中选择使用d m c 产品，因而其价格 也相应降低，另外使用简单是d m c 最显著特点。本系统选用3 块d m c l 8 4 0 控 制3 个焊接机器人共的1 2 个自由度。 电机选择了安川的绝对码盘电机，2 0 0 w 和4 0 0 w 的小惯量电机各两个。 i o 卡选用了研华p c l 7 2 0 。在外部配有接口板p c l d 7 8 2 和p c l d 7 8 5 ，i o 卡主要用于手动按钮、状态显示、与焊机及其他外部设备的信号通信。另外本控 制系统还有视觉传感器和远程用的无线示教器。 控制系统原理图如图8 ： 图8单台机器人控制系统原理图 本系统采用了两级控制( 控制原理见图1 1 控制系统功能块图) 。d m c 控制 器的上的m o t o r o l a6 8 3 3 l 芯片负责运动控制算法( 如p i d 调节) 和插补运算，并 将结果转换为电压输出给伺服驱动器，由伺服驱动器完成速度控制和转矩控制。 从而形成控制系统的三个闭环。上位机为研华工控机，对全系统进行管理，并实 时完成插补点的运算。图9 展示了控制系统的一部分。 无津大学硕士学位论文第荦钢结构管件弧焊机器 控制系统硬件结构 24 d m c 的使用 24 1d m c 简介i 图9 控制系统接线板 本系统选用的是d m c l 8 4 0p c i 总线四轴运动控制# 。该卡具有高速通信通 道，掉电保持存储器，快速的解码速度。d m c l 8 4 0 提供两个高速通信通道。一 条主f i f o ( f i s t i nf i s t o u t ) 通道用于发送和接受命令，一条辅助f i f o 用于读取控 制卡的参数和状态。采样频率可达6 25 微妙。 * 上内置闪存用来存储程序、参数、数据和系统软件。具有8 个输入8 个输 出的独立i o 和1 6 路模拟量输入。应用d m c 控制卡可实现点动、点到点运动、 线性插补、电子齿轮、轮廓控制等运动方式。控制卡通过+ 1 0 v 电压来驱动伺 服驱动器。 d m c 功能原理图如图l o ： 天津大学硕士学位论文第二章钢结构管件弧焊机器人控制系统硬件结构 各轴高速锁存 图1 0d m c l 8 4 0 组成原理 d m c 通过命令语句与上位机进行交互。d m c 使用独具特色的双字符命令， 即每个命令由双字符组成，后面跟具体的参数信息。另外控制卡还提供类b a s i c 的编程语言。例如： p r l 0 0 0 ，2 0 0 0代表指定x 轴相对距离为1 0 0 0 个编码器脉冲，y 轴相对距 离为2 0 0 0 个编码器脉冲。 s t x y表示停止x 轴和y 轴。d m c 中轴可采用x y z w 表示，当 多于4 轴时，可采用a b c d e f g h 表示前8 轴。 为了更快地执行指令，d m c 针对大部分命令都提供了该命令的二进制命令， 以提高解码速度和执行效率。所有的二进制命令都由4 个字节的命令头和紧随的 数字域组成。命令头的含义以十六进制的方式指定。大部分命令还有所谓的操作 数格式。即在程序中可充当一个操作数，其数值是与此命令相关的一个设定值。 其格式是在相应的命令前面加下划线。例如： s p 得到s p 的当前值，及返回单轴运动的速度。 但a c 智能当操作数，不能以命令的方式发送，因此如果要想在f i f o 中返回对 应的数据应该使用如下命令： m gs p xm g 命令可以显示一条信息，后面跟一个操作数，s p 为 设置速度，于是此语句返回x 轴的速度。 天津大学硕士学位论文第二章钢结构管件弧焊机器人控制系统硬件结构 d m c 命令集包含1 0 0 多个命令，完全满足工业控制的各种需要。命令按功 能可分为几个类别，如通讯类、控制类、运动类、运动等待类、搜索原点、数学 运算类、编程语句类等等。 d m c 运动控制器除了单独对轴控制外，还提供两个坐标运动轴s 和t ，可 以规定几个轴到这个虚拟的运动轴s 或t 上，然后像使用普通的轴一样使用这 个虚拟轴，从而完成多轴的协调运动。 2 4 2 运动控制原理 如图6 所示，控制卡发送命令给伺服驱动器驱动电机运行。一般通用伺服驱 动器有四种工作方式方式：位置控制；速度控制；转矩控制；全闭环控制。