基于工業(yè)機器人系統(tǒng)的創(chuàng)新實踐探索與實現(xiàn)*

林勛濤 蘇發(fā) 賴冠宇

(1.廣州航海學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院,廣東廣州 510725;2.西京學(xué)院,陜西西安 710123)

0 引言

工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)四個部分組成[1-2]。執(zhí)行機構(gòu)是機器人的主體,用于完成工作任務(wù),從功能上可分為手部、腕部、臀部、腰部和基座[3];驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力的裝置,根據(jù)動力原理可區(qū)分為電力驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動裝置[4];控制系統(tǒng)指的是可以通過預(yù)先編寫好的程序控制調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)使之達(dá)到設(shè)想的運行狀態(tài)[5],并且可以接收檢測裝置反饋信息的一個閉環(huán)管理系統(tǒng)[6];傳感系統(tǒng)是機器人的重要組成部分,一般分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器,使得機器人對外部環(huán)境有適應(yīng)能力,從而能表現(xiàn)出機器人的智能化。本文的創(chuàng)新實踐研究主要是利用CRPS80-V2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)和EST UN伺服系統(tǒng)組成的一個工業(yè)機器人系統(tǒng),通過繪制相關(guān)的電氣原理圖、電路接線圖、設(shè)備接線后試運行及在線編程[7-8],來研究工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成,實現(xiàn)創(chuàng)新活動的實現(xiàn)。

1 工業(yè)機器人系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件設(shè)備主要有CRP-S80-V2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)和E S T U N 伺服系統(tǒng)。

1.1 CRP-S80-V2控制系統(tǒng)

C R P 控制系統(tǒng)采用了當(dāng)前世界流行的開放式軟硬件平臺,具備各種控制模塊、傳感感應(yīng)模塊、檢測模塊、及機器設(shè)備的安全連接方式;采用模塊化的方式設(shè)計軟件,簡化操作難度,在特定環(huán)境、針對不同的機器構(gòu)造,能夠提升設(shè)備的功能性,控制系統(tǒng)主要包括示教器、CRP-S80-V2機箱、I/O板、BK板。

(1)示教器。示教器可通過人工操控調(diào)整,寫入程序,調(diào)整參數(shù)進(jìn)行控制機器人運動的控制設(shè)備,在使用的過程中可以操控機器人根據(jù)設(shè)計要求執(zhí)行各種指令[9]。也可以通過程序編寫導(dǎo)入控制機器人自動運行,并且可以修改機器人的系統(tǒng)參數(shù)、速度參數(shù)、操作參數(shù)等[10]。特別注意:示教器的模式開關(guān)選擇示教模式,并且保證機器人處于通電狀態(tài),為達(dá)到安全穩(wěn)定的效果,急停裝置的使用必須配合電路設(shè)計。(2)CRP-S80-V2機箱。CRP-S80-V2機箱為CR P控制系統(tǒng)的信號傳輸中樞以及為控制系統(tǒng)提供電源。該機箱連接I/O板,BK板,驅(qū)動系統(tǒng),并通過電纜連接傳輸信號或接收反饋信號,并且可以通過連接示教器對各個信號進(jìn)行觀察控制。(3)BK板。BK板通過配套的機器人專用端子信號線攬與主機M X T 接口連接,它的作用是將機器人的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)接,并通過BK 板內(nèi)置的抱閘控制模塊,使機器人能夠安全運行。(4)I/O板。I/O轉(zhuǎn)接板主要是通過I/O信號X00-X22和Y00-Y22進(jìn)行轉(zhuǎn)接,可通過Y00-Y07進(jìn)行繼電器轉(zhuǎn)接輸出,進(jìn)而控制機器人。

1.2 ESTUN伺服系統(tǒng)

ESTUN伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動和伺服電機組成。(1)伺服驅(qū)動。伺服驅(qū)動用于接收上位機控制指令并控制伺服電機進(jìn)行運動,同時為伺服電機提供電源的驅(qū)動裝置。各端子記號有各自功能,能為伺服驅(qū)動提供電源。比如其中CN1為輸入與輸出用連接端子,其與CRP伺服控制系統(tǒng)的S80-V2機箱的J1端子連接,是輸入與輸出用連接器,控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)通過該接口傳輸接受指令輸入信號或反饋信號。(2)伺服電機。伺服電機是執(zhí)行指令控制的裝置,通過連接編碼器線和電源線可以反饋編碼器信息給驅(qū)動或者上位機和接通電源。并且可以通過輸出軸將緩速器或者其他機械結(jié)構(gòu)安裝在伺服電機上,并進(jìn)行工作。

