基于CPAC的工業機器人運動軌跡分析系統設計

胡成琳，俞清川，邵 欣

(天津中德應用技術大學 智能制造學院，天津 300350)

0 引言

工業機器人運動軌跡分析系統需要模塊化、可視化、便捷化等高要求。基于以上問題，本文選用固高科技公司的計算機可編程自動化控制器(Computer Programmable Automation Controller，CPAC)設計機器人運動軌跡分析系統[1]。本研究通過組合使用Otostudio軟件的各種功能模塊設計機器人運動控制界面，達到編程語言可視化的目的，實現對機器人運動軌跡進行分析的系統設計。

分析工業機器人運動軌跡的目的是觀測機器人實際運動軌跡是否與設定軌跡相符，機器人的運動參數與設定參數是否一致，有無偏差，從而對機器人判斷是否需要進行精度重定位或是離線編程優化運動軌跡。通過觀測機器人在分析系統中的可視化運動軌跡，去判斷實際運動軌跡是否與設定軌跡相符，通過檢測到的運動參數如軸位置和軸速度去判斷是否存在偏差。目前，該設計的分析系統功能較為基礎，只能通過顯現運動軌跡、軸位置、軸速度等參數進行分析。

1 CPAC及其控制系統

計算機可編程自動控制器(Computer Programmable Automation Controller，CPAC)被廣泛運用于與工業生產設備控制系統相關的各類控制平臺、研發平臺。CPAC有著規范的編程環境、實時的I/O控制等方面優勢[2]。

CPAC控制系統主要是由GUC-800運動控制器、人機界面、端子板、遠程IO模塊、伺服驅動器、伺服電機和電源等構成。GUC系列運動控制器是將計算機技術與運動控制器技術相結合的科技產物。在CPAC控制系統中，Jog模式能夠精確地掌控恒速運行。Gear和Follow則是在主軸運動的基礎上進行的相對移動模式。PT是針對有預定軌跡的、運動周期比較長的運動[3]。

2 Otostudio軟件系統

Otostudio是CPAC的主要開發程序環境，是具備高度組態化能力和圖形化特點的開發工具。該軟件共提供了6種編程語言：基本結構文件(ST)、指令表(IL)、順序流程圖(SFC)、功能框圖(FBD)、梯形圖(LD)、連續功能編輯器(CFC)，以適應各種編程語言習慣的使用者需要[4]。

按照各自的功能來劃分Otostudio軟件平臺可以主要分為4個板塊，各板塊有著各自的功能區間，主要是運動監控模塊、人機交互界面、狀態監測模塊和數據處理模塊。

(1)人機交互界面是用戶對作業過程進行實時監控和控制的重要板塊，主要由運動控制界面、圖形圖像界面以及監視界面3個板塊組成。

(2)狀態監控模塊主要是由故障告警單元和I/O單元組成，在整個生產流程中發揮著實時監督生產流程，確保整個生產流程正常有序，出現問題可以及時暫停工作并警告。

(3)數據處理模塊主要承擔著系統的數據采集、A/D數據轉換等功能。同時，該模塊可以將傳感器收集到的信息在軟件內部及時反饋，形成閉環控制并反饋到人機交互界面。工程文檔中通常具備POUS、數據類型和可視化頁面資源。POUS包含主程式(PRG)、子程序(PRG)、功能塊(FB)、函數(FUN)。

3 工業機器人運動模式

3.1 點動運動

在點動運動模式中，可以針對不同的軸設置不同的運動參數，各軸之間相互獨立，能夠實現各軸的自由操控，可實現相互獨立的運動和靜止。GTN_Update命令的調用能夠幫助用戶實現運動的點位運動，控制系統根據用戶輸入的坐標值自動生成最優的梯形曲線并以此表達速度規劃，同時用戶還能夠隨意調整目標車速和方位。通過設置平滑時間可以改變速度曲線的緩急程度，其平滑函數的取值范圍為[0，1]，且越靠近1的頻率曲線越是平滑，系統也更加穩定。

3.2 Jog運動

用戶在Jog運動模型中，同樣可以對各軸的運動參數進行單獨設置，每個軸都可以進行單獨的運動或者停止。GTN_Update命令調用能夠控制Jog的運行，在相關運動參數的設置下加速到要求的速度后就可以開始勻速運動。在運動過程中，用戶可以實時地操控目標的運動狀態，同時能夠自動將執行結果信息反饋至計算機，顯示當前命令得到執行。

3.3 插補運動

插補運動是通過在軌跡起點到終點范圍內進行數據處理，實現數據點密化的工作。插補運動能夠在坐標系關系的基礎上構建多軸間運動的關聯。坐標系運動一般使用的是緩存區運動法，每個坐標系都有兩個緩存區，同時通過內插運動緩存區域中不斷傳輸插補數據，當控制器完成了所有的插補點即可以實現指定軌跡。

