铸造流水线四自由度工业机器人控制系统

李宁 宁显斌 卢子广

【摘 要】本文以四坐标机器人为研究对象，通过分析机器人的运动特性及变量参数，利用编程软件Motion Perfect2进行基本Basic指令的设计，完成机器人4轴的基本运动控制。为了使机器人在离线状态下动作，利用触摸屏完成机器人的示教再现功能，并利用触摸屏上位机实现对机器人的控制，从而提高铸造流水线上机器人的运动控制能力，

【关键词】铸造流水线 四自由度 工业机器人 控制系统 触摸屏

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2018）02C-0185-03

随着计算机集成制造、控制理论、信息和多传感、人工智能等技术的发展，铸造工业领域引入了越来越多的机器人技术。作为一门新兴的高新技术，机器人在铸造工艺流水线上所起的作用也显现出来，铸造企业里各种工业机器人的数量逐年增加，成为铸造企业提高其竞争实力不可或缺的机电一体化自动生产设备。铸造用机器人不仅能够将人从高强度、高负荷和危险的铸造工作环境中解放出来，大幅度地提高劳动生产率和劳动安全系数，也可以改善铸造产品质量，提高铸件精度。铸造用高性能、高可靠性、高精度机器人的开发研究已成为铸造工业生产的必然要求。本课题针对铸造流水线上使用的四坐标机器人，设计了铸造机器人开放式控制系统。

一、运动控制系统方案

铸造机器人运动控制器将程序设计要求的转角、位移量等信息，根据驱动装置（考虑到成本及控制系统的复杂程度，选择步进电机作为驱动装置）、传动装置、执行装置各部分之间的转换、运算关系，将各部分相匹配的信息发送给步进电机，从而控制步进电机的正反转、脉冲数等，实现各轴（执行装置）的精确运动与位移。本设计采用以开环控制，通过点位控制来控制运动系统。

铸造机器人主要是进行铸件搬运等工作，这些工作的共同特点都在于机器人运动的间断性及重复性。为了提高系统的安全性，本设计采用了传感器模块作为简单的反馈装置。传感器将检测到的危险信息，如各轴运动到极限位置、各轴遇到障碍物等。通过信号输入端传送给运动控制器，运动控制器接收信号并及时做出反应，发送相应的指令控制各轴的运动，以避免危险的发生，从而保证了整个系统与机械本体结构的稳定性。

根据机器人实现功能、工作环境、应用场合及成本等方面考虑，通过对各控制系统的优缺点进行分析比较，确定本设计采用PC机+人机交互界面+运动控制器的开放式控制系统，其中PC机和人机交互构成系统上位机，下位机则由运动控制器构成。各部分完成任务如下：

PC机用于控制系统的軟件开发与调试（人机交互操作界面、运动控制器等软件程序的设计）；人机交互主要完成系统离线状态下命令的发送，并在紧急情况下实现系统的启动、急停等操作，避免系统硬件、软件、机器人本体结构受到破坏；运动控制器，作为控制系统核心部件，起着桥梁枢纽的作用。它将接收到的上位机下达的指令或命令通过分析、判断、计算等过程，再将信号发送给驱动装置、执行装置，完成机器人的整个运动过程。

二、系统硬件设计

（一）核心部件选型。本设计中所选用的运动控制器采用Euro205X型运动控制器（Trio公司产品），它是一种U型结构的数字运算控制器，是控制系统在Euro205的基础上更加完善的控制器，独立的120MHZ的DSP微处理器，大大加快了计算机数据处理和电机运动的速度。

人机交互界面产品的选择采由WeinView公司的eView MT500系列触摸屏，其主要包括两部分：一部分用于对外部环境的检测及显示，即触摸屏的检测装置，另一部分是触摸屏内部的分析判断和对信号的处理装置，即触摸屏的控制器。

（二）系统硬件搭建及通信。根据机器人硬件结构模块的组成部分，机器人控制系统的硬件搭建主要包括运动控制器与机器人本体的连接、运动控制器与PC机的连接、运动控制器与人机界面（触摸屏）的连接、运动控制器与遥控模块的连接。由于运动控制器是硬件结构搭建的桥梁和枢纽，故在介绍各部分连接之前，先对运动控制器的引脚作一介绍。

机器人控制系统各硬件的通信主要包括下位机与上位机之间的通信（即运动控制器与PC机、触摸屏的通信）和上位机与上位机之间的通信（即PC机和触摸屏的通信）两部分。各部分间的通信均采用“串行通信”方式。所谓的“串行通信”，是指设备间使用二根数据信号线（可能还需要控制线）一位一位地进行传输，其中每一位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式具有数据线使用少、成本低等优点。

