工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)與實(shí)踐

胡洪鈞, 謝立敏, 梁 曉, 童向亞, 葉大鵬

(福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 福建 福州 350002)

工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)與實(shí)踐

胡洪鈞, 謝立敏, 梁 曉, 童向亞, 葉大鵬

(福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 福建 福州 350002)

分別以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的晶圓搬運(yùn)機(jī)器人、SCARA機(jī)器人、TX60六軸工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)平臺(tái),開發(fā)了機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)測(cè)繪、機(jī)器人控制電路設(shè)計(jì)、基于PLC的SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于GT-400-SV控制卡的SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和TX60工業(yè)機(jī)器人操作與應(yīng)用共5項(xiàng)機(jī)器人綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。著重從機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)、控制方法、實(shí)際應(yīng)用3個(gè)方面引導(dǎo)學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人知識(shí)的學(xué)習(xí)與掌握。所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在2010級(jí)和2011級(jí)2屆本科生中投入了應(yīng)用,收到了良好的教學(xué)效果。

工業(yè)機(jī)器人； 綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目； 閑置資源利用

隨著工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的深度和廣度以及機(jī)器人智能水平的提高,工業(yè)機(jī)器人已在眾多領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用[1-3],同時(shí)機(jī)器人學(xué)在工程研究領(lǐng)域也備受重視[4]。為了適應(yīng)這種社會(huì)現(xiàn)象,在高校中培養(yǎng)有關(guān)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用方面的人才迫在眉睫。工業(yè)機(jī)器人是一門理論與實(shí)際結(jié)合性很強(qiáng)的課程,機(jī)器人實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)必不可少,適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)踐性教學(xué)中可以起到事半功倍的效果。為了滿足我院機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求,培養(yǎng)復(fù)合型人才,以現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)平臺(tái)、充分利用閑置資源、開發(fā)工業(yè)機(jī)器人綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是一種切實(shí)可行的方案。所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅可以用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué),還可以用于研究生開展機(jī)器人相關(guān)課題的研究,這對(duì)促進(jìn)機(jī)器人知識(shí)的普及和加強(qiáng)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要意義。

1 設(shè)計(jì)方案

開發(fā)工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的和要求主要包括3個(gè)方面:

(1) 了解工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成；

(2) 掌握工業(yè)機(jī)器人的控制方法；

(3) 熟悉工業(yè)機(jī)器人的操作和應(yīng)用。

針對(duì)上述3個(gè)方面的目的和要求,我們對(duì)圖1所示的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的3種不同類型的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行資源整合和改造,設(shè)計(jì)開發(fā)了5項(xiàng)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,包括:以晶圓搬運(yùn)機(jī)器人為基礎(chǔ)平臺(tái)開發(fā)的機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)測(cè)繪實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和機(jī)器人控制電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；以SCARA機(jī)器人為基礎(chǔ)平臺(tái)開發(fā)的基于PLC的SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和基于GT-400-SV控制卡的SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；以TX60六軸工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)平臺(tái)開發(fā)的TX60工業(yè)機(jī)器人操作與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

圖1 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有機(jī)器人

由圖1可以看出,晶圓搬運(yùn)機(jī)器人的體積遠(yuǎn)小于其他工業(yè)機(jī)器人,學(xué)生在對(duì)其進(jìn)行拆裝、測(cè)繪及設(shè)計(jì)控制電路的過程中,可以很快地掌握它的結(jié)構(gòu)組成和工作原理；現(xiàn)有SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)已損壞,通過采用PLC和GT-400-SV控制卡的2種不同的控制器對(duì)其進(jìn)行控制,方便學(xué)生有比較地學(xué)習(xí),加深了解SCARA機(jī)器人的工作特點(diǎn)及控制方法；六軸工業(yè)機(jī)器人由于具有最佳的靈活性而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)操作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)某些特定的任務(wù),而不是簡(jiǎn)單的演示,以此提高學(xué)生的機(jī)器人工程實(shí)際應(yīng)用技能。

2 依托晶圓搬運(yùn)機(jī)器人平臺(tái)開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

這部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的主要是讓學(xué)生從機(jī)械和電子2個(gè)方面去了解工業(yè)機(jī)器人,鍛煉他們的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