4 工業機器人運動編程

運動控制坐標系建立：

crdPrm.dimension:=2; (*二維坐標系*)

crdPrm.synVelMax:=500; (*最大合成速度：500pulse/ms*)

crdPrm.synAccMax:=1; (*最大加速度：1pulse/ms^2*)

crdPrm.evenTime:=50; (* 平滑時間：50 ms*)

crdPrm.profile[0]:=AXIS_X; (*軸一為X*)

crdPrm.profile[1]:=AXIS_Y; (*軸二為Y*)

crdPrm.setOriginFlag:=1; (* 需要明確指定坐標系原點的規劃位置*)

crdPrm.originPos[0]:=0; (*坐標系原點以軸的零位為原點*)

crdPrm.originPos[1]:=0; (*坐標系原點以軸的一位為原點*)

rtn:=GT_SetCrdPrm(1,ADR(crdPrm)); (* 建立坐標系，設置坐標系參數*)

運動插補創建：

rtn:=GT_ArcXYC(1,10 000,0，-5 000,0,0,100,0.2,0,0);(圓心坐標為(100 000,0),終點坐標與起點坐標重合(5 000,0)的順時針弧線，該插補段的運動速率為100 pulse/ms，中心加速度為0.2 pulse/ms^2，終點轉速為0 pulse/ms。)

5 工業機器人運動軌跡分析系統設計

使用Otostudio軟件中的運動控制界面設計功能和運動軌跡編程功能，建立運動軌跡分析界面并編寫工業機器人軌跡運動程序，使界面與程序相結合，完成運動軌跡分析系統的設計。結合示教器屏幕錄制功能，使軟件、硬件相連接，實現編程語言可視化操作，直觀地顯示機器人的運動軌跡，實時檢測運動參數，完成工業機器人運動軌跡分析。

工業機器人圓形運動軌跡分析系統：

(1)編寫工業機器人圓形運動軌跡程序，工業機器人圓形運動軌跡的算法選擇插補模式，先通過直線插補語句:“rtn:=GT_LnXY”將運動點移動到起始點，再使用圓弧插補語句“rtn:=GT_ArcXYC”，通過圓心描述法完成曲線運動。

(2)設計工業機器人運動軌跡分析系統，要建立運動軌跡分析界面，即二維坐標系界面，為機器人運動軌跡分析做準備。運動分析界面設計：打開Otostudio軟件，使用可視化界面的“矩形”工具畫出坐標系的顯示范圍，再使用“折線段”工具在限定的范圍中繪制出X軸和Y軸，機器人平面運動的末端位置用“圓形”工具設定成運動點，并顯示在兩坐標軸交點即坐標系中心點。為了使整個軌跡運動過程更為容易觀察，本文將運動點的顏色設置為黑色。右鍵選中“運動點”點擊“規則的元件配置”，在“規則的元件配置”界面中點擊“絕對運動”，在“絕對運動”中的“X偏移量”和“Y偏移量”兩個選項里根據插補運動坐標系需求輸入恰當的數值。本實驗將“運動點”的X偏移量變量與Y偏移量變量分別設置為“PLC_PRG.pos[1]/1000”“PLC_PRG.pos[2]/1000”。上述“矩形”“折線段”“圓形”3個幾何圖形工具所繪制的所有圖案都是獨立圖像單元，需要將其進行組合，使其成為一個整體的坐標系。坐標系參數設置如圖1所示。

圖1 坐標系參數設置

(3)點擊運用“按鈕”“文本框”兩個工具，加入“Start”啟動按鈕與顯示運動點坐標位置，將機器人平面運動軌跡在X,Y兩坐標軸中以運動點的形式表現出來，控制機器人運動的伺服電機設定為插補運動軌跡坐標系的坐標軸，一號電動機對應坐標系中X軸，二號電動機對應坐標系中的Y軸，建立插補運動坐標系。運動軌跡分析界面設計顯示軸速度和軸位置，將速度變量參數“.AxisStatus[1].lrEncVel”與X軸速度進行鏈接，軸位置位置變量參數“.AxisStatus[1].lrEncPos”與軸位置連接，Y軸變量參數鏈接方法與之相同。圓形運動軌跡分析系統如圖2所示。

圖2 圓形運動軌跡分析系統

6 結語

通過工業機器人圓形運動軌跡分析，系統完成了工業機器人運動軌跡分析系統的設計。圓形軌跡運動編程中包含直線運動插補算法與曲線運動插補算法，在可視化界面中顯現出起始點坐標、實時運動軌跡、軸坐標、軸速度、軸加速度等實時參數，通過這些實時檢測并顯示的運動參數即可與原定參數做對比，分析出機器人的運動軌跡與原定軌跡的差異，進而改善或優化機器人運動軌跡，也可根據參數分析出機器人是否需要保養維護。

本文以固高GUC-800運動控制器為研究對象，通過六自由度工業機器人設計基本的末端運動軌跡，實現了實時軌跡顯示、實時參數檢測等功能，完成了機器人運動軌跡分析系統的設計，通過插補模式實現不同的運動軌跡，在運動軌跡分析界面上顯現出實時變化的運動參數如軸速度、軸位置、軸加速度等，實現分析工業機器人運動軌跡的功能。