CN116141309A - 一种机器人与数控系统耦合控制方法及系统 - Google Patents

一种机器人与数控系统耦合控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于数控技术领域，具体提供了一种机器人与数控系统耦合控制方法及系统，其中方法包括：通过操作用户界面分别对各个NML通信信道输入命令，通过各自的NML通信机制把各个信道界面传过来的命令传入任务控制器；任务控制器首先解释和转化各个信道的G代码，再接着对各个信道规范加工处理以及对于报警信息的处理，最后分别分解各个信道的命令并传递指令给各自的I/O控制器，以及通过共享内存传到运动控制器里，然后运动控制器完成各个信道的运动规划。通过结合LinuxCNC数控系统的多通道技术，完成了多通道参数配置和EtherCAT现场总线的通讯。成功实现数控系统多通道技术在机器人设备的应用，形成一套可以同时进行两台或两台以上的机器人与数控系统进行耦合控制。

Description

一种机器人与数控系统耦合控制方法及系统
技术领域
本发明涉及数控技术领域，更具体地，涉及一种机器人与数控系统耦合控制方法及系统。
背景技术
当前是我国制造业全面转型升级以及实现中国制造2025的冲刺阶段，制造过程数控化、自动化是现代制造行业发展的主流方向，推动数控技术和机器人技术的发展，是推进制造业转型升级的重要举措，也是未来迈向“智能制造”的必由之路。21世纪以来，已经发展出了各式各样的工业机器人，而它的广泛应用，不仅可以代替人工在恶劣环境工作，减少工人的劳动强度，而且可以提高产品质量。而对于机器人来说有机器人的专用控制系统，数控机床有数控机床的数控系统，常理来讲，它们是不同的系统，不能进行融合，两个系统不能进行交叉使用。
但是，数控机床与机器人有很多相似之处，都是由控制系统完成逻辑、计算，由伺服电机驱动工作装置，实现精确位置移动的自动机构。而对于国内数控系统生产厂商，目前还没有研发出用一套数控系统实现数控机床与机器人的同步控制，也很少有出现数控系统对机器人进行控制的研究。故提出了数控系统与机器人进行耦合控制系统研发，将数控系统对多台机器人的同步控制算法与技术进行尝试，实现对机器人的运动控制，不仅可以提高机器人的自动化程度，而且能够拓宽数控系统的应用范围，促进数控系统的柔性化发展。
目前国内的智能制造提倡要实现自动化、一体化和智能化，数控机床和工业机器人是实现上述条件的前提，但是国内数控系统很少有和机器人进行协同控制，加工效率低。在数控加工中心中信息互换存在延时高的情况。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的数控系统无法对机器人进行控制的技术问题。
本发明提供了一种机器人与数控系统耦合控制方法，包括：
通过操作用户界面分别对各个NML通信信道输入命令，通过各自的NML通信机制把各个信道界面传过来的命令传入任务控制器；
任务控制器首先解释和转化各个信道的G代码，再接着对各个信道规范加工处理以及对于报警信息的处理，最后分别分解各个信道的命令并传递指令给各自的I/O控制器，以及通过共享内存传到运动控制器里，然后运动控制器完成各个信道的运动规划。
优选地，所述NML通信信道的通讯机制包括：NML通信信道个数的配置是由配置文件中开的多份信道决定的，各信道对应的是同时控制的N个机器人；每个机器人分别包括三个NML通信信道，分别是命令信道、状态信道、错误信道。
优选地，在运动控制器完成各个信道的运动规划的同时，监控该控制器完成实际的操作并且读取状态信息反馈至操作用户界面上。
优选地，各所述I/O控制器与任务控制器是通过NML通信信道通讯，不断的接受任务控制器所传输的命令消息；针对不同的I/O控制器，分别传递各自信道的命令、状态、报错信息。
优选地，各所述I/O控制器与硬件设备的信息交互，通过导出成HAL引脚来完成，I/O控制器通过设置引脚pin的方式，去输入IO信息以及通过HAL输出IO信息，I/O控制器通过HAL接口实现访问硬件设备。
优选地，通过对任务控制器的数组化改进在任务层实现了多信道的运动控制，基于LinuxCNC数控系统内核态模块的特点，采用虚拟函数的方法，在Linux内核中实现函数多态性，完成多信道任务控制器同名函数的重载。
