上下料机器人设计(4)

行。因此在结构上采用分布式结构的两级微型计算机控制系统，如图1所示

第一级为主控计算机(1 主CPU)．它负责系统的监控和作业管理。主要完成系统控制．操作台与示教盒控制，显示服务，坐标转换，提前点计算．插补计算，自动加减速计算，系统自诊断，I／O控制，机器人语言编译等任务。l 主CPU 根据操作者的命令和动作程序语句的要求进行轨迹规划、插补运算及坐标变换，计算出各轴电机的位置设定值序列。同时它还要接收并根据下一级的反馈信号和外传感器的信号．判断任务的执行情况和环境状态，然后向下一级各关节位置伺服系统传送一次与设定点相应的位置更新值，实现对各关节运动的协调和控制作用第二级为伺服控制计算机及交流伺服驱动装置，主要负责机器人运动控制。各从计算机根据主控计算机送来的各关节位置指令，进行关节插补，得到新的关节量。同时，不断地读取各轴编码器的脉冲量，计算机器人的现行位置。并用软件方法与给定位置进行比较，对偏差进行PID调节。伺服控制计算机实现对各关节的数字位置伺服控制，其输出经D／A变换后，作为交流伺服驱动装置的速度设定值．控 制机器人本体运行。两级计算机的通讯，由程序控制两级计算机之间的并行口，实现两级间的通讯。各从计算机用中断方式向主控计算机报告各关节当前位置，主控计算机用查询方式判明各关节是否完成要求的位置伺服值，然后再向各从计算机送出各关节新位置的设定数据及其它数据。 码垛机器人控制器功能

机器人在运动的时候，有许多外来干扰作用在机器人的各个关节处，例如由离心力、哥式力、重力等带来的干扰力矩和干扰力。另外，围绕关节轴的惯性力矩的大小也随时间而变化。由于存在这些外来干扰，如果还是采用固定模式的和缺乏抗干扰能力的伺服控制系统的话，那么机器人系统就很难产生高速和高精度的动态响应。为了适应时刻变化的对象，必须使伺服系统的动作具有某种柔性，这种柔性是通过计算机程序来实现的，故称为软伺服(soft— ware servo)。软伺服的基本原理是采用反馈控制和采样控制方式。在某一时刻，采集机器人的位置与速度等信息，然后对这些信息进行运算处理，在下一时刻输出运算处理结果。码垛机器人系统的功能框图如图2所示，其中虚线框内的内容表示机器人控制器应具备的功能。

软伺服的实现方法 作业点示教

通过示教盒对机器人的位置进行示教。它把示教的整个动作序列和轨迹点位置数据存人存储器，并以程序形式记忆下来。工作时执行上与机器人控制器以串行通信方式进行信息交互。 轨迹生成

为了生成机器人的运动轨迹，在轨迹生成这一部分中求出在某一时刻，安装在机器人各关节处电机的旋转角度、速度和加速度等目标值。码垛机器人运动轨迹的生成原理如图3所示。在图中把计算方

法分成为轨迹计算法1和轨迹计算法2_2]。

a．轨迹计算法1。图3中的输入q (位置、速度、时间)是对作业点示教中用机器人语言描述的机器人动作进行解释的结果，包括用作业环境直角坐标(绝对坐标系)表示的目标位置，和向目标位置靠近的理想速度，以及接近目标的跟踪类型(CP型或PTP型)等。把输入q 从绝对坐标系变换为机器人本身的坐标系(基座坐标

系)的各分量X ，y ，Z ，接着求出用基座坐标系表示的随时间变化的轨迹。即根据机器人语言形式给出的指令速度以及当前位置到目标位置的距离，求出每一时刻的控制量，形成

