基于工业机器人系统的创新实践探索与实现*

林勋涛 苏发 赖冠宇

(1.广州航海学院船舶与海洋工程学院,广东广州 510725;2.西京学院,陕西西安 710123)

0 引言

工业机器人通常由执行机构、驱动系统、控制系统和传感系统四个部分组成[1-2]。执行机构是机器人的主体,用于完成工作任务,从功能上可分为手部、腕部、臀部、腰部和基座[3];驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置,根据动力原理可区分为电力驱动、液压驱动、气动驱动装置[4];控制系统指的是可以通过预先编写好的程序控制调整执行机构使之达到设想的运行状态[5],并且可以接收检测装置反馈信息的一个闭环管理系统[6];传感系统是机器人的重要组成部分,一般分为内部传感器和外部传感器,使得机器人对外部环境有适应能力,从而能表现出机器人的智能化。本文的创新实践研究主要是利用CRPS80-V2工业机器人控制系统和EST UN伺服系统组成的一个工业机器人系统,通过绘制相关的电气原理图、电路接线图、设备接线后试运行及在线编程[7-8],来研究工业机器人的系统组成,实现创新活动的实现。

1 工业机器人系统硬件

系统硬件设备主要有CRP-S80-V2工业机器人控制系统和E S T U N 伺服系统。

1.1 CRP-S80-V2控制系统

C R P 控制系统采用了当前世界流行的开放式软硬件平台,具备各种控制模块、传感感应模块、检测模块、及机器设备的安全连接方式;采用模块化的方式设计软件,简化操作难度,在特定环境、针对不同的机器构造,能够提升设备的功能性,控制系统主要包括示教器、CRP-S80-V2机箱、I/O板、BK板。

(1)示教器。示教器可通过人工操控调整,写入程序,调整参数进行控制机器人运动的控制设备,在使用的过程中可以操控机器人根据设计要求执行各种指令[9]。也可以通过程序编写导入控制机器人自动运行,并且可以修改机器人的系统参数、速度参数、操作参数等[10]。特别注意:示教器的模式开关选择示教模式,并且保证机器人处于通电状态,为达到安全稳定的效果,急停装置的使用必须配合电路设计。(2)CRP-S80-V2机箱。CRP-S80-V2机箱为CR P控制系统的信号传输中枢以及为控制系统提供电源。该机箱连接I/O板,BK板,驱动系统,并通过电缆连接传输信号或接收反馈信号,并且可以通过连接示教器对各个信号进行观察控制。(3)BK板。BK板通过配套的机器人专用端子信号线揽与主机M X T 接口连接,它的作用是将机器人的信号进行转接,并通过BK 板内置的抱闸控制模块,使机器人能够安全运行。(4)I/O板。I/O转接板主要是通过I/O信号X00-X22和Y00-Y22进行转接,可通过Y00-Y07进行继电器转接输出,进而控制机器人。

1.2 ESTUN伺服系统

ESTUN伺服系统由伺服驱动和伺服电机组成。(1)伺服驱动。伺服驱动用于接收上位机控制指令并控制伺服电机进行运动,同时为伺服电机提供电源的驱动装置。各端子记号有各自功能,能为伺服驱动提供电源。比如其中CN1为输入与输出用连接端子,其与CRP伺服控制系统的S80-V2机箱的J1端子连接,是输入与输出用连接器,控制系统和伺服系统通过该接口传输接受指令输入信号或反馈信号。(2)伺服电机。伺服电机是执行指令控制的装置,通过连接编码器线和电源线可以反馈编码器信息给驱动或者上位机和接通电源。并且可以通过输出轴将缓速器或者其他机械结构安装在伺服电机上,并进行工作。

2 工业机器人系统的搭建及运行

通过计算机语言可以预先根据设计任务要求编写好所需程序通过控制器对执行机构进行控制,而执行机构同时也会将位置,速度等信息反馈回给控制器,在这个过程中,外部传感器也会将外部环境的信息传送至控制器进行控制。因此机器人系统属于闭环控制系统。机器人系统示意图如图1所示。

图1 机器人系统组成图Fig.1 Composition diagram of robot system

利用C R P-S 8 0-V 2 工业机器人控制系统和E S T U N伺服系统搭建的工业机器人系统实物连接示意图如图2所示。

在此工业机器人系统基础上,进行了创新实践的活动,可以形成三种控制伺服系统运作的方法。

2.1 单独通过伺服电机运行

首先需要固定伺服电机,因为电机在转动时会产生振动,避免在使用过程中电机出现意外情况;随后确定所用电缆是否正确配线,配线不正确可能会导致伺服电机运动异常,从而使电机损坏。通过电机配套的运行表,可施行寸动模式,此时电机可以实现顺、逆时针转动,也可以通过改变内部参数来实现速度/扭矩等混合模式。

2.2 通过示教器控制伺服电机单体的试运行

首先需按照电气原理图和连接图完成整体的连线,在操作过程中需提前确定控制系统中设定的控制指令是否正确,伺服电机能否按照指令正常运行,确定参数是否设置正确,检查完毕后可以进行控制运行,进行手动操作时要提前了解《手动操作安全规范手册》,做到安全第一,并且注意,由于厂家系统PLC程序是同时输入输出S80-V2机箱的J1-J8的8轴的控制以及报警信号,而本次设计仅使用J1轴进行控制,且本次使用的伺服系统低电平有效,因此把J1以外其余7个触电调至高电平即可。同时需要获得管理员权限在示教器时更改伺服参数,将不用到的J2-J8驱动信号删除。完成操作后,报警方可解除。

图2 工业机器人系统实物连接示意图Fig.2 Schematic diagram of physical connection of industrial robot system

在完成以上操作后,示教器无警报的前提下,先将模式旋至示教模式,按下示教器显示屏的“伺服下电”,此时伺服系统开始通电,系统将通过读取编码值来计算伺服电机此时的坐标位置,按下停止按键,解除禁止机器人动作。此时就可以通过示教器编写PLC程序[11-13],进而控制电机运行[15],让机器人完成理想动作。

2.3 通过其他方式提前编写PLC程序,并通过U盘导入示教器

将存放提前编号PLC程序的U盘插入主机箱的USB接口;点击<文件操作>→<从U盘内导入>;分别将参数、程序、用户PLC读入系统;等待弹出完成界面,出现后按下确定系统重启后拔下U 盘;导入P LC 程序后,重启示教器可运行用户PLC程序。

3 结语

本次工业机器人系统创新研究所采用的设备有C R P控制系统和E ST UN 伺服系统,在了解所有设备的操作原理和使用方法的基础之上,绘制出系统接线图和电气原理图,并将设备连接起来,通过编写PLC程序和通过系统的手动操控最终使伺服电机正确运行起来。通过本次的创新活动的学习,可以把机器人的相关知识,通过自主学习和实践得到一定加强,对了解工业机器人的组成及学生的创新思想的培养有很大作用。