优选地，每一个所述NML通信信道对应一个种类型的工业机器人，对各个NML通信信道编写机器人的正逆解模块，并加上对应的信道信息，编译生成与信道序号对应的模块；
然后编写一个虚拟模块dummy，在配置时根据NML通信信道想要配置的机器人类型，选择其对应的动态库加载。
优选地，通过EtherCAT主站的HAL控制方案，将LinuxCNC数控系统和EtherCAT协议相结合，硬件抽象层HAL将各个NML通信信道处理后的信息写到硬件程序里面，并根据需求通过加载和连接方式组合成接口层，实现LinuxCNC数控系统与EtherCAT工业总线通信；
在EtherCAT数据域的接口处，将多个NML通信信道的数据封装进一个收发线程内即写入到同一个数据域的信息交换函数内，修改部分EtherCAT的函数来进行多个信道的数据交互。
优选地，选用IghEtherCAT作为主站程序来作为LinuxCNC多信道机器人数控耦合控制系统的硬件协议；使用x86架构的工控机，通过以太网电缆控制IO板卡设备、I/O设备的开关量和模拟量进行输入输出；利用LinuxCNC数控系统的HAL二次开发模块进行设备驱动程序配置，实现主从站的配置，建立工控机和硬件I/O，伺服驱动器，电机之间的通讯。
本发明还提供了一种机器人与数控系统耦合控制系统，所述系统用于实现如机器人与数控系统耦合控制方法，包括：
操作用户界面，用于分别对各个NML通信信道输入命令，通过各自的NML通信机制把各个信道界面传过来的命令传入任务控制器；
任务控制器，用于首先解释和转化各个信道的G代码，再接着对各个信道规范加工处理以及对于报警信息的处理，最后分别分解各个信道的命令并传递指令给各自的I/O控制器，以及通过共享内存传到运动控制器里；
运动控制器，用于完成各个信道的运动规划。
有益效果：本发明提供的一种机器人与数控系统耦合控制方法及系统，其中方法包括：通过操作用户界面分别对各个NML通信信道输入命令，通过各自的NML通信机制把各个信道界面传过来的命令传入任务控制器；任务控制器首先解释和转化各个信道的G代码，再接着对各个信道规范加工处理以及对于报警信息的处理，最后分别分解各个信道的命令并传递指令给各自的I/O控制器，以及通过共享内存传到运动控制器里，然后运动控制器完成各个信道的运动规划。通过结合LinuxCNC数控系统的多通道技术，完成了多通道参数配置和EtherCAT现场总线的通讯。成功实现数控系统多通道技术在机器人设备的应用，形成一套可以同时进行两台或两台以上的机器人与数控系统进行耦合控制。
附图说明
图1为本发明提供的一种机器人与数控系统耦合控制系统原理框图；
图2为本发明提供的LinuxCNC数控系统与EtherCAT通讯架构图；
图3为本发明提供的机器人与数控系统耦合控制系统的硬件结构图；
图4为本发明提供的一种可能的电子设备的硬件结构示意图；
图5为本发明提供的一种可能的计算机可读存储介质的硬件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明可能用到的术语解释：
数控系统耦合控制机器人：实现数控系统对工业机器人的同步控制。
任务控制器：任务控制模块(TASK)是LinuxCNC系统协调模块间的命令调度，以及整个系统的初始化工作，使整个系统正常运行。
运动控制器：运动控制器(MOTION)是整个LinuxCNC系统的核心模块，运行在内核的实时空间里。实现各个通道的工件与刀具之间的轨迹规划以及控制，包含了对各个轴位置采样、基本运动插补、运动轨迹速度规划等功能。
IO控制器：主要负责处理LinuxCNC系统系统中各个通道的输入输出设备。比如处理紧急启动停止，冷却液开关等辅助性操作。
硬件抽象层：硬件抽象层(HAL)为LinuxCNC系统实现软硬件通信的桥梁，其主要是能对底层的硬件进行抽象化处理成接口。
EtherCAT通讯：将LinuxCNC系统和EtherCAT协议相结合，硬件抽象层(HAL)模块各个通道处理后的信息写到硬件程序里面，并根据需求通过加载和连接等方式把简单的模块组合成复杂系统的接口层，实现LinuxCNC系统与EtherCAT工业总线通信。硬件上的EtherCAT工业总线通讯协议，有NCUC、PROFINET、TC-net等可以代替EtherCAT。
NML通道：NML负责对数据信息进行编码和解码，实现跨平台通讯。是由实时控制系统(RCS)开发库提供的。