图2中①所示的时间序列数据。

b．轨迹计算法2。这一部分主要进行各种数据的变换。在加速和减速时的速度变化曲线的基础上，把每一个采样时间7’ 时刻机器人的位置设定值、速度和加速度的时间序列数据变换为安装在机器人各关节处电机的旋转角。旋转角速度和旋转角加速度，即进行坐标的逆变换，求逆运动学反解。一般来说，机器人的机械系统存在2O～50Hz的固有振动频率(=

1T )，为了避免与机器人的机械系统产生共

振，采样时问问隔Tn

件成本的前提下，在1～5ms的时间内，完成浮点运算的坐标逆变换和伺服处理是不大可能的。所以还需要利用插补运算方法，进行配合来解决与运算速度之间存在的矛盾。即对采样时问间隔Ts的相邻两点之间的轨迹再进行一次分割，把这相邻两点之间的轨迹分成若干个点，然后用轨迹计算法2求每一个点的目标值，使得机器人的运动在这两点之间是平滑的，从而使机器人以适当的速度和加速度沿着平滑的位置曲线轨迹进行移动。上述的运算都是用浮点运算法在各从CPU 中进行的。 伺服控制

把轨迹生成部分输出的控制量作为指令值，再把这个指令值与位置等传感器送来的信号由各从CPU进行比较，用比较后的指令值，控制各伺服电机转动，其中应用了软伺服。在软伺服中，对位置与速度的控制是同时进行的。伺服控制部分接受通过插补运算得到的各种目标值，遵循一定的原则，形成控制电机的电流指令 值。在这个过程中必须对当前的各个关节转动的角度值和角速度值进行检测。用软件方法对设定的目标值和从码盘采集的当前位置反馈信号进行比较，对偏差进行PID调节，得到的控制量经D／A转换和初级放大后，作为各关节交流伺服驱动装置的速度设定，再将速度设定值与速度反馈值比较，送至速度调节器，同样将得到的控制量送到电流环。角度值可用编码器等位置传感器进行检测。角速度值用安装在机器人各个关节电机上的测速发电机等速度传感器进行检测，也可通过对位置传感器检测到的信号进行微分运算求出角速度值。伺服控制部分的各种运算在1～5ms的采样时问问隔内完成，仍是有困难的，故还需进行插补运算来配合，然后对各个关节进行控制。 3．4 电流控制

电流控制方块接受从伺服系统来的电流指令，对实际流过电机的电流值进行检测和监控流经电机的电流大小，保证电机按照来自伺服控制部分的电流指令值进行旋转运动，检测和监控一般都采用模拟方式。码垛机器人的四个关节都是使用交流伺服电动机驱动，其交流伺服驱动装置有模拟量的速度调节器、带有脉宽调制(PWM)控制的电流调节器构成反馈控制的内环．数字位置调节器为外环组成，如图4虚线框内部分。码垛机器人每次作业前先要整体回

零，以校准各关节的零位，作为轨迹规划及控制的基准。针对码垛机器人的回零特点及通讯方式，伺服控制又分零位、位置和终点伺服3种。零位伺服：码垛机器人的回零动作是串行的。当某关节回零完毕而其它关节尚未回零、或都已回零完毕而等待主控计算机传送位置设定值时，则运行零位伺服程序；位置伺服：位置伺服计算机接受主控计算机传来的位置设定值后，则运行位置伺服程序。对每一点位置的设定值，伺服3个采样周期，每个伺服有4个点向主控汁算机报告一次当前位置。当一次传送的所有设定值都伺服完时，向主控计算机报告并转去执行终点伺服程序；终点伺服是当前位置伺服完成最后一点的伺服计算后，将这一点的设定值保存起来，并以这个值进行随后的伺服动作。码垛机器人采用工业控制计算机作为主控计算机，伺服系统采用8952单片机。实现了PID控制算法，接收、处理多种信号，形成所需的控制指令，达到由主控计算机协调各关节的运动，准确地跟踪轨迹规划所给定的空间轨迹，使速度完全可控，避免出现死区。本控制系统的控制算法正确、可行。