三、铸造机器人控制系统软件设计

（一）Trio控制程序设计。Trio程序的设计使用Motion Perfect 2，它比Motion Perfect 1在保留了核心功能的同时，增加了很多新的增强功能。Motion Perfect 2有如下新的特征：支持Trio公司生产的各个系列型号运动控制器的编程；在编写程序的过程中，增加了语句辅助、误差辅助功能，并可进行脱机程序编辑；可连接到其他外部应用软件，如CAD2Motion（该软件可以用于转化为CAD，产生两个到Trio Basic程序的空间运动路径）；增强的通信功能，如被保护的RS232通信模式，支持USB的高速通信，CAN总线通信等；其他新的或功能增强的工具，如表格编辑器，变量编辑器，填写、保存表格文件，可定义尺寸的示波器等。

（二）Trio程序的设计。Trio程序的设计是整个控制系统的软件核心，用于完成电机控制、传感器状态查询等实时性要求比较高的任务。Trio Basic程序主要包括初始化、报警等模块，在特定的条件下，各个模块之间通过程序流程控制指令进行切换、执行任务。下面是报警程序模块的程序指令：

loop：'the programme of alarm

IF VR（9）=1 OR VR（10）=1 OR VR（11）=1 OR VR（12）=1THEN

GOTO loop

ELSEIF （IN（0）=0 OR IN（1）=0） OR （IN（3）=0 OR IN（4）=0） OR IN（9）=0 OR

（IN（6）=0 OR IN（2）=0） THEN

OP（11，ON）

FOR i=0 TO 3

BASE（i）

WHILE MTYPE<>0

CANCEL

WEND

NEXT i

WAIT UNTIL （IN（0）=1 AND IN（1）=1） AND （IN（3）=1 AND IN（4）=1） AND IN（9）=1 AND （IN（6）=1 AND IN（2）=1）

OP（11，OFF）

（三）Trio程序的在線调试。由于Trio运动控制器在离线状态下，只能进行程序的离线编辑，所以要进行在线调试，检测程序是否正确，需将PC机与运动控制器进行连接。

运动控制器提供31个串口与PC机通信，当串口设置不恰当时，PC机也不会连接到运动控制器。如果控制器上电后默认的程序串口与控制器不一致时，控制器会做出修改串口设置提示。图1是PC在COM2口连接到运动控制器。

连接到运动控制器后，运动控制器会对导入的工程进行检测，在第一次运行程序时，需对工程的程序进行在线编译，以检测程序的正确性。

四、触摸屏界面设计

触摸屏主要完成对机器人的离线操作，包括系统启动、命令执行、动作切换、状态参数显示等操作。本设计采用Easy Builder500组态软件编写。

（一）设计步骤。触摸屏界面设计分三步进行。

第一步：确定触摸屏操作界面的基本结构形态，形成触摸屏操作界面的初步

模型结构，本设计中，触摸屏的设计利用模块化思想，功能实现模块可根据需要及机器人功能的增加随时扩充。

第二步：分析控制系统的状态变量、逻辑信号等，确定触摸屏设计中所需要的输入与控制信号特性、信号数量，以便正确地选择与设置元件；在计算机（软件组态）上制造触摸屏界面，并进行离线调试修改等。

第三步：将软件组态上的画面下载到触摸屏，并进行触摸屏与控制器等的调试工作。

（二）离线模拟图。由于Easy Builder500具有离线模拟功能，所以在触摸屏操作界面设计好之后，可通过离线模拟对界面进行演示，以检验操作界面设计是否正确和美观。基于此，本部分主要显示了触摸屏主要操作界面的离线模拟图。如图2显示了运动演示界面的模拟图。

五、总结

本文以四自由度回转机器人为机械本体，以机器人完成绘图工作为背景，设计了其控制系统。控制系统采用了PC机+触摸屏+运动控制器的开放式控制系统，触摸屏采用WeinView公司的eView MT500系列，利用Easy Builder500软件组态完成了触摸屏的操作面板设计；运动控制器为系统的下位机部分，采用的是Trio公司的Euro205X型运动控制器，利用Motion Perfect 2完成了Trio程序的编写。设计中，机器人的机械本体、上位机程序的设计都采用模块化的思想，方便了系统的维护和修改，同时提高了系统的可互换性、可移植性和可操作性。

【参考文献】

[1]于喜红，白晶，张顺琦，等.开放式四自由度工业机器人控制系统研究[J].机械设计与制造工程，2015（8）

[2]官友军，林方夫，李钓平，等.基于RS485网络的铸造生产线控制系统的研制[J].机电工程，2006（1）

[3]胡武茹，楼佩煌，刘冉.熔模铸造生产线集成控制系统的开发[J].工业控制计算机，2010（10）

[4]袁顺龙，白晶，秦现生，等.四自由度上下料工业机器人控制系统研究[J].机械与电子，2014（11）

【作者简介】李 宁（1978— ），男，广西南宁人，硕士，广西机电职业技术学院副教授，研究方向：工业机器人控制、焊缝跟踪系统；宁显斌（1984— ），男，广西玉林人，硕士，广西机电职业技术学院讲师，研究方向：工业机器人控制，计算机图像处理；卢子广（1963— ），男，广西南宁人，博士，广西大学教授，研究方向：智能控制，无线传感器网络。

（责编 苏 洋）