1前言 隨著工業(yè)生產(chǎn)......



1　前言
隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，企業(yè)對自動(dòng)化程度的要求也越發(fā)迫切，國家“九五”計(jì)劃把應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)改造國有大中型企業(yè)作為重點(diǎn)，國家“863”計(jì)劃機(jī)器人主題，也開始注重產(chǎn)業(yè)化，把現(xiàn)有的機(jī)器人技術(shù)推廣應(yīng)用到企業(yè)，形成大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)，為國民經(jīng)濟(jì)服務(wù)。我國已成功地將弧焊、點(diǎn)焊機(jī)器人推廣到自動(dòng)化程度較高的汽車行業(yè)中，形成了有自己特色的產(chǎn)品。電子行業(yè)對自動(dòng)化程度要求更高，對機(jī)器人需求更為迫切，然而在電子裝配生產(chǎn)線上卻很少能見到我國自己研制的高技術(shù)設(shè)備。我們研制的課題是以電子行業(yè)知名企業(yè)——南京熊貓電子集團(tuán)公司的錄像機(jī)整機(jī)機(jī)器人化柔性裝配生產(chǎn)線為背景，研究目標(biāo)是開發(fā)設(shè)計(jì)出應(yīng)用在這條生產(chǎn)線中所需的水平式擰螺釘機(jī)、用于水平式擰螺釘機(jī)的機(jī)器人本體、用于磁帶插入/取出機(jī)的機(jī)器人本體控制的自動(dòng)化單元控制器。
2　自動(dòng)化單元控制器的特點(diǎn)
電子裝配生產(chǎn)線自動(dòng)化程度很高，而且柔性很大，能滿足多品種小批量的生產(chǎn)。電子裝配不需要大的負(fù)重，但工序復(fù)雜、線體集中擁擠，因此它要求自動(dòng)化單元控制器具有以下特點(diǎn)：①控制器體積要小：只相當(dāng)于弧焊控制器體積的1/5，比我們用的PC機(jī)機(jī)箱稍大一些。在這個(gè)控制器中包括常規(guī)控制器的所有單元，并增加一個(gè)內(nèi)置式螺釘機(jī)控制器。②控制器的主從特性：以往我們設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制器它與周邊的關(guān)系都是基于以控制器為中心，而自動(dòng)化單元控制器的每個(gè)動(dòng)作指令都要與周邊通訊，受線體控制，線體可以選擇控制機(jī)器人程序的執(zhí)行與停止。同時(shí)還可以利用它的豐富的I/O能力，線體控制單獨(dú)運(yùn)行，控制周邊設(shè)備。這就是它的主從兩種功能。③自動(dòng)化單元控制器沒有采用我們常用的VAL機(jī)器人用戶語言，而是采用了表格式語言，這種表格式語言與工廠常用的數(shù)控語言相近，更加容易為操作者接受。
以上我們總結(jié)的三個(gè)特點(diǎn)是我們設(shè)計(jì)的自動(dòng)化單元控制器與以往機(jī)器人控制器的主要區(qū)別。也正是我們設(shè)計(jì)的難點(diǎn)：①由于控制器的體積小，帶來了內(nèi)部單元布局擁擠、布線復(fù)雜、通風(fēng)降溫困難、電磁干擾等一系列問題。②由于機(jī)器人受控于線體，又要控制周邊單元，這樣就使控制邏輯變得很復(fù)雜。③表格式語言不象VAL語言格式一致，它既有通過G代碼表達(dá)意義的NC程序，又有通過助記符表達(dá)意義的SEQ程序、分支程序，還有描述控制對象特性、設(shè)定控制參數(shù)的初始化程序，同時(shí)碼垛程序又是通過數(shù)據(jù)組來決定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，因此它的語言編譯解釋系統(tǒng)非常復(fù)雜。
3　自動(dòng)化單元控制器的功能
我們設(shè)計(jì)的自動(dòng)化單元控制器最多可以控制四自由度機(jī)器人，它可以滿足電子裝配線上機(jī)器人控制的要求，同以往機(jī)器人控制相比，它取消了終端鍵盤。通過編程示教盒編輯用戶程序、控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、示教機(jī)器人運(yùn)動(dòng)點(diǎn)、控制螺釘頭運(yùn)動(dòng)、可單步執(zhí)行用戶程序、監(jiān)視I/O輸入量、控制I/O輸出量。通過前面板可控制執(zhí)行指定的用戶程序，它提示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和系統(tǒng)異常時(shí)保護(hù)系統(tǒng)狀況。控制器有豐富的I/O資源，它分為系統(tǒng)I/O和用戶I/O，通過系統(tǒng)I/O可完成前面板所有控制功能，輸出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號，用戶通過外部信號控制機(jī)器人的每一步運(yùn)動(dòng)并能中斷每一步的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，控制器可內(nèi)裝螺釘機(jī)控制器，也可以外接螺釘機(jī)控制器。控制器通過RS232串口與外部計(jì)算機(jī)通訊，完成用戶程序上傳與下裝，存儲(chǔ)用戶應(yīng)用程序，同時(shí)還可以通過這個(gè)串口與NC程序相配合，輸入機(jī)器人運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。它也是傳感器信息輸入口。機(jī)器人控制采用NC表格語言，它保活NC程序、SEQ序列程序、碼垛程序、分支程序、初始化程序。表格式語言簡單明了，通用性強(qiáng)。它以NC程序?yàn)橹鞒绦颍渌绦蚨际荊命令調(diào)度的子程序。
