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自动化单元控制器的研制

1 前言

随着工业生产规模的不断扩大，企业对自动化程度的要求也越发迫切，国家 九五 计划把应用先进科学技术改造国有大中型企业作为重点，国家 863 计划机器人主题，也开始注重产业化，把现有的机器人技术推广应用到企业，形成大规模自动化生产，为国民经济服务。我国已成功地将弧焊、点焊机器人推广到自动化程度较高的汽车行业中，形成了有自己特色的产品。电子行业对自动化程度要求更高，对机器人需求更为迫切，然而在电子装配生产线上却很少能见到我国自己研制的高技术设备。我们研制的课题是以电子行业知名企业 南京熊猫电子集团公司的录像机整机机器人化柔性装配生产线为背景，研究目标是开发设计出应用在这条生产线中所需的水平式拧螺钉机、用于水平式拧螺钉机的机器人本体、用于磁带插入/取出机的机器人本体控制的自动化单元控制器。

2 自动化单元控制器的特点

电子装配生产线自动化程度很高，而且柔性很大，能满足多品种小批量的生产。电子装配不需要大的负重，但工序复杂、线体集中拥挤，因此它要求自动化单元控制器具有以下特点：①控制采掘机器体积要小：只相当于弧焊控制器体积的1/5，比我们用的PC机机箱稍大一些。在这个控制器中包括常规控制器的所有单元，并增加一个内置式螺钉机控制器。②控制器的主从特性：以往我们设计的机器人控制器它与周边的关系都是基于以控制器为中心，而自动化单元控制器的循环泵每个动作指令都要与周边通讯，受线体控制，线体可以选择控制机器人程序的执行与停止。同时还可以利用它的丰富的I/O能力，线体控制单独运行，控制周边设备。这就是它的主从两种功能。③自动化单元控制器没有采用我们常用的VAL机器人用户语言，而是采用了表格式语言，这种表格式语言与工厂常用的数控语言相近，更加容易为操作者接受。

以上我们总结的三个特点是我们设计的自动化单元控制器与以往机器人控制器的主要区别。也正是我们设计的难点：①由于控制器的体积小，带来了内部单元布局拥挤、布线复杂、通风降温困难、电磁干扰等一系列问题。厨房层架②由于机器人受控于线体，又要控制周边单元，这样就使控制逻辑变得很复杂。③表格式语言不象VAL语言格式一致，它既有通过G代码表达意义的NC程序，又有通过助记符表达意义的SEQ程序、分支程序，还有描述控制对象特性、设定控制参数的初始化程序，同时码垛程序又是通过数据组来决定机器人的运动，因此它的语言编译解释系统非常复杂。

3 自动化单元控制器的功能

我们设计的自动化单元控制器最多可以控制四自如：LA与GA质量比、份子量、材料的形状和结构等由度机器人，它可以满足电子装配线上机器人控制的要求，同以往机器人控制相比，它取消了终端键盘。通过编程示教盒用户程序、控制机器人运动、示教机器人运动点、控制螺钉头运动、可单步执行用户程序、监视I/O输入量、控制I/O输出量。通过前面板可控制执行指定的用户程序，它提示机器人运动状态和系统异常时保护系统状况。控制器有丰富的I/O资源，它分为系统I/O和用户I/O，通过系统I/得出实验结果O可完成前面板所有控制功能，输出机器人运动状态信号，用户通过外部信号控制机器人的每一步运动并能中断每一步的运动规划，控制器可内装螺钉机控制器，也可以外接螺钉机控制器。控制器通过RS232串口与外部计算机通讯，完成用户程序上传与下装，存储用户应用程序，同时还可以通过这个串口与NC程序相配合，输入机器人运动目标点坐标，引导机器人运动。它也是传感器信息输入口。机器人控制采用NC表格语言，它保活NC程序、SEQ序列程序、码垛程序、分支程序、初始化程序。表格式语言简单明了，通用性强。它以NC程序为主程序，其他程序都是G命令调度的子程序。

4 控制器的实现

4.1 控制器硬件总体结构

控制器硬件总体结构主要由以下各部分组成(见下图)：

控制器软件总体结构图

(1)主计算机系统：主计算机系统包括主CPU板、多功能板、I/O板和位置伺服板。它是控制器的核心，该系统基于MULTIBUS总线，采用多CPU并行结构，分上下两级计算机系统完成对机器人本体的控制，这种系统结构在设计机器人控制器方面比较流行，它可以克服机器人控制器软件系统算法及结构过于复杂的毛病。上级计算机系统主要完成轨迹规划、运动学计算、用户程序解释、与周边设备通讯、监控系统运行状态、控制周边设备等其出色的强度、韧性和加工性能功能。下位机完成对机器人本体的位置闭环控制。上级计算机系统与下级计算机通过总线进行通讯。多功能板是基于CPU板ISBX局部总线开发的，它主要完成对前面板、螺钉头及Z轴抱闸的控制。设计这个板可以把控制器本身的控制操作量管理起来，这样用户就可以根据需要选择I/O板。I/O板用于系统I/O及用户I/O。

(2)前面板主要包括两个部分：前面板操作板及前面板控制板。前面板操作板装有控制按钮(键)、状态显示部分、LED灯状态部分。前面板控制板主要完成操作逻辑控制、显示驱动木工锯、信号隔离、系统保护等功能。

