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工业机器人控制系统探究

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摘要:

六轴工业机器人系统要求具有高实时性和高精度,本文研究了一种基于RTX的工业机器人系统。本文对工业机器人的结构做了准确介绍,重点分析了基于RTX的控制系统构架,并探究了其软硬件结构,在利用Windows界面功能和RTX实时处理能力,实现了开放、可扩展的六轴工业机器人系统。实践表明,这种工业机器人的点位和轨迹精度均满足生产需要,值得推广。

关键词:

工业机器人;控制系统;实时性;探究

随着机器人技术的发展,在现代工业生产中,机器人发挥着越来越重要的作用,改变了传统的生产和生活方式。引起了世界各国的广泛关注。工业机器人由机器人控制系统和机器人本体两部分组成,一般工业计算机使用Windows操作系统,但是却无法满足工业机器人实时性控制要求。国内的运动控制器主要采用三种方案。本文研究了一种基于RTX(RealTimeExtend)的工业机器人控制系统,在实时性、精度方面均有优势,可满足应用需要。

一、工业机器人本体介绍

我国自主研发的六轴工业机器人本体的驱动装置,采用的是交流伺服电机和减速器两种构件。六轴工业机器人的本体,主要包括回转机体、腕部、大臂和小臂等几部分。其中,全部关节都是转动关节。机器人的前三个关节,能够将末端工具送至任何空间位置,后三个关节能够满足不同工具姿态的要求。从结构上面来看,第1关节为数值方向旋转,属于六轴工业机器人腰部关节,底部底座位置安装着电机;第2关节相当于人体的肩关节,其轴线为水平方向,并且大臂缠绕此轴线之上;第3关节就是机器人的小臂和手腕,而第4关节为带动手腕旋转,第5关节做俯仰旋转运用,第6关节做旋转运用。Windows系统属于多任务操作系统,可同时并行多项任务,系统核心层的任务调度器可调度用户线程。同时,Windows系统实现了一个由优先驱动的抢占式调度系统,通过配额的调整,根据时间进行调度。根据调度机制,在运行过程中,用户的程序如果超过了实时性的要求,即超过15ms,则可能需要等待更长时间才能得以处理。Windows系统中的硬件采用的是两片级联的8259芯片,但是由于PCI分配中断资源属于常规中断,且由于BIOS运行属于实时模式,因此只有在保护模式下其才能够正常使用。这也就是说,目前系统中的中断实现还存在局限性,需要加以进一步开发和研究,完善系统中断实现,以更好适应机器人控制系统发展,满足其要求。基于此,本文探究了一种基于RTX系统的六轴工业机器人控制系统。

二、基于RTX工业机器人控制系统结构介绍

(一)RTX系统事实上,RTX是Windows系统内核体系的拓展和眼神,为系统提供实时解决方案,有效拓展了抽象层HAL,建立了一种独立内核驱动模式。RTX系统可将既有系统的线程间切换时间消耗,也只有短短的数微妙。系统结构图如图1所示。经过拓展的实时HAL,其RTX使用的是中断管理模式,而与Windows线程相比,RTX可实现实时线程严格调度管理,并且RTX线程也比其他系统的调度权要优越。同时,通过扩展的HAL,RTX还拥有自身的中断管理机制,可直接访问I/O硬件端口。因此,RTX的上述机制,可该系统始终保持优先权,而不被系统线程堵塞。RTX线程与Windows线程间,可实现共享内存数据,并由实时信号负责两部分的同步通信。RTX定时器精度,由运行环境来决定和设置,可达到0.2ms精度。

