基于软PLC和EtherCAT总线的DELTA2机器人控制系统设计与实现.pdf

年月 第卷 第期 机 床 与 液 压 收 稿 日 期 基 金 项 目宁 波 市 科 技 计 划 项 目 作 者 简 介陈 健男硕 士研 究 方 向 为 机 电 系 统 智 能 控 制 及 应 用 开 发 基于软 和 总线的 机器人控制系统设计与实现 陈 健 杨 亚 威 郑 天 江 宋 孙 浩 浙 江 省 特 种 设 备 检 验 研 究 院浙 江 杭 州 中 国 科 学 院 宁 波 材 料 技 术 与 工 程 研 究 所浙 江 宁 波 摘 要由 于 传 统 需 要 依 赖 于 特 定 的 软 硬 件其 硬 件软 件 系 统 封 闭系 统 开 放 性 和 扩 展 性 不 足并 且 现 场 数 据 传 输 实 时 性 不 高针 对 这 些 问 题提 出 了 一 种 利 用 实 时 以 太 网 协 议 通 讯基 于 的 软 运 动 控 制 方 案该 方 案 通 讯 总 线 采 用 分 布 式 时 钟 技 术使 用 标 准 以 太 网 协 议无 需 专 用 网 卡便 能 够 实 现 多 轴 精 确 同 步 控 制适 合 高 速 机 器 人 的 高 精 度 伺 服 控 制通 过 在 高 速 并 联 机 器 人 上 的 测 试 分 析结 果 表 明该 控 制 方 案 使 机 器 人 的 运 动 控 制 性 能 得 到 了 很 大 的 提 升 关 键 词软 电 子 凸 轮 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 前 言 目 前 国 内 外 大 部 分 运 动 控 制 器 均 采 用 基 于 和 的 多 轴 运 动 控 制 卡 方 式其 一 般 带 有 接 口集 成 于 的 插 槽但 其 系 统 布 线 复 杂可 靠 性 差可 以 控 制 的 轴 数 有 限且 技 术 封 闭拓 展 性 差价 格 昂 贵不 易 和 工 厂 其 他 设 备 集 成 在 一 个 控 制 系 统 中 软 是 集 控 制人 机 界 面数 据 处 理通 讯 功 能 等 集 成 于 一 台 的 解 决 方 案随 着 机 性 能 的 不 断 提 升数 值 计 算程 序 运 行 和 逻 辑 处 理 能 力 大 幅 度 提 高目 前 各 大 厂 商 都 不 断 致 力 于 把 传 统 的 硬 移 植 到 平 台 上通 过 不 断 的 实 践 这 种 软 技 术 已 经 日 趋 成 熟例 如 西 门 子 公 司 的 亚 控 的 公 司 的 然 而 这 些 公 司 的 软 控 制 方 案应 用 范 围 还 不 太 广 泛应 用 案 例 不 多实 时 性 和 稳 定 性 得 不 到 保 证德 国 的 倍 福 公 司 在 基 于 实 时 以 太 网 的 基 础 上开 发 了 一 系 列 的 软 集 成 方 案其 应 用 结 构 简 单实 时 性 高 开 发 调 试 方 便因 此本 文 作 者 选 用 了 倍 福 的 的 控 制 平 台 进 行 了 相 关 研 究该 平 台 将 修 改 了 的 内 核 结 构结 合 倍 福 公 司 的 技 术能 够 实 现 多 达轴 的 实 时 运 动 控 制 技 术 是 德 国 倍 福 公 司 提 出 的 一 种 新 型 实 时 工 业 以 太 网 总 线其 网 络 拓 扑 结 构 简 单 灵 活具 有 分 布 时 钟 的 精 确 校 准 的 传 输 速 率是 目 前 最 安 全可 靠高 效 的 总 线 之 一特 别 适 合 那 些 快 速 而 高 性 能 的 机 械 控 制 系 统 技 术 的 使 用 保 证 了 软 的 控 制 指 令 有 效 快 速 地 传 递 到 下 位 机 执 行同 时 下 位 机 接 收 的 反 馈 信 息 也 可 以 及 时 地 传 送 到 上 位 机 进 行 处 理 基 于 的 软 控 制 体 系 结 构 软 将 传 统 的 控 制 功 能 封 装 在 软 件 内 移 植 到 了 机 上如 图所 示根 据 传 统 的 体 系 结 构软 可 以 分 为 开 发 系 统 和 运 行 系 统 