三軸臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人通用控制軟件設(shè)計(jì)

本文主要以三軸臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人為平臺(tái)，采用改進(jìn)的柵格法進(jìn)行加工工件的環(huán)境表示，利用不同優(yōu)先級(jí)的權(quán)值進(jìn)行路徑規(guī)劃，設(shè)計(jì)具備一定通用性的控制軟件，避免了加工不同工件需重新編寫(xiě)程序的麻煩。

0引言

如今工業(yè)機(jī)器人已逐步融入工業(yè)生產(chǎn)之中，與工業(yè)機(jī)器人開(kāi)發(fā)相關(guān)的企業(yè)也相繼在中國(guó)出現(xiàn)。然而，對(duì)于不同客戶(hù)的需求，只能通過(guò)工程師編寫(xiě)不同程序的方式來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。因此，在這些企業(yè)中，大多數(shù)都是以“非標(biāo)”產(chǎn)業(yè)和機(jī)器人代售為主。而同一機(jī)器人應(yīng)用于不同工作環(huán)境，在軟件設(shè)計(jì)上的通用性問(wèn)題上一直存在著很大的阻礙。

1機(jī)器人系統(tǒng)框架

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)控制軟件發(fā)送指令給予SmartPAC運(yùn)動(dòng)控制器，由控制器根據(jù)相關(guān)指令轉(zhuǎn)換為軸的驅(qū)動(dòng)指令并傳輸給相應(yīng)的軸伺服器，軸伺服器根據(jù)接收過(guò)來(lái)的指令控制軸以執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。參數(shù)輸入端是由鼠標(biāo)與鍵盤(pán)通過(guò)USB接口直接接入控制器，該控制器自帶操作系統(tǒng)WinCE.控制軟件在該運(yùn)動(dòng)控制器的WinCE環(huán)境下運(yùn)行，通過(guò)輸入端在控制軟件上設(shè)定相關(guān)參數(shù)或進(jìn)行操作，由通用控制軟件分析并確定一條合適的加工路徑。根據(jù)加工路徑，得出相關(guān)指令集合，通過(guò)控制軟件向軸依次發(fā)送指令，以達(dá)到加工工件的目的。

該工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)框架如圖1所示。

2通用控制軟件簡(jiǎn)介

該軟件控制端所控制的機(jī)器人是由三個(gè)雅馬哈單軸伺服器以及一個(gè)Smart PAC運(yùn)動(dòng)控制器相組合而成的三軸臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人。其中三軸分別命名為X，Y，Z，相互構(gòu)成了一個(gè)立體空間。加工工件固定于Y軸上，處于XY平面之內(nèi)。在加工工件上分布著N個(gè)加工點(diǎn)。

操作人員只需通過(guò)該軟件控制端輸入加工工件的模型，以及加工點(diǎn)的位置。通過(guò)柵格法加入樹(shù)的形式對(duì)模型逐步分解，對(duì)加工點(diǎn)逐個(gè)確定，接下來(lái)從中分析出最佳路徑，最佳路徑以最短的時(shí)間內(nèi)完成單位工件的加工為準(zhǔn)。

該三軸臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人通用控制軟件界面如圖2所示，主要分為4個(gè)部分，左上角為參數(shù)設(shè)置面板，左下角為軸位置顯示面板，右上角為控制操作面板，右下角為軸測(cè)試面板，用以測(cè)試軸能否正常工作。參數(shù)設(shè)置面板與控制操作面板將會(huì)在下文中詳細(xì)介紹。

3軟件框架設(shè)計(jì)