(二)系统硬件结构分析六轴工业机器人系统结构包括三部分,即机器人手臂、电气控制箱和工业计算机。如图2所示。机器人手臂主要负责机器人操作,其可直接带动末端,控制和实现计算机的各种动作和操作。机器人手臂为全关节式,通过旋转运动可实现任何动作和姿态。而电气控制箱则是内里安装有伺服电动驱动器的部分,用于驱动机器人手臂关节,实现手臂关节的启停与运动。同时,这部分还包括各种保护电路、辅助电路和I/O电路等。在基于RTX机器人控制器与人机操作界面中,工业计算机可进行正常运行,控制和处理机器人的信息,控制机器人手臂运动。基于RTX六轴机器人硬件系统,主要包括PCI板卡、工控机、编码器卡、伺服电机,以及D/A转化卡、伺服电机驱动器等。

(三)系统软件结构分析六轴工业机器人系统软件结构包括人机操作界面、目标轨迹声场和下位机等部分,分为上位机和下位机两个模块。其中,下位机是系统的控制器,上位机是人机操作平台。由于上位机是机器人系统的操作平台,其主要功能包括显示机器人运行、显示机器人各关节编码器反馈信息、显示机器人状态监控信号,以及与RTX机器人控制器通讯。而下位机由于为机器人操作系统控制器,其主要功能包括:一是通过编码器卡来实时接收电机位置反馈数据,二是通过共享内存来接收上位机发出的实时目标指令;三是经过控制算法模块来反馈数据与目标指令,从而给出指令,在经由D/A转换,输出模拟信号控制伺服电机驱动器,最终形成闭环控制系统。

三、六轴工业机器人控制系统实践

基于RTX系统的六轴工业机器人系统,通过软件结构与硬件结构,探究出了一种基于RTX的六轴工业机器人系统。这种工业机器人本体的重量为20kg,其额定负载1kg,其一轴和二轴采用的电机均为400W,而三轴采用的是200W伺服电机,第四轴、第五轴和第六轴选用50W伺服电机。基于RTX机器人控制器的控制周期为1ms,其运动规划控制主要由S型曲线实现。机器人运动轨迹精度测量,则使用FARO激光跟踪仪,是将激光跟踪仪固定于机器人末端,其发射与接收器实时快速跟随靶球移动,用以测量基于RTX系统工业机器人运动轨迹的精度。机器人点运动和轨迹运动精度见表1。

四、结论

本文探究了一种基于RTX六轴工业机器人系统架构,同时利用了Windows资源与RTX的实时处理能力,探究出了一种开放型的、可扩展的工业机器人系统,从而为六轴工业机器人控制算法与功能扩展提供了基础。同时,基于RTX系统结构的研制成功,也表明我国具有了自主研发的机器人,其测试和实践结果表明,基于RTX体系结构的六轴工业机器人的运动控制效果良好。机器人控制系统给定的输入信号为正弦信号,根据仿真所得的结果,表明系统显示出了良好的动态特性。而通过建立机电仿真模型,在分析进给驱动系统整体动态特性的同时,还能够分析机械传动机构动力学特征,以及设计伺服控制算法、优化调整控制参数等,为提升工业自动化整体性能发挥更大的作用。

五、结语

随着工业的发展,特别是机器人制造技术的发展,更加智能的机器人控制系统已经被制作出来。传统基于Windows系统的工业机器人,虽然也适应工业发展需求,但是其精度和实时性控制方面,却不适应未来发展趋势。文章根据工业发展需要,探究了一种基于RTX系统的六轴工业机器人,介绍了其控制系统中的硬件和软件部分,并探讨了其实际运行的效果,结果表明适应生产需要,值得推广。

参考文献

[1]苏炳恩.基于EtherCAT总线的六轴工业机器人控制系统研究与开发[D].华南理工大学,2013.

[2]毕鲁雁,刘立生.基于RTX的六轴工业机器人系统设计[J].机床与液压,2013(15):134-136+163.

[3]廖新辉.手机自动化生产线六轴机器人单元工作原理及常见故障分析[J].机电工程技术,2015(06):52-55.

作者:汤嘉荣 单位:广州数控设备有限公司 广州市广数职业培训学院

工业机器人控制系统探究责任编辑:杨雪    阅读:人次