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(hào)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(shí)間長(zhǎng)；(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(shí)間短；(4)精度高，保證零件生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定；(5)運(yùn)動(dòng)范圍廣，為提高工作效率，一般一臺(tái)機(jī)器人同時(shí)為多臺(tái)澆鑄機(jī)澆鑄，要求機(jī)器人具有較大的運(yùn)動(dòng)范圍；(6)信號(hào)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(chǎng)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(wèn)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(dòng)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(gè)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(lái)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(hào)處理。多功能板支持操作面板、數(shù)字I/O信號(hào)接口、模擬輸出信號(hào)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(dòng)系統(tǒng)由最多可達(dá)8個(gè)的獨(dú)立的伺服單元組成，每個(gè)伺服單元由一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)脈沖指令接口的伺服驅(qū)動(dòng)器及一個(gè)伺服電機(jī)組成，并對(duì)應(yīng)機(jī)器人一個(gè)關(guān)節(jié)軸。一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人最多有6個(gè)關(guān)節(jié)軸，即使在某些應(yīng)用場(chǎng)合下，還需要1或2個(gè)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(dòng)程序、硬件接口等。為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，需要在DOS系統(tǒng)或者Linux系統(tǒng)平臺(tái)上開發(fā)出相應(yīng)的實(shí)時(shí)模塊RTM(Real Time Module)。
    控制核心層是整個(gè)軟件系統(tǒng)和整個(gè)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(chǔ)的方式來(lái)進(jìn)行信息交換，按照事先約定劃分功能區(qū)，并定義訪問(wèn)規(guī)則[3]?？刂坪诵膶油ㄟ^(guò)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(shí)任務(wù)、運(yùn)動(dòng)控制、插補(bǔ)運(yùn)算和報(bào)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。

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2 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)
    從本文構(gòu)建的軟件體系結(jié)構(gòu)來(lái)看，控制核心層的一部分內(nèi)容就是運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，本文設(shè)計(jì)的澆鑄控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于東風(fēng)集團(tuán)某廠的鋁制活塞的澆鑄生產(chǎn)，下面以其所使用的意大利法塔鋁UNO三軸澆鑄機(jī)器人為例建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和關(guān)節(jié)坐標(biāo)系如圖5所示。

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解
    機(jī)器人三個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)軸(實(shí)軸)分別為關(guān)節(jié)1（控制機(jī)器人左右運(yùn)動(dòng)）、關(guān)節(jié)2（控制機(jī)器人上下運(yùn)動(dòng)）和關(guān)節(jié)4（控制機(jī)器人末端容器翻轉(zhuǎn)）。關(guān)節(jié)3并沒(méi)有驅(qū)動(dòng)單元，連桿與鉛直線的夾角?酌是一個(gè)確定的值。關(guān)節(jié)3的作用在于當(dāng)機(jī)器人關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2運(yùn)動(dòng)時(shí)，保證末端容器姿態(tài)不變，防止容器中高溫金屬液體潑濺造成不必要的損失。按照D-H方法建立運(yùn)動(dòng)方程[4,5]，運(yùn)動(dòng)學(xué)正解得到末端容器在機(jī)器人基坐標(biāo)系中位姿矩陣
3 系統(tǒng)信號(hào)控制的實(shí)現(xiàn)
    控制核心層的另外一個(gè)重要方面就是PLC。本文設(shè)計(jì)的澆鑄控制系統(tǒng)采用開關(guān)量交換信號(hào)，簡(jiǎn)單易行，并能滿足工業(yè)機(jī)器人信號(hào)控制的應(yīng)用需求。在前面提到的應(yīng)用實(shí)例中，機(jī)器人系統(tǒng)與兩臺(tái)澆鑄機(jī)、兩臺(tái)鋁液熔爐和廢料箱構(gòu)成的澆鑄系統(tǒng)進(jìn)行頻繁的信號(hào)交互。
3.1 澆鑄系統(tǒng)功能需求
    工作過(guò)程中，澆鑄機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖如圖6所示。

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    實(shí)線表示澆鑄系統(tǒng)使用熔爐1中的鋁液澆鑄活塞的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，虛線表示澆鑄系統(tǒng)使用熔爐2中的鋁液澆鑄活塞的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。以使用熔爐1為例，整個(gè)澆鑄動(dòng)作過(guò)程為：