2.1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)測(cè)繪

晶圓搬運(yùn)機(jī)器人是圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人,被廣泛用于FPD產(chǎn)業(yè)中,它主要由R向伸縮模塊、θ向旋轉(zhuǎn)模塊和Z向升降模塊組成[5],其機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 晶圓搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

升降模塊安裝在機(jī)座模塊內(nèi),實(shí)現(xiàn)晶圓搬運(yùn)機(jī)器人的垂直升降運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)模塊安裝在升降模塊的升降平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)晶圓搬運(yùn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；伸縮模塊安裝在旋轉(zhuǎn)模塊的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)晶圓搬運(yùn)機(jī)器人的水平直線伸縮運(yùn)動(dòng)。

在本實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生需要拆解機(jī)器人,了解各模塊功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理,并對(duì)內(nèi)部關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)繪,例如同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu),測(cè)繪完之后按原樣組裝機(jī)器人。

2.2 機(jī)器人控制電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)控制電路,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人快速搬運(yùn)功能。電路中主要包含有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、LCD12864顯示模塊、限位模塊及機(jī)器人啟動(dòng)、停止模塊,各模塊通過相應(yīng)的接口與ArduinoMega2560微控制器[6]相連,如圖3所示。

圖3 晶圓搬運(yùn)機(jī)器人控制電路設(shè)計(jì)框圖

電機(jī)控制部分主要由步距角為0.72°的五相步進(jìn)電機(jī)、最高細(xì)分?jǐn)?shù)為250的五相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和旋轉(zhuǎn)編碼器組成,系統(tǒng)采用CP+DIR電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式[7]:Arduino的D11、D12、D13PWM口產(chǎn)生變頻的驅(qū)動(dòng)脈沖控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速,Arduino的D35、D38、D41數(shù)字口產(chǎn)生的高低電平控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向,旋轉(zhuǎn)編碼器用于電機(jī)測(cè)速,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。機(jī)器人各向運(yùn)動(dòng)范圍通過相應(yīng)的限位開關(guān)來限定。LCD12864實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)。

3 依托SCARA機(jī)器人平臺(tái)開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

這部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的主要是讓學(xué)生從電氣、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)3個(gè)方面去了解工業(yè)機(jī)器人,鍛煉他們的自主開發(fā)能力。

3.1 基于PLC的SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn):

(1) 通過觸摸屏操作機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人單軸自由運(yùn)動(dòng)及四軸聯(lián)動(dòng)；

(2) 編程控制機(jī)器人自動(dòng)定點(diǎn)來回運(yùn)動(dòng)。

采用“PLC+觸摸屏”構(gòu)架形式的SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 基于PLC的SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)物圖

PLC采用西門子S7-200,觸摸屏采用西門子Smart1000IE。每臺(tái)PLC同時(shí)控制2個(gè)交流伺服電機(jī),PLC與PLC之間采用PPI通信方式進(jìn)行信息傳遞。根據(jù)控制要求,應(yīng)用Winccflexible組態(tài)軟件先在PC機(jī)上構(gòu)建機(jī)器人控制畫面,再通過以太網(wǎng)通信方式把組態(tài)好的畫面下載到Smart1000IE觸摸屏中,就此完成了SCARA機(jī)器人控制界面的設(shè)計(jì)[8]。觸摸屏通過PPI通信方式把控制指令傳送給PLC,PLC接收到指令后控制機(jī)器人完成相應(yīng)的控制任務(wù)。

3.2 基于GT-400-SV控制卡的SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中,控制系統(tǒng)采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的開放式體系結(jié)構(gòu),PC機(jī)作為上位機(jī),GT-400-SV控制卡作為下位機(jī),其系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 基于GT-400-SV控制卡的SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)物圖

硬件設(shè)計(jì)采用的GT-400-SV控制卡,可以實(shí)現(xiàn)4軸伺服控制,同時(shí)也提供功能強(qiáng)大的函數(shù)庫和Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫[9],PC機(jī)與GT-400-SV控制卡通過PCI總線完成數(shù)據(jù)交換,伺服電機(jī)的控制由GT-400-SV控制卡通過轉(zhuǎn)接板連接4個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器來完成。