4　控制器的實(shí)現(xiàn)
4.1　控制器硬件總體結(jié)構(gòu)
控制器硬件總體結(jié)構(gòu)主要由以下各部分組成(見下圖)：
控制器軟件總體結(jié)構(gòu)圖
(1)主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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，該系統(tǒng)基于MULTIBUS總線，采用多CPU并行結(jié)構(gòu)，分上下兩級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成對機(jī)器人本體的控制，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)機(jī)器人控制器方面比較流行，它可以克服機(jī)器人控制器軟件系統(tǒng)算法及結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的毛病。上級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要完成軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、用戶程序編輯解釋、與周邊設(shè)備通訊、監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、控制周邊設(shè)備等功能。下位機(jī)完成對機(jī)器人本體的位置閉環(huán)控制。上級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與下級計(jì)算機(jī)通過總線進(jìn)行通訊。多功能板是基于CPU板ISBX局部總線開發(fā)的，它主要完成對前面板、螺釘頭及Z軸抱閘的控制。設(shè)計(jì)這個(gè)板可以把控制器本身的控制操作量管理起來，這樣用戶就可以根據(jù)需要選擇I/O板。I/O板用于系統(tǒng)I/O及用戶I/O。
(2)前面板主要包括兩個(gè)部分：前面板操作板及前面板控制板。前面板操作板裝有控制按鈕(鍵)、狀態(tài)顯示部分、LED燈狀態(tài)部分。前面板控制板主要完成操作邏輯控制、顯示驅(qū)動(dòng)、信號隔離、系統(tǒng)保護(hù)等功能。
(3)電動(dòng)旋具驅(qū)動(dòng)控制器：用來完成螺釘機(jī)頭及料斗控制。螺釘機(jī)包括：供螺釘料斗，螺釘機(jī)機(jī)頭。料斗上料電機(jī)帶動(dòng)上料輪轉(zhuǎn)動(dòng)，向螺釘槽里上螺釘。在螺釘槽上方有光電檢測裝置，在檢測螺釘光電信號為ON時(shí)，上料電機(jī)開動(dòng)，正常情況下，當(dāng)螺釘裝滿后，檢測螺釘光電信號為OFF，上料電機(jī)停轉(zhuǎn)。若料斗內(nèi)無螺釘或因?yàn)槠渌蛟斐陕葆敳墼谝欢〞r(shí)間內(nèi)沒有裝滿，則上料電機(jī)停轉(zhuǎn)并報(bào)警。螺釘機(jī)頭部分包括：螺釘頭上位開關(guān)，裝有螺釘機(jī)的控制器在機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)前，必須檢查螺釘機(jī)頭是否在上位，即上位開關(guān)是否為ON，如果不在上位，機(jī)器人本體不能運(yùn)動(dòng)。螺釘頭上下運(yùn)動(dòng)靠氣缸的推動(dòng)，氣缸電磁閥為ON時(shí)，螺釘頭向下運(yùn)動(dòng)，為OFF時(shí)螺釘頭向上運(yùn)動(dòng)。螺釘頭運(yùn)動(dòng)下方有限位開關(guān)，調(diào)整擋塊可以控制螺釘頭的行程，螺釘頭到限位開關(guān)時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)，輸出螺釘擰到位信號。螺釘旋具電機(jī)得到啟動(dòng)信號開始轉(zhuǎn)動(dòng)，正常情況下擰螺釘?shù)牧剡_(dá)到設(shè)定值，并且限位開關(guān)為ON時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出擰螺釘結(jié)束信號，在設(shè)定擰螺釘時(shí)間到時(shí)，設(shè)定力矩仍未滿足，或力矩到設(shè)定值限位開關(guān)為OFF時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)并輸出擰螺釘結(jié)束信號和不良信號。螺釘機(jī)控制器以8031為CPU控制螺釘機(jī)的動(dòng)作和時(shí)序，擰螺釘力矩的設(shè)定及對螺釘機(jī)動(dòng)作時(shí)序的控制由主CPU板通過多功能板上的8255與螺釘機(jī)控制器8031通訊決定，力矩100段可設(shè)。
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(4)功率驅(qū)動(dòng)單元：用來完成各關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選用日本松下公司的MSD系列200W全數(shù)字式交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。它具有體積小、全數(shù)字化特點(diǎn)，可以滿足控制器體積小的要求。