上下料機器人與數控機床群無線通信系統設計

楊 尹，顧寄南

YANG Yin, GU Ji-nan

（江蘇大學 制造業信息化研究中心，鎮江 212013）

0 引言

隨著工廠自動化水平的提高，工業機器人在數控機床領域的應用越來越多。服務數控機床的工業機器人大體上分為上下料和換刀機器人兩大類。這些機器人首先要獲取數控機床上下料和換刀等信息，信息經控制系統處理后輸出控制信號控制執行機構執行相應的動作。數控機床和工業機器人的可靠信息傳輸對機器人的整體功能尤為重要。近年來無線通信技術得到了迅速的發展，無線通信在工業控制領域應用也日趨廣泛，本文以服務于數控機床群的上下料機器人為例，介紹了一種基于ZigBee技術的上下料機器人與數控機床群的無線通信系統，并通過實驗驗證系統信息傳輸的可行性。

1 系統概述

系統為ZigBee星型網絡，在網絡中ZigBee終端設備為數控機床群，ZigBee協調器為上下料機器人。終端設備通過傳感器獲取機床上下料信息并將信息發送至空中，協調器從空中接收到上下料信息，將信息顯示在液晶屏上，并通過RS232串口發送至機器人控制系統。系統運行過程分為五個階段，分別是協調器建立網絡階段，終端設備加入網絡階段，終端設備數據發送階段，協調器數據接收階段，協調器串口數據發送階段。為了避免終端發送數據時的競爭和沖突，ZigBee協議的媒體訪問控制層采用CSM/CA接入算法，同時媒體訪問控制層支持確認的數據傳輸模式，要求每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，如果傳輸中出現問題可以進行重發，從而建立可靠的數據通信模式。

2 系統硬件設計

2.1 數控機床端硬件設計

數控機床端的硬件系統包括傳感器模塊和ZigBee模塊兩部分，傳感器模塊的作用是獲取數控機床的上下料信息，ZigBee模塊的作用是將傳感器獲取到的信息通過無線方式發送至ZigBee協調器。

傳感器模塊采用霍爾測轉速傳感器，它是由電壓調整器、霍爾電壓發生器、差分放大器、史密特觸發器、溫度補償電路和集電極開路的輸出級組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應強度，輸出是一個數字電壓信號。霍爾測轉速傳感器用以測量機床主軸的轉速，而主軸的轉速又代表了機床的上下料信息，轉速為零表示機床需要上下料，轉速不為零表示機床不需要上下料，因此霍爾測轉速傳感器可以獲取機床上下料信息。

ZigBee模塊采用深圳飛比電子科技有限公司生產的ZigBee開發板，該板由CC2530芯片和一些外圍器件組成，板上有LED、按鍵和RS232接口等資源。數控機床端的ZigBee模塊是星型網絡的終端，它與傳感器模塊直接連接。霍爾測轉速傳感器輸出的脈沖經過電平轉換后輸入CC2530，通過編程記錄輸入的脈沖數目，如果在一定的間隔時間內脈沖數目不再增加，則認為機床主軸停止轉動，此時ZigBee終端將發送上下料信息給ZigBee協調器。

2.2 機器人端硬件設計

機器人端硬件由ZigBee模塊和串口模塊組成，ZigBee模塊為整個星型網絡的協調器，它負責建立網絡接收數控機床端ZigBee終端設備發出的上下料信息，并將信息通過RS232串口模塊發送至機器人控制系統，模塊上的的液晶屏也同步顯示接收的信息。實驗用PC代替機器人控制系統，用RS232串口將ZigBee模塊和計算機相連，在PC上顯示機器人控制系統收到的上下料信息。

3 系統軟件設計

ZigBee協議棧是一種基于優先級的輪轉查詢式操作系統，系統軟件設計就是在協議棧的基礎上根據任務的需要開發應用層程序，將應用層程序和協議棧整合后植入芯片便可實現系統的功能。系統軟件包括數控機床端和機器人端軟件設計兩個部分。數控機床端軟件的主要功能是記錄霍爾傳感器輸入的脈沖數目，在一段時間內記錄的脈沖不再變化時就認為主軸停止，此時調用發送函數將上下料信息發送出去。機器人端軟件的主要功能是接收終端發來的上下料信息，當收到上下料信息時便調用函數將此信息發送給串口。

4 實驗測試

實驗系統由三個ZigBe模塊、霍爾傳感器和PC組成。三個ZigBee模塊中有兩個為ZigBee終端，一個為ZigBee協調器，它們共同構成星型網絡。實驗通過按鍵模擬機床工作狀態，按鍵按下表示終端正在發送機床上下料信息。ZigBee協調器PC由RS232接口相連，在PC上顯示收到的上下料信息。

表1 實驗現象

圖1 實驗現象

5 結論

實驗現象表明上下料機器人和數控機床群之間建立了星型無線通信網絡，ZigBee終端通過霍爾傳感器獲取機床的上下料信息并將信息傳輸給ZigBee協調器，協調器將收到的上下料信息顯示在液晶屏上，并同時將信息由RS232串口傳至機器人控制系統，整個系統實現了數控機床群和上下料機器人之間的信息傳輸。

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