該控制端軟件工作于Windows CE操作系統(tǒng)，在VisualStudio 2005下使用C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。進(jìn)入控制端軟件首先進(jìn)入的是窗體初始化函數(shù)。在窗體初始化函數(shù)中進(jìn)行各軸的配置并啟動(dòng)軸，以確保各軸在開(kāi)始工作之前就已回歸零點(diǎn)位置。在回歸零點(diǎn)位置之后，再將各軸關(guān)閉。這里需要注意的是，并不是在窗體初始化函數(shù)里面去等待軸回到零點(diǎn)再進(jìn)行關(guān)閉各軸操作，而是在窗體定時(shí)器中去檢測(cè)并關(guān)閉。否則，窗體將在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間之內(nèi)會(huì)處于丟失焦點(diǎn)的狀態(tài)，或窗體需等軸回到零點(diǎn)之后再出現(xiàn)。定時(shí)器是整個(gè)軟件的一個(gè)核心部分，相當(dāng)于軟件的心臟，它承擔(dān)著軸狀態(tài)檢測(cè)、加工工件計(jì)數(shù)、指令發(fā)送等功能。圖2為該軟件控制端的界面，在左上角有一個(gè)參數(shù)設(shè)置的面板，在這個(gè)面板中存在著兩個(gè)參數(shù)設(shè)置，分別是軸參數(shù)設(shè)置和工件參數(shù)設(shè)置。軸參數(shù)設(shè)置包含著三軸長(zhǎng)度設(shè)置與軸運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置，可將相關(guān)的軸配置信息保存為后綴為txt的文本格式或后綴為doc的Word文檔格式，以便下次直接讀取使用。軸參數(shù)設(shè)置的具體流程圖如圖3所示。

工件參數(shù)設(shè)置包括工件模型設(shè)置、工件上的加工點(diǎn)位置的設(shè)置及軸參數(shù)設(shè)置中的文件讀取與保存。其中，模型設(shè)置采用多視角視圖法，視圖個(gè)數(shù)根據(jù)所需加工的模型設(shè)定。對(duì)于精度要求不高的模型也可采用數(shù)組輸入的方法。兩種方式的模型輸入都支持拷貝，便于在已有模型上修改加工位置。而加工點(diǎn)的位置則直接在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)置即可。

圖2的控制界面中存在著3個(gè)按鍵，分別是執(zhí)行、暫停和停止。這3個(gè)按鍵分別執(zhí)行著不同功能，一般情況下，只使用暫停按鍵，停止按鍵執(zhí)行急停的任務(wù)，用作緊急處理，當(dāng)停止按鍵按下時(shí)，就意味著加工必須重新開(kāi)始。執(zhí)行和停止按鍵的流程圖如圖4所示。

4路徑規(guī)劃

4.1環(huán)境表示

在環(huán)境表示上采用柵格法，用柵格法表示加工工件模型及加工環(huán)境相對(duì)容易，但時(shí)間復(fù)雜性相對(duì)較高。

對(duì)于工業(yè)加工而言，加工工件一般都是成批量進(jìn)行加工的，只需在第一次加工該加工工件開(kāi)銷(xiāo)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，此后的每一次加工只需從存儲(chǔ)的文件中，調(diào)用之前已得到的最優(yōu)路徑進(jìn)行加工即可，而且，工業(yè)加工更需要一個(gè)相對(duì)較為容易得到的模型。

常用的柵格法如圖5所示。該方法是將整塊目標(biāo)區(qū)域劃分成N個(gè)等份的小格，但是這種方法對(duì)于工業(yè)加工來(lái)說(shuō)精度差，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間過(guò)大，而且時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)較大。改進(jìn)后的柵格法如圖6所示。該改進(jìn)后的柵格法是采用逐步細(xì)分法，先將整個(gè)區(qū)域細(xì)分成四塊，然后判斷加工點(diǎn)在哪塊區(qū)域，接著在細(xì)分，直到加工點(diǎn)及環(huán)境足以被表示出來(lái)為止。該方法在對(duì)無(wú)加工點(diǎn)和無(wú)加工工件的區(qū)域內(nèi)不進(jìn)行細(xì)分，大大節(jié)省了數(shù)據(jù)消耗，并且有針對(duì)性的對(duì)有加工點(diǎn)及加工工件的位置進(jìn)行細(xì)分，提高了加工精度。為了在工件加工時(shí)能夠更精確地表示加工位置，該控制軟件在環(huán)境表示上所采用的是改進(jìn)后的柵格法。

