CN201244813Y - 一种精密锻造加工用机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

一种精密锻造加工用机器人控制系统，其特征是：工业控制计算机和多轴运动控制卡通过PCI总线连接，多轴运动控制卡通过接口板和伺服驱动器连接，伺服驱动器和伺服电机连接，编码器和伺服电机同轴安装，伺服电机分别安装在精密锻造加工用机器人机械本体的各个关节上。工业控制计算机完成系统管理，轨迹规划及状态监视功能，多轴运动控制卡完成插补运动控制功能。系统采用VC++语言编程控制。本实用新型所说的精密锻造加工用机器人控制系统稳定可靠，硬件系统易于升级，开放性好，实时性高，软件界面友好，功能强大，代码开放性好，便于系统功能的修改和升级。

Description

一种精密锻造加工用机器人控制系统

技术领域

本实用新型属于工业自动化技术领域，具体涉及一种精密锻造加工用机器人控制系统。

背景技术

目前，精锻件的加工主要利用人工来完成。锻件的生产工艺较为复杂，加工过程中，温度很高(锻件温度高达600℃)，噪声大，工作环境恶劣，锻件由夹钳手持时，手持力需要10KG以上，劳动强度大，利用工业机器人进行锻件的加工成为精锻行业的主要发展方向。

尽管工业机器人发展成熟，但通用工业机器人控制系统开放性较差，主要表现在以下两个方面：1.控制系统的硬件主要采用嵌入式主机，由嵌入式主机作为高层管理多轴控制器，驱动交流电机进行运动控制。由于嵌入式系统属于特定的专用设备，这些设备的硬件资源(如处理器、存储器等)非常有限，对系统进行升级改造有限；2.通用工业机器人系统主要采用专用机器人语言，采用示教盒示教再现实现特定的功能，对用户呈现的仅是一个程序接口，实现诸如搬运、焊接等简单操作是方便的，但由于特定的精密锻造加工过程要求精度高，靠单纯的示教很难达到所需精度要求，必须对系统的软件进行适当修改，并将某些任务的程序进行固化来提高程序的稳定性，这在专用的机器人语言平台上是无法实现的。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种稳定性高、开放性好、实用于精密锻造加工的机器人控制系统。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种精密锻造加工用机器人工控制系统包括工业控制计算机1、多轴运动控制卡2、伺服驱动器3、伺服电机4，编码器5；其中：工业控制计算机1和多轴运动控制卡2通过总线连接，多轴运动控制卡2通过接口板和伺服驱动器3连接，编码器5和伺服电机4同轴安装，编码器5和伺服驱动器3连接；控制系统采用VC++语言编程；

工业控制计算机1和多轴运动控制卡2连接总线为PCI总线；工业控制计算机1采用研华工控机，其主板选用PCA-6006LV，CPU选用P4—2.8GF533及其附件；

连接多轴运动控制卡2和伺服驱动器3的接口板采用MACIO-3002SSP4型接口板；

多轴运动控制卡2是以DSP为核心的运动控制卡，其最高脉冲输出频率不小于6.4MHZ，选用MAC-3002SSPX系列多轴运动控制卡；

伺服驱动器3为交流伺服驱动器，选用PSDA系列驱动器；伺服电机4为交流伺服电机，选用57BL系列交流伺服电机；

工业控制计算机1作为上位机，完成系统管理、轨迹规划以及状态监测功能；多轴运动控制卡2作为下位机，利用PCI总线和上位工业控制计算机相连，接收工业控制计算机发出的命令和向工业控制计算机反馈机器人各个关节的位置信息。此多轴运动控制卡采用DSP为核心，利用线性插补、圆弧插补等方式完成运动控制功能。伺服驱动器3与多轴运动控制卡2相连，接受控制命令脉冲，并对低功率的脉冲信号进行放大来驱动大功率交流电机运转。伺服交流电机4与伺服驱动器连接，驱动机器人各个关节按精密锻造工艺要求运转。编码器5安装在电机同轴上，用来测得关节转动的实时位置和姿态，并将实时位置和姿态反馈至伺服驱动器，经过驱动器对信号的整形、设置合适倍率后，送入多轴运动控制卡2，多轴运动控制卡2经过位置比较，得到位置偏差，并将位置偏差信号作为控制系统的输入，通过调整运动控制卡2中的PID参数，完成伺服控制功能。除此以外，控制系统还通过多轴运动控制卡所扩展的I/O端口来获取精密锻造的加工设备的运行状态或发命令给加工设备，从而有序地完成精密锻造的加工工艺。

