基于Galil控制器六自由度机械手的开发与应用

李 渊，武建新，郭宇鸿，李博伟，2

（1.内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.乌海市特种设备检验所，内蒙古 乌海 016000）

1 Galil运动控制器

本文所研究的是6自由度机械手，所以采用Galil公司提供的六个自由度的DMC-2163运动控制器。DMC-2163系列是Galil经济型多轴独立控制器，它提供两个通信通道：RS-232（最高波特率19.2kBd／s）和10Mb／s以太网，且提供4MB Flash EEPROM 存储器，用于存储应用程序、参数、变量、数组，可以很容易地在现场对固件进行升级。

DMC-2163专为解决复杂运动问题而设计，能够在包括点动、点到点定位、矢量定位、电子齿轮同步、电子凸轮、组合运动、轨迹运动的应用中使用。控制器通过对运动规划曲线的平滑处理以及加、减速过程的控制，可大大减小对机械部分的运动冲击。为了对复杂轮廓平滑跟踪，DMC-2163还提供无限直线、圆弧线段的矢量进给。控制器的电子齿轮也提供了多主轴以及龙门模式的操作［1］。

2 六自由度机械手

六自由度机器人是一种典型的工业机器人，在自动搬运、装配、焊接等工业现场有着广泛的应用。该机器人采用六关节串联结构，各关节以“绝对编码器电机+精密谐波减速器”作为传动。在机器人的控制方面，采用集成了PC技术、图像技术、逻辑控制及专业运动控制技术的运动控制器，其性能可靠稳定，高速高精度［2］。本次实验所使用的机械手的一些技术参数如表1所示。

本文所论述的是六自由度机械手，采用了Galil公司的DMC2163运动控制卡，使运动系统具有精确的定位抓取功能。图1为机械手抓取物体的实物图以及机械手配电柜的接线图。

表1 机械手技术参数

图1 机械手抓取物体的过程及配电柜

3 使用GalilTools进行运动编程

3.1 GalilTools的优越之处

其他的控制系统一般采用 WSDK、SmartTerminal作为伺服调节工具，而本文所述的系统采用的伺服调节工具是GalilTools。GalilTools为控制卡调试基本工具，并带有开发函数包。调试工具部分分为收费版本和免费版本，收费版本功能接近WSDK，免费版本接近SmartTerminal。它支持现有所有型号的控制器，支持XP及以上的Windows系统。使用Galil-Tools伺服调整软件，当打开此软件时，会自动识别控制卡的通讯状态，而不需要像旧的伺服调整软件（如SmartTeminal、WSDK）那样首先注册卡的信息。通过GalilTools软件向控制卡发送指令，实时控制和监测伺服电动机的运动。也可以通过软件编写程序，然后下载到控制卡中，由控制卡连续自动执行。

3.2 运动编程

Galil运动控制器提供了功能强大且使用方便的编程语言，用户使用GalilTools能够快速编程来解决任何运动控制方面的难题。能够把程序下载到运动控制卡的存储器中，无需主机干预，即可执行。多任务功能同时执行8个用户程序，允许各独立任务同时执行。采用GalilTools来执行复杂程序，让主计算机执行其他任务；不过，即使程序正在执行中，控制器仍能随时接收来自主计算机的命令。除标准运动命令外，Galil还提供许多命令，使其做出自行决定，这些命令包含各种跳转、事件触发及子程序。Galil还提供了用于检测、修正系统误差及处理来自外部开关的中断自动子程序。为了更高的编程灵活性，Galil提供了用户自定义变量、阵列及算术函数［3］。

为了各种运动形态和应用，Galil提供了广泛的指令集，用2字符ASCII命令代表这些指令，使编程更加简单。使用双字符语言编写的程序主要可以完成如下的运动方式：PTP定位、JOG运动、2D直线和圆弧插补、直线插补、电子齿轮、ECAM和仿形加工等。