两 部 分 开 发 系 统 和 运 行 系 统 是 客 户服 务 模 式上 下 间 通 过 模 式 通 讯运 行 环 境 作 为 服 务 器 提 供 了 标 准 通 信 接 口开 发 环 境 作 为 客 户 端 应 用可 以 访 存 问 这 些 接 口 后 进 行 操 作 图软 体 系 结 构 开 发 系 统 就 是 带 有 调 试 和 编 译 功 能 的 编 程 器现 在 实 际 是 按 照 标 准 设 计 的 如 图所 示 软 件 模 型 是 一 种 分 层 结 构描 述 了 很 多 概 念 包 括 配 置 资 源 任 务 程 序 功 能 块 以 及 功 能 等 和 它 们 之 间 的 关 系将 一 个 复 杂 的 项 目 分 成 若 干 独 立 的 单 元 每 个 单 元 下 又 有 单 元 图基 于 标 准 软 件 模 型 运 行 系 统 是 软 的 核 心 部 分是 连 接 开 发 系 统 和 具 体 硬 件 的 枢 纽它 通 常 包 括 虚 拟 机 驱 动 程 序 服 务 程 序 等 模 块 虚 拟 机 解 释 执 行 由 开 发 系 统 生 成 的 目 标 代 码调 取 命 令 区 的 控 制 指 令代 码 区 执 行 目 标 代 码 通 过 驱 动 模 块 进 行 数 据 的 输 入 输 出 处 理通 过 状 态 描 述 区 可 查 看 虚 拟 机 运 行 状 态 口 采 用 标 准 的 接 口 包 括 了 一 套 接 口 属 性 和 方 法 的 标 准 集过 程 中 无 论 是 什 么 软 件 或 设 备 都 可 以 为 控 制 设 备 间 通 信 提 供 公 共 接 口例 如 通 过 接 口 与 相 连 实 现 监 控 功 能 软 将 本 来 有 或 者 完 成 的 功 能 全 部 集 成 到 了 计 算 机 中 处 理因 此 对 于 信 号 传 输 的 实 时 性 要 求 较 高所 以 必 须 运 行 在 实 时 系 统 上 机 械 机 构 与 运 动 学 分 析 机 器 人 结 构 介 绍 机 器 人 如 图所 示由 基 座动 平 台 以 及 两 组 分 支 运 动 链 构 成各 关 节 间 采 用 铰 接 连 接 两 组 从 动 臂 由 与 肘 关 节 相 连 的 平 行 四 边 形 机 构 构 成 中 间 装 有 交 叉 加 强 筋 用 来 消 除 铰 链 间 隙其 中 连 架 从 动 臂 和 右 臂 上 增 设 了 一 根 平 行 外 从 臂 增 强 了 运 动 平 面 的 静动 刚 度工 作 时伺 服 电 机 转 动 经 由 减 速 器 减 速 后 带 动 主 动 臂 旋 转根 据 平 行 四 边 形 姿 态 保 持 性 原 理两 从 臂 带 动 末 端 平 台 平 动在 末 端 平 台 上 可 以 根 据 需 要 安 装 不 同 的 末 端 执 行 器 来 完 成 相 应 的 工 作 图 机 器 人 机 构 示 意 图 机 器 人 轨 迹 规 划 机 械 手 主 要 用 于 平 面 内 物 体 的 抓 取 和 放 置 操 作如 图所 示在 一 个 工 作 周 期 内机 械 手 经 过 上 升 段平 移 段和 下 降 段 个 阶 段设 计 其 最 大 行 程 为 为 防 止 与 抓 取 物 件 干 涉要 求 手 抓 在 上 升 和 下 降 阶 段 须 有 一 定 距 离 的 直 线 运 动 段 和 段 且 要 保 证 一 定 的 轨 迹 精 度 图 机 器 人 运 动 示 意 图 第期陈 健 等基 于 软 和 总 线 的 机 器 人 控 制 系 统 设 计 与 实 现 在 轨 迹 规 划 中把 末 端 的 运 动 轨 迹 可 粗 分 为 三 段这 里 为 进 一 步 减 小 运 动 周 期将 段 轨 迹 设 计 为 弧 线 段每 段 的 运 动 过 程 为 静 止 加 速减 速静 止这 样 就 要 求 其 速 度 和 加 速 度 在 起 点 和 末 点 都 为 零 在 空 间 中 先 取个 关 键 点通 过 运 动 学 逆 解 解 得 关 节 空 间 中 对 应 的 关 节 变 量关 节 变 量 之 间 通 过 