在環(huán)境表示的代碼實(shí)現(xiàn)上采用鏈表的形式。環(huán)境單位結(jié)點(diǎn)的構(gòu)建采用結(jié)構(gòu)體的形式，其主要包括子結(jié)點(diǎn)地址、父結(jié)點(diǎn)地址和權(quán)值等。不同的權(quán)值代表著不同的含義，可表示存在加工點(diǎn)區(qū)域、靠近加工點(diǎn)區(qū)域、加工工件非加工點(diǎn)部分及其他區(qū)域，它是實(shí)行路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)的引領(lǐng)者，在下節(jié)路徑規(guī)劃當(dāng)中將詳細(xì)介紹。環(huán)境單位結(jié)點(diǎn)的代碼如下：

一旦區(qū)域劃分完畢，將需要一值予以表示其加工點(diǎn)的位置。采用結(jié)構(gòu)體的形式予以表示，包括X，Y，Z三個(gè)坐標(biāo)，表示其相對(duì)于所在結(jié)點(diǎn)空間的坐標(biāo)。該結(jié)構(gòu)體屬于環(huán)境單位結(jié)點(diǎn)的一部分，具體代碼如下：

Struct News

{int x;int y;int z;};

每一個(gè)環(huán)境單位結(jié)點(diǎn)都擁有自己的一個(gè)ID號(hào)，即該環(huán)境單位的大小及位置，具體代碼如下：

Struct Size

{int y;int z;int x;int Size;};

x，y，z分別是區(qū)域空間內(nèi)該坐標(biāo)軸上的最小值，Size表示該立方體區(qū)域的邊長(zhǎng)。

4.2權(quán)值尋找

在路徑規(guī)劃上，采用權(quán)值尋找法。對(duì)每一個(gè)環(huán)境節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行一個(gè)權(quán)值的賦予，給予結(jié)點(diǎn)不同的優(yōu)先級(jí)，權(quán)值越低，優(yōu)先級(jí)越高，用于在路徑尋找中找到最優(yōu)路徑。

例如，現(xiàn)有4個(gè)子節(jié)點(diǎn)A，B，C，D，給予A結(jié)點(diǎn)的權(quán)值為100，B結(jié)點(diǎn)的權(quán)值為80，C結(jié)點(diǎn)的權(quán)值為50，D結(jié)點(diǎn)的權(quán)值為10.現(xiàn)在在路徑規(guī)劃尋找最優(yōu)路徑時(shí)，直接先尋找到D結(jié)點(diǎn)，然后繼續(xù)尋找下去，若出現(xiàn)多個(gè)優(yōu)先級(jí)相同的結(jié)點(diǎn)時(shí)，則分而尋之，到尋找完畢之后，再進(jìn)行最優(yōu)路徑選取，可采用權(quán)值之和最小者優(yōu)先的方法等[6].權(quán)值賦予的優(yōu)先級(jí)按由高到低的順序排列為：存在加工點(diǎn)，靠近加工點(diǎn)，加工工件非加工點(diǎn)部分，其他區(qū)域。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用上述路徑規(guī)劃選定的實(shí)際加工路徑與理想加工路徑依然存在著一定的差距。圖7為理想加工路徑，圖8為實(shí)際加工路徑。

5總結(jié)

本文通用控制軟件是在三軸臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，以SmartPAC運(yùn)動(dòng)控制器為核心，通過(guò)改進(jìn)后的柵格法進(jìn)行模型建立，利用權(quán)值尋找法進(jìn)行樹(shù)的遍歷尋找出一條最優(yōu)路徑作為加工路徑。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該軟件基本達(dá)到軸式機(jī)器人定位要求，能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的路徑規(guī)劃，具備一定的通用性。針對(duì)大批量工業(yè)加工而言，軟件在加工工件的首次模型實(shí)現(xiàn)與路徑規(guī)劃上時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)較大，相比人為設(shè)定加工路徑要簡(jiǎn)單、高效、便捷。