工業(yè)機(jī)器人澆鑄控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

隨著工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，產(chǎn)品涵蓋金屬焊接、噴涂、澆鑄、裝配、搬運(yùn)、包裝、激光加工等方面，應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、摩托車、工程機(jī)械、家電等行業(yè)[1,2]。不同用途的工業(yè)機(jī)器人在工作環(huán)境、機(jī)器人的自由度、與外部系統(tǒng)的信號交互控制等方面存在較大的差異。作為工業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用之一，澆鑄機(jī)器人具有以下顯著特點(diǎn)：(1)可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、正常運(yùn)行時間長；(2)安全性高，澆鑄中金屬液體溫度極高，要充分保障人員、機(jī)器人和其他財(cái)產(chǎn)安全；(3)速度快，澆鑄工藝決定了操作周期時間短；(4)精度高，保證零件生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定；(5)運(yùn)動范圍廣，為提高工作效率，一般一臺機(jī)器人同時為多臺澆鑄機(jī)澆鑄，要求機(jī)器人具有較大的運(yùn)動范圍；(6)信號多且交互頻繁；(7)堅(jiān)固耐用，能適應(yīng)普通澆鑄車間惡劣的生產(chǎn)環(huán)境；(8)通用性和柔性化，適合不同的應(yīng)用場合。鑒于澆鑄機(jī)器人的上述特點(diǎn)，本文將結(jié)合其應(yīng)用實(shí)例，介紹相關(guān)的設(shè)計(jì)方案和一些具體問題的解決措施。
1 機(jī)器人澆鑄控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
機(jī)器人澆鑄控制系統(tǒng)分為硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)兩大部分。
1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人澆鑄控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制單元、人機(jī)接口、伺服驅(qū)動系統(tǒng)等主要部分[3]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)控制單元是整個澆鑄控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的核心，主要組成部分包括CPU、主板和多功能板等。CPU和主板等硬件模塊都集成在工業(yè)PC中，而在實(shí)際應(yīng)用中，鑒于工業(yè)PC強(qiáng)大的處理能力及其良好的通用性，越來越多的機(jī)器人采用工業(yè)PC作為控制系統(tǒng)的核心控制器[2]，本文采用的是嵌入式X86工業(yè)PC，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信號處理。多功能板支持操作面板、數(shù)字I/O信號接口、模擬輸出信號接口、脈沖計(jì)數(shù)器和脈沖發(fā)生器等接口，提供控制單元與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的通道。
伺服驅(qū)動系統(tǒng)由最多可達(dá)8個的獨(dú)立的伺服單元組成，每個伺服單元由一個帶標(biāo)準(zhǔn)脈沖指令接口的伺服驅(qū)動器及一個伺服電機(jī)組成，并對應(yīng)機(jī)器人一個關(guān)節(jié)軸。一般來說，工業(yè)機(jī)器人最多有6個關(guān)節(jié)軸，即使在某些應(yīng)用場合下，還需要1或2個自由度的導(dǎo)軌、變位機(jī)等設(shè)備，系統(tǒng)仍然可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
為提高系統(tǒng)的開放式和通用性，軟件系統(tǒng)分為三層：系統(tǒng)層、控制核心層和主要由人機(jī)交互模塊HMI(Human Machine Interface)組成的系統(tǒng)應(yīng)用層，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

軟件結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)層主要包括操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序、硬件接口等。為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時控制，需要在DOS系統(tǒng)或者Linux系統(tǒng)平臺上開發(fā)出相應(yīng)的實(shí)時模塊RTM(Real Time Module)。
控制核心層是整個軟件系統(tǒng)和整個控制系統(tǒng)的核心，主要包括機(jī)器人控制系統(tǒng)核心CSKR(Control System Kernel of Robot)和PLC是其主體部分。系統(tǒng)內(nèi)部CSKR和PLC采用共享存儲的方式來進(jìn)行信息交換，按照事先約定劃分功能區(qū)，并定義訪問規(guī)則[3]?？刂坪诵膶油ㄟ^底層接口實(shí)現(xiàn)信息交換和功能調(diào)用，以軟中斷的方式處理實(shí)時任務(wù)、運(yùn)動控制、插補(bǔ)運(yùn)算和報警；以共享內(nèi)存的形式與寄存器交換數(shù)據(jù)并進(jìn)行參數(shù)配置。
系統(tǒng)應(yīng)用層中數(shù)控內(nèi)核接口，一方面作為控制核心層與上層應(yīng)用的接口，另一方面進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，為開發(fā)的應(yīng)用程序提供友好接口。
按照上述原則搭建出的工業(yè)機(jī)器人澆鑄控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例軟硬件系統(tǒng)如圖3、圖4所示。