图1为本发明提供的一种机器人与数控系统耦合控制方法，包括：
通过操作用户界面分别对各个NML通信信道输入命令，通过各自的NML通信机制把各个信道界面传过来的命令传入任务控制器；
任务控制器首先解释和转化各个信道的G代码，再接着对各个信道规范加工处理以及对于报警信息的处理，最后分别分解各个信道的命令并传递指令给各自的I/O控制器，以及通过共享内存传到运动控制器里，然后运动控制器完成各个信道的运动规划。
该方案用RCS开发库的NML通信机制实现机器人数控系统各模块之间的通讯。具体地通过NML通信机制以及EtherCAT工业协议实现系统的通讯，从而实现数控系统耦合控制机器人技术。
另一方面，传统单通道数控系统只能控制一台机器人，本方案在于数控系统和工业机器人实现耦合控制，能根据任务控制器数组化拓展任务层通道数，实现数控系统对多机器人协同控制，即可以通过一台IPC同时控制两台及以上机器人的协同运动。
本发明实施例的控制方法流程为：
用户在操作用户界面对数控系统进行发送命令和获取状态信息，任务控制器通过NML通信信道中的命令、状态和错误三个信道传递给操作用户界面，反馈给用户。
用户通过界面信息来判断状态，来决定执行特定操作。实时控制系统(RCS)定义了NML通讯机制。NML通讯机制为：NML通信信道个数的配置是由配置文件中开的N份信道决定的，N份信道对应的就是同时控制的N个机器人。每个机器人系统分别包括三个NML通信信道，分别是命令信道、状态信道、错误信道。NML通讯机制实现了任务控制器(TASK)与操作用户界面，以及任务控制器与I/O控制器之间的通信，而共享内存实现了TASK模块与运动控制模块之间的通信，即共享内存实现了任务控制器与运动控制器之间的通信。
由操作用户界面分别对各个信道输入命令，通过各自的NML通信机制把各个信道界面传过来的命令传入任务控制器，任务控制器中的解释器的作用是解释和转化各个信道的G代码，再接着对各个信道规范加工处理以及对于报警信息的处理，最后分别分解各个信道的命令并传递指令给各自的I/O控制器，以及通过共享内存传到运动控制器里。然后运动控制器完成各个信道的运动规划。与此同时还会监控这个控制器完成实际的操作并且读取状态信息反馈至操作用户界面上。
优选的方案，I/O控制器与任务控制器是通过NML通信信道通讯，不断的接受任务控制器所传输的命令消息。针对不同的I/O控制器，分别传递各自信道的命令、状态、报错信息。同时，I/O控制器与硬件抽象层即硬件设备的信息交互是通过导出成HAL引脚来完成的，I/O控制器通过设置引脚pin的方式，去输入IO信息以及通过HAL输出IO信息，I/O控制器通过HAL接口实现访问硬件设备。因此对于双信道I/O控制器的开发，需要对这些相关的pin进行添加索引号去处理各个信道的信息。
优选的方案，通过对任务控制器的数组化改进在任务层实现了多信道的运动控制，同时运动控制器内部增加了信道号，这样在运动层一个周期内加载顺序两次，模拟了多信道控制，其中各个模块之间的通信方式NML以及共享内存也需要对应的开出双份。
运动控制器(MOTION)是整个耦合控制系统的核心模块，运行在内核的实时空间里。实现各个信道的工件与刀具之间的轨迹规划以及控制，包含了对各个轴位置采样、基本运动插补、运动轨迹速度规划等功能。
基于LinuxCNC数控系统内核态模块的特点，采用虚拟函数(dummyfunction)的方法，在Linux内核中实现函数多态性，完成机器人数控耦合控制系统中多信道任务控制器同名函数的重载，这样通过对任务控制器的数组化改造实现了不同机器人的运动学模块配置。
每一个信道即NML通信信道对应一个种类型的工业机器人，则需要对各个信道编写机器人的正逆解模块，并加上对应的信道信息，编译生成与信道序号对应的模块。然后编写一个虚拟的模块dummy，在配置时候可以根据信道想要配置的机器人类型，选择其对应的动态库加载，解决函数符号表冲突。本方法设计的数控系统耦合控制机器人中信道1加载机器人1、信道2选择加载机器人2模块。若要实现更多信道开发，则根据相应的机型加入机器人正逆解模块程序及序号。
其次，数控系统耦合控制机器人的运动控制方法基于共享内存的通信和时间驱动的执行方式，主要为实现各个信道连接机器人进行工件的加工，同时还要完成两个乃至多个信道的并发操作，实现了一台工控机(IPC)对两个及以上的机器人同时操作。