4 GalilTools的自动PID调整

只有完整的GalilTools版本（即收费版本）才有PID自动调整功能。下面主要介绍PID自动调整功能在GalilTools中的具体实现过程。

（1）首先启动GalilTools软件，在“Scope”功能下有“Tuner”功能项，所有的PID数值都是初始值。PID自动调节工具如图2所示。

图2 PID自动调节工具

（2）设置“Scope”的 Mode选项为Repeat，然后点击Start使得Scope可以接收获取数据。

（3）编写一段 DMC（Digital Motion Control）程序，使得速度、加速度、减速度均为最大值。然后把编写的程序下载到控制器中，以后就可以更加直观地对比PID调整前后的图像。如下是一段实现X轴间歇运动的DMC程序：

（4）在GalilTools的终端中输入XQ＃A（执行程序），然后点击Tuner中的 Autotuner，系统会进行PID的自动调整。

点击Autotuner后的效果如图3所示。而没有经过PID整定的控制效果图如图4所示。对比图3与图4可以发现，在经过PID调整以后，显然实际位置与编码器反馈回来的位置基本重合，因此提高了控制系统的稳定性。

图3 经过PID自动调整的控制效果

图4 未经过PID调整的控制效果

5 系统的软件开发

5.1 软件开发系统

Galil除了提供 GalilTools、SmartTerminal和WSDK基本通信软件以外，还提供了软件开发工具CToolkit、ActiveX Toolkit，用户可以用 C、C++、VB、VC、Labview开发应用接口程序。在开发接口程序时，用户可以利用API函数直接调用Galil的Dll，或者使用 ActiveX COM 控件［4］。

本文所述的系统是在Windows平台下使用Visual Studio 2010软件开发的。为了使在 VS 2010中编写的运动程序也具有PID自动调整功能，则需要在VS 2010中首先调用 GalilTools，这样在 VS 2010中编写的C++程序在执行过程中也同时启动了Galil-Tools，即整个运动过程具有了PID自动调整功能。

在Visual Studio 2010控制台程序编写时，需进行如下配置：

（1）在系统环境变量的PATH变量中，添加C：＼Program Files＼Galil＼GalilTools＼bin＼。

（2）打开VS 2010，新建一个C++空工程。

（3）在解决方案中，选择资源文件，右击添加C：＼Program Files＼Galil＼GalilTools＼lib＼hello.cpp。

（4）项目／属性／配置属性／C／C++／常规／附加包含目录“C：＼Program Files＼Galil＼GalilTools＼lib”。

（5）项目／属性／配置属性／C／C++／代码生成／运行库改为多线程调试DLL。

（6）项目／属性／配置属性／链接器／输入／附加依赖项“C：＼Program Files＼Galil＼GalilTools＼lib＼Galil1.lib”。

（7）将LibGalil-1.6.4.552-vs2010-x86中的Debug（包含Galil1.obj和Galil1.dll）分别复制到C：＼Program Files＼Galil＼GalilTools＼bin＼和 C：＼Program Files＼Galil＼GalilTools＼lib＼。

5.2 六自由度机械手人机界面的开发

在Visual Studio 2010中，开发了一个 MFC的人机操作界面，实现机械手对物体的准确抓取，其具体操作过程如下：首先连接控制器，然后选择回原点标定，最后进行机器人抓取物体。在抓取物体的过程中应进行物体的图像捕捉，在系统内部进行各种矩阵变换，使得机械手能够准确抓取到物体。人机界面的开发是在调用GalilTools软件基础上进行的，使得整个运动系统具有PID自动调整功能，这样机械手就能快速、准确地抓取物体。机械手的人机界面如图5所示。

6 结论

本文以六自由度机械手作为GalilTools的应用实例，首先在GalilTools中进行简单的应用编程，再利用VS 2010作为开发平台进行了一些开发环境的配置工作，配置完成后制作了一个MFC人机界面，通过人机界面的操作，使机械手能够将物体准确抓起。由于GalilTools具有这些优点，因此在进行机械手人机界面的设计中，就是在调用它的基础上开发应用的。

图5 机械手的人机界面

［1］ 吴忠.基于Galil运动控制器的切割机控制系统［J］.机电工程，2003，20（4）：44-46.

［2］ 马强.六自由度机械臂轨迹规划研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007：9-14.

［3］ 何均.高平稳数控运动控制算法与系统软件开发方法研究［D］.南京：南京航空航天大学，2010：23-26.

［4］ 王伟.基于GALIL卡的火焰切割机数控系统的开发研究［D］.大连：大连交通大学，2011：25-31.