上下料机器人与数控机床群无线通信系统设计

杨 尹，顾寄南

YANG Yin, GU Ji-nan

（江苏大学 制造业信息化研究中心，镇江 212013）

0 引言

随着工厂自动化水平的提高，工业机器人在数控机床领域的应用越来越多。服务数控机床的工业机器人大体上分为上下料和换刀机器人两大类。这些机器人首先要获取数控机床上下料和换刀等信息，信息经控制系统处理后输出控制信号控制执行机构执行相应的动作。数控机床和工业机器人的可靠信息传输对机器人的整体功能尤为重要。近年来无线通信技术得到了迅速的发展，无线通信在工业控制领域应用也日趋广泛，本文以服务于数控机床群的上下料机器人为例，介绍了一种基于ZigBee技术的上下料机器人与数控机床群的无线通信系统，并通过实验验证系统信息传输的可行性。

1 系统概述

系统为ZigBee星型网络，在网络中ZigBee终端设备为数控机床群，ZigBee协调器为上下料机器人。终端设备通过传感器获取机床上下料信息并将信息发送至空中，协调器从空中接收到上下料信息，将信息显示在液晶屏上，并通过RS232串口发送至机器人控制系统。系统运行过程分为五个阶段，分别是协调器建立网络阶段，终端设备加入网络阶段，终端设备数据发送阶段，协调器数据接收阶段，协调器串口数据发送阶段。为了避免终端发送数据时的竞争和冲突，ZigBee协议的媒体访问控制层采用CSM/CA接入算法，同时媒体访问控制层支持确认的数据传输模式，要求每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输中出现问题可以进行重发，从而建立可靠的数据通信模式。

2 系统硬件设计

2.1 数控机床端硬件设计

数控机床端的硬件系统包括传感器模块和ZigBee模块两部分，传感器模块的作用是获取数控机床的上下料信息，ZigBee模块的作用是将传感器获取到的信息通过无线方式发送至ZigBee协调器。

传感器模块采用霍尔测转速传感器，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器、温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号。霍尔测转速传感器用以测量机床主轴的转速，而主轴的转速又代表了机床的上下料信息，转速为零表示机床需要上下料，转速不为零表示机床不需要上下料，因此霍尔测转速传感器可以获取机床上下料信息。

ZigBee模块采用深圳飞比电子科技有限公司生产的ZigBee开发板，该板由CC2530芯片和一些外围器件组成，板上有LED、按键和RS232接口等资源。数控机床端的ZigBee模块是星型网络的终端，它与传感器模块直接连接。霍尔测转速传感器输出的脉冲经过电平转换后输入CC2530，通过编程记录输入的脉冲数目，如果在一定的间隔时间内脉冲数目不再增加，则认为机床主轴停止转动，此时ZigBee终端将发送上下料信息给ZigBee协调器。

2.2 机器人端硬件设计

机器人端硬件由ZigBee模块和串口模块组成，ZigBee模块为整个星型网络的协调器，它负责建立网络接收数控机床端ZigBee终端设备发出的上下料信息，并将信息通过RS232串口模块发送至机器人控制系统，模块上的的液晶屏也同步显示接收的信息。实验用PC代替机器人控制系统，用RS232串口将ZigBee模块和计算机相连，在PC上显示机器人控制系统收到的上下料信息。

3 系统软件设计

ZigBee协议栈是一种基于优先级的轮转查询式操作系统，系统软件设计就是在协议栈的基础上根据任务的需要开发应用层程序，将应用层程序和协议栈整合后植入芯片便可实现系统的功能。系统软件包括数控机床端和机器人端软件设计两个部分。数控机床端软件的主要功能是记录霍尔传感器输入的脉冲数目，在一段时间内记录的脉冲不再变化时就认为主轴停止，此时调用发送函数将上下料信息发送出去。机器人端软件的主要功能是接收终端发来的上下料信息，当收到上下料信息时便调用函数将此信息发送给串口。

4 实验测试

实验系统由三个ZigBe模块、霍尔传感器和PC组成。三个ZigBee模块中有两个为ZigBee终端，一个为ZigBee协调器，它们共同构成星型网络。实验通过按键模拟机床工作状态，按键按下表示终端正在发送机床上下料信息。ZigBee协调器PC由RS232接口相连，在PC上显示收到的上下料信息。

表1 实验现象

图1 实验现象

5 结论

实验现象表明上下料机器人和数控机床群之间建立了星型无线通信网络，ZigBee终端通过霍尔传感器获取机床的上下料信息并将信息传输给ZigBee协调器，协调器将收到的上下料信息显示在液晶屏上，并同时将信息由RS232串口传至机器人控制系统，整个系统实现了数控机床群和上下料机器人之间的信息传输。

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