多传感器上下料机器人的控制系统设计

在现代化生产线上的多传感器空瓶检测机器人，负责对进行灌装前的空瓶质量进行检测。由于是在线检测，对检测速度有很高的要求，需要控制多个不同的传感器，所以对控制系统性能提出了很高的要求。根据以上分析，本文提出了一种由工控机进行上层监控和通讯，PLC进行底层控制的控制系统来完成多传感器检测机器人的控制任务。 1 控制系统的基本结构 系统的基本结构如图1。

检测机器人的运行状态分为调试状态和正常工作状态。检测机器人处于正常工作状态时，控制系统的工作流程为PLC通过光电传感器和编码器获取检测对象的精确位置，当检测对象到达检测位时，通知图像采集系统启动CCD摄像机对其进行拍摄。将拍摄的图像数据传输给专门的信息处理系统去处理。得出空瓶质量是否合格的结果后通知PLC。PLc再控制击出器在不合格产品到达击出位置时将其击出。在调试运行状态时，系统能在主控计算机的监督下，按要求分别对各个光电传感器，图像采集子系统，击出器等进行静态的调试，以使各个设备能处于系统需要的正常状态。至于检测机器人的传送系统则由变频器控制，具体启动，停止等控制以及速度的设定由工控机管理。 传动系统的控制

多传感器检测机器人的传动系统由交流电机驱动，使用变频器来控制。由于在一般情况下检测机器人的传动系统是以恒定速度运行，而且因为使用了光电传感器和编码器来检测对象位置，与传动系统的运行速度无关，所以无需复杂的控制策略，主要是由工控机按要求启动和停止变频器，并相应调整变频器频率，从而控制传动系统运行速度即可。变频器可以选用西门子MICROMASTER 420，该系列变 频器运行可靠、功能完善，易于安装和调试，既可适用于简单的电动机控制也可用于更高级的电动机控制系统。而且该系列变频器具有串行接口，可以通过485总线与PC机进行通讯。因为工控机上的串行接口是232模式的，所以工控机为了 和变频器通讯，需要使用一个232转485的转接器。在通讯时，两者间采用的是半双工模式。

MICROMASTER 420变频器的通讯协议是USS协议。协 议中的报文结构如下：

其中ST×区内容为02hex，代表一条信息的开始；LGE区为一个字节，内容表示信息的长度；ADR区是一个字节，表示变频器的地址；BCC 区内容是校验和，采用异或方式，长度为一个字节。报文中的数据区分为两个部分，即PKW 区(参数识别ID一数值区)和PZD区(过程数据区)。PKW区用于对变频器参数的处理，本文没有涉及到这方面的操作，所以不再详细讨论。下面主要介绍PZD区的使用。PZD区一般为两个字长，分为主站到变频器和变频器应答主站两种。其中主站到变频器的任务报文第一个字是变频器控制字STVv，第二个字是主设定值HSW。其中s1、字各位的含义如表1所示。HSW 字是主频率设定值，用来设定变频器主频率。根据参数P20o9的设置，可以采用两种不同的方式。当P20o9=0时，数值用16进制方式发送，并规格化为P2000设定的频率，即实际输出频率=(HSW )xP2OoO中额定频率／16384。而当P2009=1时数值是以绝对十进制数的形式发送。从变频器到主站的应答报文也是两个字，分别为变频器的状态字ZSW 和变频器参数实际值HlW。当变频器接收到主站的任务报文后，会将变频器的状态经由应答报文告知主站。 在实际进行通讯前，需要先设定好变频器的几个参数。设定参数P00o3=2或3，以便访问第二级或第三级参数；设定参数P2010， 使变频器的波特率与主机波特率相同； 设定参数P2011，规定变频器的通讯地址；设定参数P0700和P1Oo0，使 主站能够通过USS协议控制变频器及发送主设定值给变频器。在工控机上可以使用MicrosoE的ActiveX控件MSComm 来编写串口通讯程序。MSComm控件功能强大，但使用起来确并

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