軟件設(shè)計(jì)以Visual C++ 6.0為開發(fā)工具,使用其提供的MFC進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。上位機(jī)系統(tǒng)需要完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等工作；下位機(jī)完成插補(bǔ)運(yùn)算、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制等工作,控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng),完成相關(guān)作業(yè)[10]。

4 依托TX60六軸工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

這部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的主要是讓學(xué)生從機(jī)器人編程和實(shí)踐操作2個(gè)方面去了解工業(yè)機(jī)器人,鍛煉他們的實(shí)際應(yīng)用能力。

TX60工業(yè)機(jī)器人操作與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中共設(shè)有2個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié):機(jī)器人碼垛和機(jī)器人書寫漢字,見圖6。

4.1 機(jī)器人碼垛

通過示教盒手動(dòng)或者編程自動(dòng)控制機(jī)器人完成12個(gè)圓柱體在2個(gè)碼盤之間來回搬運(yùn)、堆疊等工作,學(xué)生也可以根據(jù)自己的興趣完成不同的作業(yè)任務(wù)。

4.2 機(jī)器人書寫漢字

該應(yīng)用過程包括漢字筆畫點(diǎn)坐標(biāo)的提取、軌跡編程以及機(jī)器人的精準(zhǔn)示教等步驟：

(1) 提取漢字筆畫點(diǎn)坐標(biāo)。在AutoCAD制圖軟件中加載坐標(biāo)標(biāo)注插件,獲取CAD圖形或者文字的坐標(biāo)點(diǎn)[11],然后把獲得的漢字筆畫點(diǎn)的二維坐標(biāo)(x,y)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人六維坐標(biāo)(x,y,z,Rx,Ry,Rz),便得到適用于機(jī)器人語言的點(diǎn)的坐標(biāo)值。

(2) 軌跡編程。根據(jù)得到的點(diǎn)的坐標(biāo)值,在機(jī)器人配套的SRS平臺(tái)上的VAL3 Studio程序編輯器上,應(yīng)用VAL3機(jī)器人編程語言[12]編寫機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡程序。

(3) 機(jī)器人的精準(zhǔn)示教。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照設(shè)定的軌跡快速平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng),還需示教用戶坐標(biāo)系和某些關(guān)鍵點(diǎn)的位置,通過機(jī)器人上的示教盒進(jìn)行示教完成。

圖6 TX60六軸工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐操作圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目同時(shí)涵蓋了三軸、四軸和六軸工業(yè)機(jī)器人,融會(huì)了多門學(xué)科知識(shí)。通過實(shí)驗(yàn),不僅加深了學(xué)生對(duì)常見工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成、控制原理及實(shí)踐操作的認(rèn)識(shí),而且可以進(jìn)行多門學(xué)科知識(shí)的交叉學(xué)習(xí)。除此之外,所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還可用于開展有關(guān)機(jī)器人課題研究,促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。

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實(shí)驗(yàn)課程改革

Development and practice of experimental project on industrial robot

Hu Hongjun, Xie Limin, Liang Xiao, Tong Xiangya, Ye Dapeng

(College of Mechanical and Electronic Engineering,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China)

Five comprehensive experiment projects about industrial robot of the mapping of robot mechanical structure,the design of robot control circuit,the design of SCARA robot control system based on PLC,the design of SCARA robot control system based on GT-400-SV and the operation and application on TX60 industrial robot have been developed respectively on the basis of wafer handling robot,SCARA robot and TX60 robot in the laboratory. Students are guided to learn and master the knowledge of industrial robots emphatically in such three aspects as overall structure,control method and practical application of the robot. The developed experiment projects are put into application in two grades undergraduates (2010,2011) and the results are very satisfactory.

industrial robot; comprehensive experiment project; utilization of idle resources

2015- 02- 01 修改日期：2015- 03- 27

2014年福建省高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目(JAS14684)

胡洪鈞(1988—),男,江西九江,碩士研究生,研究方向?yàn)闄C(jī)電控制與機(jī)器人技術(shù)

葉大鵬(1971—),男,福建霞浦,博士,教授,教務(wù)處副處長(zhǎng),研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備及其自動(dòng)化.

E-mail：15806042390@163.com

G642.0

A

1002-4956(2015)9- 0201- 03