最后通过EtherCAT主站的HAL控制方案，将LinuxCNC数控系统和EtherCAT协议相结合，硬件抽象层(HAL)将各个信道处理后的信息写到硬件程序里面，并根据需求通过加载和连接等方式把简单的模块组合成复杂系统的接口层，实现LinuxCNC数控系统与EtherCAT工业总线通信。在EtherCAT数据域的接口处，将多个信道的数据封装进一个收发线程内即写入到同一个数据域的信息交换函数内，修改部分EtherCAT的函数来进行多个信道的数据交互。实现单端口模式下的多信道数控系统的数据的传递。所以就通过主从控制的结构从而实现对机器人1和机器人2的控制。实现LinuxCNC数控系统和EtherCAT之间的数据交互，两者间的通讯架构如图2所示。
基于现有的LinuxCNC数控系统上，通过实时工业以太网技术EtherCAT来实现总线通讯，如图3所示。采用EtherCAT作为数控系统软件与下层硬件设备之间的通讯协议。而EtherCAT主要分为主站和从站两个部分，其中主站的搭建是EtherCAT进行通讯的核心，本方法选用IghEtherCAT作为主站程序来作为LinuxCNC多信道机器人数控耦合控制系统的硬件协议。使用x86架构的工控机(IPC)，能够通过以太网电缆控制IO板卡设备、I/O设备的开关量和模拟量进行输入输出；利用LinuxCNC数控系统的HAL二次开发模块进行设备驱动程序配置，实现主从站的配置，建立工控机和硬件I/O，伺服驱动器，电机之间的通讯；并按照机器人1、机器人2的正逆运动学变换，来实现拖动伺服驱动器的控制，从而将机器人数控系统所应用的机器人1以及机器人2能够移动到目标位置。
本发明实施例还提供了一种机器人与数控系统耦合控制系统，所述系统用于实现如前所述的机器人与数控系统耦合控制方法，包括：
操作用户界面，用于分别对各个NML通信信道输入命令，通过各自的NML通信机制把各个信道界面传过来的命令传入任务控制器；
任务控制器，用于首先解释和转化各个信道的G代码，再接着对各个信道规范加工处理以及对于报警信息的处理，最后分别分解各个信道的命令并传递指令给各自的I/O控制器，以及通过共享内存传到运动控制器里；
运动控制器，用于完成各个信道的运动规划。
如图1所示，本数控系统耦合控制系统以LinuxCNC数控系统作为平台，该系统支持NCUC及EtherCAT现场总线的全数字开放式数控装置，具有模块化、开放式的体系结构。本方法的数控系统与机器人耦合控制流程，如图1所示，数控系统耦合控制机器人系统框架按模块运行环境来分有用户态模块和内核态模块。其中用户态模块主要由操作用户界面模块、任务控制模块、I/O模块组成，内核态模块主要包括了运动控制器、硬件抽象层。多信道数控系统与机器人耦合控制系统中通过RCS通信机制和EtherCAT现场总线的系统通讯，实现数控系统与工业机器人的耦合控制。
请参阅图4为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图。如图4所示，本发明实施例提了一种电子设备，包括存储器1310、处理器1320及存储在存储器1310上并可在处理器1320上运行的计算机程序1311，处理器1320执行计算机程序1311时实现以下步骤：通过操作用户界面分别对各个NML通信信道输入命令，通过各自的NML通信机制把各个信道界面传过来的命令传入任务控制器；
任务控制器首先解释和转化各个信道的G代码，再接着对各个信道规范加工处理以及对于报警信息的处理，最后分别分解各个信道的命令并传递指令给各自的I/O控制器，以及通过共享内存传到运动控制器里，然后运动控制器完成各个信道的运动规划。
请参阅图5为本发明提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。如图5所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质1400，其上存储有计算机程序1411，该计算机程序1411被处理器执行时实现如下步骤：通过操作用户界面分别对各个NML通信信道输入命令，通过各自的NML通信机制把各个信道界面传过来的命令传入任务控制器；