控制系统的软件采用VC++进行编程，软件系统的流程图如图2所示。程序首先进行硬件初始化，保证机器人本体各个关节在设定的零点位置，之后根据精密锻造的工艺要求，进行单步或连续的示教，获得机器人在工艺过程的每个状态的位置信息，并将数据保存在内存空间。示教结束后，机器人就可以调用内存空间的数据，严格按照工艺要求进行工件的精密锻造，即示教再现过程。程序编制需要保证在每个工作周期可改变工作方式，如单步或连续，每10个工作周期机器人本体进行回零，消除累积误差。

本实用新型的积极效果是：

1、工业控制计算机作为上位机，其开放的硬件结构和功能保证了系统的稳定可靠，而且硬件系统容易升级；

2、多轴运动控制卡采用DSP为核心，DSP这种特殊的软硬件结构使得这种控制方式开放性好，实时性高；

3、系统软件采用通用的VC++进行编程，界面友好，功能强大，代码开放性好，在此平台上容易对系统功能进行修改和升级，完成锻件的自动加工。

附图说明

图1是本实用新型控制系统的配置连接图，

图2是本实用新型控制系统软件流程图，

图3是本实用新型控制系统结构框图，

图4是本实用新型单轴驱动控制线路连接图，

图5是本实用新型控制系统与机器人本体、锻造加工设备的I/O端子图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，精密锻造加工用机器人控制系统包括工业控制计算机1、多轴运动控制卡2、伺服驱动器3、伺服电机4，编码器5；其中：工业控制计算机1和多轴运动控制卡2通过总线连接，多轴运动控制卡2通过接口板和伺服驱动器3连接，编码器5和伺服电机4同轴安装，编码器5和伺服驱动器3连接；控制系统采用VC++语言编程；

工业控制计算机1和多轴运动控制卡2连接总线为PCI总线；

工业控制计算机1采用研华工控机，其主板选用PCA-6006LV，CPU选用P4—2.8GF533及其附件；

连接多轴运动控制卡2和伺服驱动器3的接口板采用MACIO-3002SSP4型接口板；

多轴运动控制卡2是以DSP为核心的运动控制卡，其最高脉冲输出频率不小于6.4MHZ，选用MAC-3002SSPX系列多轴运动控制卡；

伺服驱动器3为交流伺服驱动器，选用PSDA系列驱动器；伺服电机4为交流伺服电机，选用57BL系列交流伺服电机；

如图3所示结构，工业PC机选用研华原装整机。机箱选择IPC-610P4R-30HCE，主板选择PCA-6006LV，CPU选择P4-2.8G F533及其他附件，机械本体为自主研发，设计负载20Kg，作为系统控制对象。运动控制卡采用哈工大博实精密公司的多轴运动控制卡MAC-3002SSP2和MAC-3002SSP4，此控制卡采用DSP控制芯片为核心器件，可控制二到四轴直线插补以及任何两轴之间的圆弧插补，最高脉冲输出频率6.4MHz，可以与各种类型的驱动器连接，构成高精度位置控制系统，具有位置、速度、回原点和手动四种工作模式，具有16路光电隔离数字输入和输出通道，参考时钟19.2MHz，速度1PPS^-6.4MPPS，精度为±0.5LSB，28位脉冲范围。

接口板采用MACIO-3002SSP4，屏蔽电缆采用CABLE100和CABLE37，扁平电缆采用F-CABLE10和F-CABLE37，驱动器和电机选用珠海运控电机有限公司的PSDA系列和57BL系列，减速器选用北京谐波传动技术研究所的XB1/XB2系列。

由于各轴的控制类似，这里以单轴驱动控制为例进行运动控制的详细说明，如图4所示。工业控制计算机通过PCI总线，将信号通过屏蔽电缆CABLE100送入运动控制卡MAC-3002SSP4，运动控制卡通过伺服接口、通用I/O接口以及脉冲接口将控制信号通过扁平电缆F-CABLE10送入接口板MACIO-3002SSP4，接口板通过下列控制信号和脉冲信号与PSDA系列驱动器进行连接完成伺服控制功能。

接口板15引脚的伺服报警信号与驱动器41引脚的Y1报警输出信号相连，完成报警功能，16引脚的伺服到位信号与驱动器39引脚的定位完成输出信号相连，完成定位功能，17引脚的准备就绪信号与驱动器22引脚的伺服准备好信号相连，完成准备就绪功能，18引脚的伺服启动信号与驱动器36引脚的Ser-ON相连，完成伺服启动功能，19引脚的误差清除信号与驱动器7引脚的位置偏差清除输入信号相连，完成位置偏差的清除功能。这些握手信号通过接口板22引脚、23引脚、72引脚、73引脚的外接地信号与驱动器的40引脚、38引脚、44引脚、47引脚、24引脚分别相连，形成控制回路。

