工業(yè)機器人澆鑄控制系統的設計與應用

隨著(zhù)工業(yè)機器人相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，工業(yè)機器人應用范圍不斷擴展，產(chǎn)品涵蓋金屬焊接、噴涂、澆鑄、裝配、搬運、包裝、激光加工等方面，應用領(lǐng)域包括汽車(chē)、摩托車(chē)、工程機械、家電等行業(yè)[1,2]。不同用途的工業(yè)機器人在工作環(huán)境、機器人的自由度、與外部系統的信號交互控制等方面存在較大的差異。作為工業(yè)機器人的主要應用之一，澆鑄機器人具有以下顯著(zhù)特點(diǎn)：(1)可靠性強、穩定性高、正常運行時(shí)間長(cháng)；(2)安全性高，澆鑄中金屬液體溫度極高，要充分保障人員、機器人和其他財產(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)量穩定；(5)運動(dòng)范圍廣，為提高工作效率，一般一臺機器人同時(shí)為多臺澆鑄機澆鑄，要求機器人具有較大的運動(dòng)范圍；(6)信號多且交互頻繁；(7)堅固耐用，能適應普通澆鑄車(chē)間惡劣的生產(chǎn)環(huán)境；(8)通用性和柔性化，適合不同的應用場(chǎng)合。鑒于澆鑄機器人的上述特點(diǎn)，本文將結合其應用實(shí)例，介紹相關(guān)的設計方案和一些具體問(wèn)題的解決措施。
1 機器人澆鑄控制系統的結構
機器人澆鑄控制系統分為硬件結構和軟件結構兩大部分。
1.1 系統硬件結構
本文所設計的機器人澆鑄控制系統的硬件系統包括系統控制單元、人機接口、伺服驅動(dòng)系統等主要部分[3]，其結構示意圖如圖1所示。

系統控制單元是整個(gè)澆鑄控制系統硬件結構的核心，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)際應用中，鑒于工業(yè)PC強大的處理能力及其良好的通用性，越來(lái)越多的機器人采用工業(yè)PC作為控制系統的核心控制器[2]，本文采用的是嵌入式X86工業(yè)PC，實(shí)現數據和信號處理。多功能板支持操作面板、數字I/O信號接口、模擬輸出信號接口、脈沖計數器和脈沖發(fā)生器等接口，提供控制單元與外界進(jìn)行數據和信息交換的通道。
伺服驅動(dòng)系統由最多可達8個(gè)的獨立的伺服單元組成，每個(gè)伺服單元由一個(gè)帶標準脈沖指令接口的伺服驅動(dòng)器及一個(gè)伺服電機組成，并對應機器人一個(gè)關(guān)節軸。一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)機器人最多有6個(gè)關(guān)節軸，即使在某些應用場(chǎng)合下，還需要1或2個(gè)自由度的導軌、變位機等設備，系統仍然可以滿(mǎn)足實(shí)際應用的需求。
1.2 系統軟件結構
為提高系統的開(kāi)放式和通用性，軟件系統分為三層：系統層、控制核心層和主要由人機交互模塊HMI(Human Machine Interface)組成的系統應用層，其結構示意圖如圖2所示。

軟件結構的系統層主要包括操作系統和驅動(dòng)程序、硬件接口等。為了實(shí)現控制系統的實(shí)時(shí)控制，需要在DOS系統或者Linux系統平臺上開(kāi)發(fā)出相應的實(shí)時(shí)模塊RTM(Real Time Module)。
控制核心層是整個(gè)軟件系統和整個(gè)控制系統的核心，主要包括機器人控制系統核心CSKR(Control System Kernel of Robot)和PLC是其主體部分。系統內部CSKR和PLC采用共享存儲的方式來(lái)進(jìn)行信息交換，按照事先約定劃分功能區，并定義訪(fǎng)問(wèn)規則[3]?？刂坪诵膶油ㄟ^(guò)底層接口實(shí)現信息交換和功能調用，以軟中斷的方式處理實(shí)時(shí)任務(wù)、運動(dòng)控制、插補運算和報警；以共享內存的形式與寄存器交換數據并進(jìn)行參數配置。
系統應用層中數控內核接口，一方面作為控制核心層與上層應用的接口，另一方面進(jìn)行數據管理，為開(kāi)發(fā)的應用程序提供友好接口。
按照上述原則搭建出的工業(yè)機器人澆鑄控制系統應用實(shí)例軟硬件系統如圖3、圖4所示。