采用 速度控制方式，可以允许控制卡和程序实时调节更多的参数，提高性能。所以采 用速度控制方式进行驱动，d m c 卡输出1 0 v 电压，用来决定电机的速度。控制 系统的速度环、转矩环在在伺服驱动器上实现，位置环在控制卡上通过系统软件 和相应的参数设置实现。单轴电机的控制功能块图如图1 1 ： d m c 运动控制器 i 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i il ii 尺：给定x 偏差y 调节信号”控制电压e ：驱动电压尸：位置 图1 1 控制系统功能块图 其中数字调节器为p i d 调节器，主要参数为i l l ( 积分增益) ，k p ( 比例系数) ，k d 1 4 天津大学硕士学位论文第二章钢结构管件弧焊机器人控制系统硬件结构 ( 微分增益) 。驱动器工作在速度闭环模式时，编码器信号在伺服驱动器内经过 f 变换得到速度反馈。速度环模型可以用图1 2 表示： 图1 2 速度环环节 输入电压与速度之间传递函数是： 彩矿： 茎! 丝! 生 ： ! 、七k n k 。k g | jsk g b t l + 吣 其中： ， 丁1 = _ = r _ 一 k ，k ! kg k ，：转矩常量( n m a ) ，：折合到电机和负载上的惯量 k 。：速度环增益( 速度环增益c o v ) 速度环数学模型为： 矿 1 k g0 互+ 1 ) 尸 图1 3 速度环数学模型 数字调节器的传递函数为 ) = 丁k ( z - a ) + 署 采样时间为t 。调节器的参数k ，a ，c 和p 分别有指令k p ， 定，调节的系数和这些指令的关系为： k = ( k p + k d ) 4 a = k d ( k p + k d ) c ；k i 2 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) k d ，k i 和p l 指 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 天津大学硕士学位论文第二章钢结构管件弧焊机器人控制系统硬件结构 b = p l ( 2 - 7 ) 调节器包括一个前馈环节，一个积分环节和一个低通滤波器，等效于一个传递函 数为g ( s ) 的连续p i d 调节器，其中： ( 尸+ 由+ 三) 口 g ( s 、= s + a p = 4 k p d = 4 t k d j ：丝 2 r 1 一召 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 丁 ( 2 1 2 ) 零阶保持器描述系统采样过程，在每个采样周期里电机的状态更新一次，其 等效传递函数为： 以曲2 壶 ( 2 - 1 3 ) 2 d m c 控制板的调节参数与电机响应特性关系如表2 所示： 表2伺服参数对电机特性的影响 k pk ik d 超调量 于 上升时间 稳态误差 上 2 4 3 接口支持 g a l i l 同时提供了一系列软件和开发组件支持。实用软件如s m a t t e r m 和 w s d k ，可直接运行在w i n d o w sx p 下，完成一些控制任务：如命令发送与回显， 参数设置，运动控制卡信息显示，编写d m c 程序，伺服调整等。但这些软件功 能简单，不能做复杂控制。同时也只能支持d m c 卡，不能进行与其他设备进行 系统集成来完成更大的功能。所以本机器人控制系统中主要采用其开发工具，已 形成完整的控制系统。 c t o o l k i t 开发组件允许使用c + + 来进行程序开发。c t o o l k i t 包括定义头文件、 导出库以及运行时库函数。图1 4 是软件通信层次图。 1 6 天津大学硕士学位论文第二章钢结构管件弧焊机器人控制系统硬件结构 此开发工具主要提供了两个库【1 3 】： 1 ) d m c c o m 包含大部分的通信函数； 2 ) d m c m l i b ：包含一些运动相关的高级函数； 通过这些库函数( 即d m c c o m d l l 和d m c m l i b d l l 中的函数) 可实现命令 发送，上传下载程序，读取控制器状态等操作。 