插 值可 以 在 关 键 点 中 加 入 更 多 的 插 值 点来 节 点 控 制 弯 曲 程 度 的 顺 滑 的 自 由 曲 线这 样 很 容 易 调 节 曲 线 的 曲 率 和 走 向由 输 出 轴 的 速 度加 速 度 和 加 加 速 度 曲 线 图 如 图所 示其 速 度 大 小 小 于 等 于 加 速 度 大 小 均 小 于 等 于 加 加 速 度 大 小 均 小 于 等 于 运 动 时 间 过 程 冲 击 和 终 端 抖 动 较 小 图关 节 空 间 拟 合 曲 线 图 基 于 软 的 机 器 人 控 制 系 统 方 案 整 个 控 制 系 统 采 用 一 台 普 通 的 工 控 机 作 为 上 位 机 硬 件 平 台使 用 倍 福 的 作 为 软 件 控 制 平 台 该 平 台 主 要 完 成 系 统 管 理插 补 运 算运 动 学 与 动 力 学 计 算机 器 人 逻 辑 控 制 等 任 务 开 发 环 境 分 为 两 部 分 主 要 完 成 整 个 系 统 设 置 和 硬 件 的 配 置而 逻 辑 程 序 的 编 写 和 调 试都 在 中 进 行此 外 运 用 的 电 子 凸 轮 功 能 控 制 机 器 人 机 械 手 臂提 高 了 机 械 手 臂 的 速 度 和 柔 性 上 位 机 与 下 位 机下 位 机 内 部 之 间 采 用 级 连 方 式 连 接物 理 连 接 介 质 使 用 普 通 网 线 或 光 纤 即 可 机 器 人 采 用台 倍 福 伺 服 电 机 经 蜗 轮 蜗 杆 减 速 器 减 速 后 驱 动 机 械 臂 运 动在 两 台 伺 服 电 机 轴 上 安 装 有位 的 绝 对 式 编 码 器通 过 倍 福 端 子 模 块 直 接 连 接 增 量 式 编 码 器 接 口 接 口 电 路 产 生 一 个 脉 冲 信 号 来 读 取 数 据 并 将 数 据 流 提 供 给 控 制 器这 样 整 个 系 统 构 成 一 个 半 闭 环 的 控 制 系 统由 于 整 个 控 制 系 统 采 用 了 的 通 讯 方 式一 跟 网 线 一 网 到 底简 化 了 布 线 和 调 试 工 作节 省 很 多 空 间降 低 了 系 统 成 本 在 整 个 系 统 的 设 计 当 中轨 迹 规 划 和 运 动 插 补 计 算 都 在 上 位 机 的 软 中 进 行计 算 结 果 在 上 位 机 转 换 为 数 字 信 号 通 过 太 网 总 线 实 时 传 输 到 下 位 机 的 伺 服 驱 动 器 从 而 控 制 两 个 伺 服 电 机 联 动上 位 机 控 制 单 元 每 次 根 据 编 码 器 反 馈 的 信 息 调 整 插 补 指 令控 制 机 械 臂 运 动 程 序 设 计 与 应 用 机 器 人 的 上 位 机 控 制 程 序 主 要 分 为 三 部 分 在 里 配 置 各 个 伺 服 轴 的 参 数虚 拟 一 根 时 间 轴 作 为 主 轴 和 两 根 轴 作 为 从 轴绘 制 凸 轮 曲 线 表加 载 程 序 在 里 编 写 控 制 程 序包 括 主 从 轴 的 启 动使 能停 止点 动以 及 调 用 凸 轮 表凸 轮 的 耦 合 与 解 耦 基 于 通 讯通 过 提 供 的 通 讯 连 接 库 文 件在 软 件 中 用 编 写 机 器 人 的 控 制 界 面图为 系 统 控 制 图 图系 统 控 制 图 整 个 系 统 主 要 运 行 步 骤 如 下 在 选 项 卡 中 扫 描 设 备 和 从 站 读 取 所 驱 动 电 机 的 状 态并 设 置 电 子 齿 轮 比 在 中 添 加 一 个 的 任 务在 中 添 加 三 根 轴其 中 作 为 时 间 主 轴 轴 和 轴 作 为 从 轴 跟 随 轴 运 动 在 添 加 一 个 的 电 子 凸 轮 表 在 下 中 添 加 两 个 从 轴 表 表 对 应 轴 表 对 应 轴 轴 作 为 轴 和 轴 共 同 的 时 间 轴这 样 即 指 定 了 主 轴 和 从 轴 的 耦 合 对 应 关 系 凸 轮 表 有 关 键 点 模 式 和 描 点 模 式前 者 可 以 指 定 