任务控制器首先解释和转化各个信道的G代码，再接着对各个信道规范加工处理以及对于报警信息的处理，最后分别分解各个信道的命令并传递指令给各自的I/O控制器，以及通过共享内存传到运动控制器里，然后运动控制器完成各个信道的运动规划。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种机器人与数控系统耦合控制方法，其特征在于，包括：
通过操作用户界面分别对各个NML通信信道输入命令，通过各自的NML通信机制把各个信道界面传过来的命令传入任务控制器；
任务控制器首先解释和转化各个信道的G代码，再接着对各个信道规范加工处理以及对于报警信息的处理，最后分别分解各个信道的命令并传递指令给各自的I/O控制器，以及通过共享内存传到运动控制器里，然后运动控制器完成各个信道的运动规划。
2.根据权利要求1所述的机器人与数控系统耦合控制方法，其特征在于，所述NML通信信道的通讯机制包括：NML通信信道个数的配置是由配置文件中开的多份信道决定的，各信道对应的是同时控制的N个机器人；每个机器人分别包括三个NML通信信道，分别是命令信道、状态信道、错误信道。
3.根据权利要求1所述的机器人与数控系统耦合控制方法，其特征在于，在运动控制器完成各个信道的运动规划的同时，监控该控制器完成实际的操作并且读取状态信息反馈至操作用户界面上。
4.根据权利要求1所述的机器人与数控系统耦合控制方法，其特征在于，各所述I/O控制器与任务控制器是通过NML通信信道通讯，不断的接受任务控制器所传输的命令消息；针对不同的I/O控制器，分别传递各自信道的命令、状态、报错信息。
5.根据权利要求4所述的机器人与数控系统耦合控制方法，其特征在于，各所述I/O控制器与硬件设备的信息交互，通过导出成HAL引脚来完成，I/O控制器通过设置引脚pin的方式，去输入IO信息以及通过HAL输出IO信息，I/O控制器通过HAL接口实现访问硬件设备。
6.根据权利要求1所述的机器人与数控系统耦合控制方法，其特征在于，通过对任务控制器的数组化改进在任务层实现了多信道的运动控制，基于LinuxCNC数控系统内核态模块的特点，采用虚拟函数的方法，在Linux内核中实现函数多态性，完成多信道任务控制器同名函数的重载。
7.根据权利要求1所述的机器人与数控系统耦合控制方法，其特征在于，每一个所述NML通信信道对应一个种类型的工业机器人，对各个NML通信信道编写机器人的正逆解模块，并加上对应的信道信息，编译生成与信道序号对应的模块；
然后编写一个虚拟模块dummy，在配置时根据NML通信信道想要配置的机器人类型，选择其对应的动态库加载。
8.根据权利要求7所述的机器人与数控系统耦合控制方法，其特征在于，通过EtherCAT主站的HAL控制方案，将LinuxCNC数控系统和EtherCAT协议相结合，硬件抽象层HAL将各个NML通信信道处理后的信息写到硬件程序里面，并根据需求通过加载和连接方式组合成接口层，实现LinuxCNC数控系统与EtherCAT工业总线通信；
在EtherCAT数据域的接口处，将多个NML通信信道的数据封装进一个收发线程内即写入到同一个数据域的信息交换函数内，修改部分EtherCAT的函数来进行多个信道的数据交互。
9.根据权利要求1所述的机器人与数控系统耦合控制方法，其特征在于，选用IghEtherCAT作为主站程序来作为LinuxCNC多信道机器人数控耦合控制系统的硬件协议；使用x86架构的工控机，通过以太网电缆控制IO板卡设备、I/O设备的开关量和模拟量进行输入输出；利用LinuxCNC数控系统的HAL二次开发模块进行设备驱动程序配置，实现主从站的配置，建立工控机和硬件I/O，伺服驱动器，电机之间的通讯。
10.一种机器人与数控系统耦合控制系统，其特征在于，所述系统用于实现如权利要求1-7任一项所述的机器人与数控系统耦合控制方法，包括：
操作用户界面，用于分别对各个NML通信信道输入命令，通过各自的NML通信机制把各个信道界面传过来的命令传入任务控制器；
任务控制器，用于首先解释和转化各个信道的G代码，再接着对各个信道规范加工处理以及对于报警信息的处理，最后分别分解各个信道的命令并传递指令给各自的I/O控制器，以及通过共享内存传到运动控制器里；
运动控制器，用于完成各个信道的运动规划。
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