(3)电动旋具驱动控制器：用来完成螺钉机头及料斗控制。螺钉机包括：供螺钉料斗，螺钉机机头。料斗上料电机带动上料轮转动，向螺钉槽里上螺钉。在螺钉槽上方有光电检测装置，在检测螺钉光电信号为ON时，上料电机开动，正常情况下，当螺钉装满后，检测螺钉光电信号为OFF，上料电机停转。若料斗内无螺钉或因为其他原因造成螺钉槽在一定时间内没有装满，则上料电机停转并报警。螺钉机头部分包括：螺钉头上位开关，装有螺钉机的控制器在机器人本体运动前，必须检查螺钉机头是否在上位，即上位开关是否为ON，如果不在上位，机器人本体不能运动。螺钉头上下运动靠气缸的推动，气缸电磁阀为ON时，螺钉头向下运动，为OFF时螺钉头向上运动。螺钉头运动下方有限位开关，调整挡块可以控制螺钉头的行程，螺钉头到限位开关时，停止运动，输出螺钉拧到位信号。螺钉旋具电机得到启动信号开始转动，正常情况下拧螺钉的力矩达到设定值，并且限位开关为ON时停止转动，输出拧螺钉结束信号，在设定拧螺钉时间到时，设定力矩仍未满足，或力矩到设定值限位开关为OFF时，电机停转并输出拧螺钉结束信号和不良信号。螺钉机控制器以8031为CPU控制螺钉机的动作和时序，拧螺钉力矩的设定及对螺钉机动作时序的控制由主CPU板通过多功能板上的8255与螺钉机控制器8031通讯决定，力矩100段可设。

(4)功率驱动单元：用来完成各关节电机驱动。电机及驱动器选用日本松下公司的MSD系列200W全数字式交流伺服电机及驱动器。它具有体积小、全数字化特点，可以满足控制器体积小的要求。

(5)编程示教盒：是主要的人机接口，用于编程、监控、示教点，轨迹、运行控制，速度设定，螺钉机操作，TEST运行等，是直接影响控制器性能的一个关键部件。编程示教盒是我们自行开发设计的，体上所有机器人的编程示教盒通用，这样就使编程示教盒作为机器人控制器的附件，不必每台机器人都配一个编程示教盒，只有需要做上述工作时才插上编程示教盒，平时程序的执行完全由前面板开关或系统I/O来实现。

(6)离线编程计算机：在便携PC机上基于WINDOW系统开发的用户界面。用于用户程序的，上传下装，存储用户程序，线体上所有控制器通用。

4.2 控制器计算机软件系统结构

控在汽车内饰生产中制器在计算机结构上分为上位计算机和下位计算机。

上位计算机系统主要具有轨迹规划、运动学计算、用户程序解释、与外部计算机及周边设备通讯、监控系统运行状态、控制周边设备等功能。上位计算机软件系统是将IRMXIII实时多任务操作系统的核心部分与用C语言编写的应用程序结合形成的一个用于机器人控制的专用操作系统。用户可以通过此系统完成上述控制器所有功能。

IRMXIII是一个实时多任务操作系统。它根据系统的功能由程序开发者根据需要自行裁剪，与应用程序结合构成一个多任务运行机器人实时控制系统。系统由一个实时多任务操作系统进行管理。控制器软件系统包括：启动、初始化、时钟中断、监控、程序执行、内存管理、编程示教盒控制等模块，我们将每一个模块定义为一个任务，每个任务根据其重要程度赋以一定的优先级由外部事件和任务的优先级对任务进行调度，每一时刻只有一个任务占用CPU，而在控制器每一个规划周期内可以有多个任务同时运行。各任务在运行、就绪、挂起和睡眠之间转换，机器人控制系统的运行就是各任务在这四个状态的转换过程。该系统是一开放的、模块化结构的软件系统，易于进一步扩展和补充。该系统给用户提供了一种表格式数控语言，它与工厂常用的数控设备编程语言一致，简单直观易学。由于该系统的实时特性，它可以进行高速的运动学运算，及时地输出系统状态信号、输入外部的控制信号，提供及时排错手段及系统保护措施。

下位计算机的功能是根据上位机传来的各种运动控制指令伺服各关节电机的运动。它具有检测伺服系统故障能力，并向上位机传送伺服系统的状态信息。下位计算机系统由两块以8031为CPU的位置伺服板控制四个关节电机的运动，上位机与下位机均插在MULTIBUS总线上它们通过板上的双端口RAM进行通讯。

4.3 离线编程系统

离线编程软件是基于WINDOWS系统开发的一种环境，在这个环境中可以完成上装、下装、文件管理、编程、编译及打印等功能，编程主机与控制器之间的联系通过串口实现。

上装：编程主机可以通过串口读出控制器中的程序，它既可以读出控制器中的全部程序，也可以读出指定的某些程序。

下装：编程主机可以将在主机上、编译后的程序通过串口下装到控制器中去，完成控制器的编程功能。

文件管理：编程主机以文件的形式管理程序，既可以从磁盘中调出已、编译好的程序，又可以将上装来的程序或、编译好的程序存储于磁盘。

编程：可以在编程主机上适用于控制器的各种程序，包括NC程序、SEQ程序、码垛程序、分支程序、初始化程序。

编译：编译过程是将好的程序解释成控制器可以接收的相应代码。

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