关 键 点 的 主 从 轴 位 置 并 且 可 以 自 己 定 义 相 邻 两 点 的 差 机 床 与 液 压第卷 值 方 式而 后 者 仅 仅 指 定 每 个 点 的 主 从 位 置两 相 邻 点 之 间 为 直 线 插 值因 此 选 用 描 点 方 式 的 凸 轮 表 位 置 点 必 须 很 密 集这 里 使 用 关 键 点 模 式 绘 制 凸 轮 表在 的 工 作 空 间 中 选 取个 关 键 点经 过 运 动 学 逆 解 得 到 相 应 的 关 节 空 间 点 后 插 入 表 格 中 主 要 完 成 逻 辑 程 序 的 编 写 和 调 试 程 序 主 要 分 为 三 部 分 轴 配 置 模 块 轴 控 制 模 块 和 参 数 读 取 模 块其 中 配 置 模 块 主 要 实 现 各 轴 的 使 能 和 凸 轮 表 的 耦 合 功 能控 制 模 块 有 匀 速 运 动主 从 轴 的 点 动绝 对 运 动相 对 运 动 及 急 停 等 功 能参 数 读 取 模 块 主 要 是 读 取 运 行 轴 的 主 要 参 数 及 系 统 运 行 信 息 通 信 是 公 司 定 义 的 一 种 协 议 用 于 设 备 间 的 非 周 期 性 的 通 讯在 通 过 编 写 程 序 调 用 库 对 中 的 变 量 进 行 连 接 和 修 改在 上 设 计 一 个 控 制 界 面 系 统 测 试 为 验 证 基 于 软 和 总 线 的 机 器 人 控 制 系 统 的 性 能对 基 于 总 线 通 讯 的 从 站 同 步 精 度 等 实 时 性 参 数 和 机 器 人 的 运 动 控 制 参 数 进 行 了 测 试 分 析实 验 结 果 达 到 了次 的 抓 取 频 率位 置 跟 踪 精 度 小 于 的 设 计 指 标 启 动 控 制 程 序 使 机 械 手 按 规 划 的 轨 迹 运 动使 用 网 络 抓 包 工 具 抓 取 上 位 机 与 下 位 机 的 通 讯 数 据 包从 捕 获 的 报 文 信 息 中 没 有 发 现 错 误 报 文 信 息说 明 数 据 传 送 的 准 确 性 较 高从 数 据 帧 捕 获 的 时 间 可 见 其 循 环 周 期 基 本 稳 定 在 左 右报 文 延 时 为 体 现 了 协 议 优 异 的 性 能 和 高 速 响 应以 及 高 精 度 设 备 同 步满 足 了 现 场 总 线 的 实 时 性 要 求 通 过 实 时 采 集 和 追 踪 伺 服 轴 的 参 数图 图实 验 采 集 伺 服 轴 的 参 数 从 采 集 的 数 据 绘 制 的 曲 线 可 以 看 到 实 际 位 移 曲 线 和 规 划 的 曲 线 有 的 误 差速 度加 速 度 和 加 加 速 度 都 有 一 定 的 锯 齿 形 波 动误 差 在以 内 结 束 语 介 绍 了 软 的 系 统 结 构并 基 于 软 和 总 线 设 计 了 一 套 并 联 机 器 人 的 高 速 运 动 控 制 系 统在 运 动 学 分 析 的 基 础 上 提 出 了 一 种 电 子 凸 轮 的 方 式 实 现 了 机 器 人 的 运 动 控 制通 过 实 验 分 析 总 线 通 讯和 执 行 电 机 的 运 动 参 数 证 明 了 该 系 统 具 有 良 好 的 运 动 控 制 性 能该 控 制 系 统 开 放 性 好硬 件 结 构 简 单可 移 植 性 高大 大 缩 短 了 工 业 机 器 人 研 发 的 周 期 参 考 文 献 周 峰王 新 华软 编 辑 系 统 的 设 计 与 实 现 计 算 机 工 程 与 应 用 白 江王 宇 晗金 永 乔数 控 系 统 软 模 块 的 研 究 与 开 发 机 床 设 计 与 制 造 郎 需 林靳 东张 承 瑞等基 于 实 时 以 太 网 的 并 联 机 械 手 控 制 系 统 设 机 器 人 软 编 程 手 册 毕 辉程 良 鸿关 于 软 技 术 的 研 究 及 发 展 机 电 产 品 开 发 与 创 新 欢迎订阅 欢迎投稿 欢迎刊登广告 第期陈 健 等基 于 软 和 总 线 的 机 器 人 控 制 系 统 设 计 与 实 现