应用程序层 d m c a p i 层 驱动层 硬件接口层 应用程序s p o o n y 2 d m c 3 2 d l l 王 d m c b u $ 3 2 d l l 丫下 之岁 g l w d m p c i s y s 彳、 l i ll 弋夕 d m ci8 0 0f i f od p r a m i r q 图1 4 软件通信层次 本控制系统软件由上位机软件和下位机软件组成。上位机软件在安装 w i n d o w sx p 的工控机上运行，下位机软件主要是指运行在运动控制卡上的d m c 程序。其关系如图1 5 运动卡内闪存 发送命令 系统软件 命令返回 r l 执行 上位机程序 上 下载程序 d m c 程序 上传程序 1 7 天津大学硕士学位论文第二章钢结构管件弧焊机器人控制系统硬件结构 2 5i o 接口板卡 图1 5 上位机下位机软件关系 研华p c l 7 2 0 卡可提供3 2 路数字输入和3 2 路数字输出以及3 个计时器定 时器通道。输入输出均为t t l d t l 电平。输入输出被映射到p c 的i o 端口上， 编程操作方便。 p c l d 7 8 2 和p c l d 7 8 5 是其外接板，用来进行输入输出的接线。p c l d 7 8 2 是1 6 通道光电隔离数字输入板，每路输入都可以单独隔离。p c l d 一7 8 5 是1 6 通 道继电器输出板。 研华提供的开发套件主要是几个辅助软件和动态链接库。动态链接库在安装 驱动程序时已经在系统注册。对于c c h 程序研华提供d r i v e r h 头文件和 a d s a p i 3 2 1 i b 导出库函数。在v c 中使用此动态链接库要包括头文件，并链接导 出库函数。 对i o 卡的操作比较简单，利用软件查询的方式工作。即周期性的采集板卡 的输入，经过逻辑运算用来控制运动执行或其他设备，如焊机等，并定时根据运 算进行输出。虽然是在w i n d o w s 操作系统下，但是由于采用了多媒体定时器， 扫描周期可以达到毫秒级，完全满足工业控制的需要。 i o 操作比较简单，常用的库函数如表3 所示： 天津大学硕士学位论文第二章钢结构管件弧焊机器人控制系统硬件结构 表3p l c 7 2 0 常用接口函数说明 函数名称描述 通过指定的设备号( d e v i c e n u m ) 来打开一个已经安装的设备， d r v _ d e v i c e o p e n 返回设备句柄d r i v e r h a n d l e 以各后续操作 关闭由设备句柄d r i v e r h a n d l e 指向的设备，释放为该设备分配 d r v d e v i c e c l o s e 的资源。 在设备句柄d r i v e r h a n d l e 指向的设备上，向指定i o 端口写一 个字的数据，即两个字节。参数p o r t 中指定的是系统l j o 端口的 d r v w r i t e p o r t w o r d 绝对地址，这个地址必须在系统分配给该设备的地址空间范围 内。 在设备句柄d r i v e r h a n d l e 指向的设备上，从i o 端口读取一个 d r v r e a d p o r t w o r d字的数据，即两个字节。参数p o r t 中指定的是系统i o 端口的绝 对地址，这个地址必须在系统分配给该设备的地址空间范围内。 2 6 本章小结 本章主要介绍了控制系统的总体组成。根据大型钢结构管件弧焊机器人的控 制要求，确定了以工控机作为上位机，d m c 运动控制板卡作为下位机运动控制 的总体结构。详细讨论了硬件的选型、硬件的组成原理和控制软件s p 2 ( s p o o n y2 ) 的总体组成，并对控制的核心部分d m c 运动控制卡、运动控制原理和i o 卡的 性能及作用进行了介绍。 采用这种基于工控机的开放式控制系统，使硬件设计相对简单，以选型为主， 同时又大大提高了系统的柔性和可扩展性。工控机上丰富的软件资源也为控制软 件的开发提供了方便。 1 9 天津大学硕士学位论文 第三章钢结构管件弧焊机器人控制系统软件总体设计 第三章钢结构管件弧焊机器人控制系统软件总体设计 3 1 引言 控制系统硬件的快速发展与成型，使