    （1）程序開始。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到并停在熔爐正上方，判斷是否有“允許舀信號(hào)”；
    （2）如果有，判斷來(lái)自澆鑄機(jī)1（FM1）還是澆鑄機(jī)2（FM2），根據(jù)FM1和FM2安裝模具的型號(hào)，機(jī)器人末端容器進(jìn)入鋁液熔爐，直到固定在連桿上的金屬測(cè)頭測(cè)到“測(cè)頭接觸鋁液液面”信號(hào)，末端容器停止下降，然后舀取對(duì)應(yīng)量的鋁液；如果沒(méi)有則繼續(xù)等待；
    （3）舀取完成后機(jī)器人停在熔爐正上方，判斷是否有來(lái)自上一步中給出信號(hào)的同一澆鑄機(jī)的“允許澆鑄信號(hào)”；如果沒(méi)有則繼續(xù)等待；
    （4）如果等待超過(guò)一定時(shí)間（由工藝參數(shù)和工作環(huán)境、鋁液的量等因素決定），則機(jī)器人將鋁液倒回熔爐，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到廢料箱吹風(fēng)處，吹掉附著在容器內(nèi)外的氧化皮，回到熔爐上方，報(bào)警“等待超時(shí)”！
    （5）如果在允許的時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的澆鑄機(jī)給出“允許澆鑄信號(hào)”，則機(jī)器人對(duì)澆鑄機(jī)澆鑄（動(dòng)作b或d），澆鑄完成后機(jī)器人向澆鑄機(jī)給出澆鑄完成信號(hào)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到廢料箱吹風(fēng)處（動(dòng)作c或e），吹掉氧化皮，回到熔爐上方（動(dòng)作a），開始下次循環(huán)。返回步驟（1）。
    整個(gè)工作周期中，熔爐的使用可根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)切換，具體操作可以通過(guò)操作面板上的自定義按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)不同的活塞模具，只需要通過(guò)改變舀取鋁液是機(jī)器人末端容器的傾斜角度控制鋁液的量，方法簡(jiǎn)單實(shí)用。
3.2 系統(tǒng)信號(hào)控制的實(shí)現(xiàn)
    工業(yè)機(jī)器人澆鑄控制系統(tǒng)與整個(gè)澆鑄系統(tǒng)通過(guò)PLC控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的交互[6]。主要控制信號(hào)如表1所示。

    系統(tǒng)在PLC控制程序中通過(guò)信號(hào)交互，與外部澆鑄系統(tǒng)和輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)、單段和增量等運(yùn)行方式。報(bào)警、急停、故障和測(cè)頭等系統(tǒng)輸入信號(hào)的控制，可以由PLC控制程序的指令直接實(shí)現(xiàn)。以“金屬測(cè)頭接觸鋁液液面信號(hào)”為例，代碼如下：
    …
    if (bit(X[0],5))//測(cè)頭接觸到液面
        {
        …//末端容器停止
        }
    else
        {
        …//否則，末端容器繼續(xù)下降
        }
    …
    系統(tǒng)輸出信號(hào)的控制和其他輔助功能，需要在機(jī)器人PLC控制程序中定義不同的M指令，并由機(jī)器人工作程序調(diào)用對(duì)應(yīng)的M指令。本系統(tǒng)中定義的M指令及其功能如表2所示。

    M指令的定義在PLC控制程序的exec_M( )子程序中。其中，M50指令執(zhí)行過(guò)程中，PLC控制程序定時(shí)掃描輸入信號(hào)X1.0和X2.0，一旦澆鑄機(jī)給出“允許澆鑄信號(hào)”，通過(guò)改變PLC控制程序中的用戶自定義控制字*ch_user_in(0)的值，判斷澆鑄對(duì)象。指令mod_M_code(0)=-1通知系統(tǒng)該M指令處理完畢，機(jī)器人工作程序接著執(zhí)行下一條指令。
    系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果吻合3.1節(jié)中的整個(gè)澆鑄動(dòng)作過(guò)程。
4 應(yīng)用實(shí)例
    本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人澆鑄控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于東風(fēng)集團(tuán)某廠的鋁制活塞澆鑄生產(chǎn)。系統(tǒng)整體調(diào)試完成后，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定。人工澆鑄鋁制活塞，每人每班次（8 h）實(shí)際生產(chǎn)合格活塞數(shù)目為600個(gè)，使用本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行澆鑄，因?yàn)榱己玫墓に嚪€(wěn)定性和雙澆鑄容器設(shè)計(jì)，每人每班次實(shí)際生產(chǎn)合格活塞數(shù)目可達(dá)1 000個(gè)以上，極大地提高了工作效率，提高鋁液使用率，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了良好的效果。從投入實(shí)際生產(chǎn)使用開始至發(fā)稿之日，系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行10個(gè)月，完全滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)需求。
    按照軟硬件通用性和開放性的原則，以系統(tǒng)控制單元為核心搭建了澆鑄機(jī)器人系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，以控制核心層為關(guān)鍵建立了系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。針對(duì)澆鑄機(jī)器人的特點(diǎn)和應(yīng)用實(shí)例，給出了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，并以共享內(nèi)存的方式進(jìn)行信號(hào)交互控制。投入使用后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合實(shí)際需求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，在機(jī)器人澆鑄生產(chǎn)中具有較高的實(shí)用價(jià)值。