2 工業(yè)機器人系統(tǒng)的搭建及運行

通過計算機語言可以預(yù)先根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求編寫好所需程序通過控制器對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制,而執(zhí)行機構(gòu)同時也會將位置,速度等信息反饋回給控制器,在這個過程中,外部傳感器也會將外部環(huán)境的信息傳送至控制器進(jìn)行控制。因此機器人系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)。機器人系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 機器人系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition diagram of robot system

利用C R P-S 8 0-V 2 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)和E S T U N伺服系統(tǒng)搭建的工業(yè)機器人系統(tǒng)實物連接示意圖如圖2所示。

在此工業(yè)機器人系統(tǒng)基礎(chǔ)上,進(jìn)行了創(chuàng)新實踐的活動,可以形成三種控制伺服系統(tǒng)運作的方法。

2.1 單獨通過伺服電機運行

首先需要固定伺服電機,因為電機在轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生振動,避免在使用過程中電機出現(xiàn)意外情況;隨后確定所用電纜是否正確配線,配線不正確可能會導(dǎo)致伺服電機運動異常,從而使電機損壞。通過電機配套的運行表,可施行寸動模式,此時電機可以實現(xiàn)順、逆時針轉(zhuǎn)動,也可以通過改變內(nèi)部參數(shù)來實現(xiàn)速度/扭矩等混合模式。

2.2 通過示教器控制伺服電機單體的試運行

首先需按照電氣原理圖和連接圖完成整體的連線,在操作過程中需提前確定控制系統(tǒng)中設(shè)定的控制指令是否正確,伺服電機能否按照指令正常運行,確定參數(shù)是否設(shè)置正確,檢查完畢后可以進(jìn)行控制運行,進(jìn)行手動操作時要提前了解《手動操作安全規(guī)范手冊》,做到安全第一,并且注意,由于廠家系統(tǒng)PLC程序是同時輸入輸出S80-V2機箱的J1-J8的8軸的控制以及報警信號,而本次設(shè)計僅使用J1軸進(jìn)行控制,且本次使用的伺服系統(tǒng)低電平有效,因此把J1以外其余7個觸電調(diào)至高電平即可。同時需要獲得管理員權(quán)限在示教器時更改伺服參數(shù),將不用到的J2-J8驅(qū)動信號刪除。完成操作后,報警方可解除。

圖2 工業(yè)機器人系統(tǒng)實物連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of physical connection of industrial robot system

在完成以上操作后,示教器無警報的前提下,先將模式旋至示教模式,按下示教器顯示屏的“伺服下電”,此時伺服系統(tǒng)開始通電,系統(tǒng)將通過讀取編碼值來計算伺服電機此時的坐標(biāo)位置,按下停止按鍵,解除禁止機器人動作。此時就可以通過示教器編寫PLC程序[11-13],進(jìn)而控制電機運行[15],讓機器人完成理想動作。

2.3 通過其他方式提前編寫PLC程序,并通過U盤導(dǎo)入示教器

將存放提前編號PLC程序的U盤插入主機箱的USB接口;點擊<文件操作>→<從U盤內(nèi)導(dǎo)入>;分別將參數(shù)、程序、用戶PLC讀入系統(tǒng);等待彈出完成界面,出現(xiàn)后按下確定系統(tǒng)重啟后拔下U 盤;導(dǎo)入P LC 程序后,重啟示教器可運行用戶PLC程序。

3 結(jié)語

本次工業(yè)機器人系統(tǒng)創(chuàng)新研究所采用的設(shè)備有C R P控制系統(tǒng)和E ST UN 伺服系統(tǒng),在了解所有設(shè)備的操作原理和使用方法的基礎(chǔ)之上,繪制出系統(tǒng)接線圖和電氣原理圖,并將設(shè)備連接起來,通過編寫PLC程序和通過系統(tǒng)的手動操控最終使伺服電機正確運行起來。通過本次的創(chuàng)新活動的學(xué)習(xí),可以把機器人的相關(guān)知識,通過自主學(xué)習(xí)和實踐得到一定加強,對了解工業(yè)機器人的組成及學(xué)生的創(chuàng)新思想的培養(yǎng)有很大作用。