接口板11引脚正向限位信号、12引脚的反向限位信号、13引脚的减速信号以及14引脚的原点信号分别通过机械开关与外接地相连，用来对机械本体定位和限位，21引脚、70引脚以及71引脚外接24V直流电源，用来对板卡供电，22引脚、23引脚外接地电平。

接口板的31引脚的输出脉冲正极、32引脚的输出脉冲负极、33引脚的输出方向信号正极、34引脚的输出方向信号负极与驱动器的30引脚脉冲输入正极、31引脚脉冲输入负极、32引脚的方向输入正极、33引脚的方向输入信号负极分别相连，完成脉冲信号和方向信号的写入。

外接单相交流220V信号通过电源开关、噪声滤波器NF、接触器MC送入驱动器，对驱动器的控制回路和主回路进行供电。驱动器通过三相U、V、W以及地电平FG与电机D的U、V、W和地相连，从而驱动电机运转。与电机同轴的编码器实时地将位置信号反馈到驱动器，驱动器通过引脚1、引脚2、引脚5、引脚6、引脚3、引脚4分别与接口板的39引脚、40引脚、41引脚、42引脚、43引脚、44引脚相连接，将编码器信号整形、分频后送入多轴运动控制卡，运动控制卡一方面将信息送入上位机进行实时位置显示，另一方面将反馈的脉冲与程序给定命令脉冲相减，得出差值，将此差值脉冲信号重新作为输入，经过运动控制卡的PID控制，从而达到对伺服系统的控制目的。

机器人本体与控制系统的I/O端子如图5所示。对多功能控制卡而言，输入信号包括：中频炉故障检测、工件检测1、工件检测2、压力机1上限位、压力机1故障检测、压力机2上限位、压力机2故障检测、手爪抓空判断信号。输出信号包括：中频炉电源开关、中频炉启动、手爪开、合、压力机1电源开关、压力机1启动、压力机2电源开关、压力机2启动、报警输出信号。报警输出信号送入声光报警指示板。这些输入和输出信号与工业机器人本体配合，从而有序完成精密锻件的加工过程。

软件采用VC++软件进行设计，所完成功能包括：1.系统初始化与自检；2..参数设置功能；3.各设备实时监控功能；4.故障处理和报警功能；5.各关节伺服控制功能；6..运动过程必要信息显示功能。

系统初始化与自检功能是对系统各控制器进行初始化，包括工业控制计算机和多轴运动控制卡的初始化，初始化结束后，如果控制器工作正常，则自检通过，如果控制器设备出现故障，则显示自检不通过，并强制程序运行停止。参数设置包括示教和运行过程中，伺服运行速度可调、加速度可调、步进的位移可调、插补方式可调、加速方式可调、工件等待时间可调等。各设备实时监控包括中频炉、压力机1、压力机2、机器人手爪闭合的实时监控。故障处理和报警是对所有可能发生故障的设备进行报警提示并记录报警信息。各关节伺服控制是指系统能通过PID控制器对伺服系统的各个关节进行位置控制。运动过程信息显示包括实时显示机器人本体各个关节的位置、运行的路径数、周期数等信息。

Claims (6)

1、一种精密锻造加工用机器人控制系统，其特征是：所说的精密锻造加工用机器人控制系统包括工业控制计算机(1)、多轴运动控制卡(2)、伺服驱动器(3)、伺服电机(4)，编码器(5)；其中：工业控制计算机(1)和多轴运动控制卡(2)通过总线连接，多轴运动控制卡(2)通过接口板和伺服驱动器(3)连接，编码器(5)和伺服电机(4)同轴安装，编码器(5)和伺服驱动器(3)连接；控制系统采用VC++语言编程。

2、根据权利要求1所述的一种精密锻造加工用机器人工控制系统，其特征是：工业控制计算机(1)和多轴运动控制卡(2)连接总线为PCI总线。

3、根据权利要求1所述的一种精密锻造加工用机器人工控制系统，其特征是：工业控制计算机(1)采用研华工控机，其主板选用PCA-6006LV，CPU选用P4—2.8GF533及其附件。

4、根据权利要求1所述的一种精密锻造用机器人控制系统，其特征是：连接多轴运动控制卡(2)和伺服驱动器(3)的接口板采用MACIO-3002SSP4型接口板。

5、根据权利要求1所述的一种精密锻造用机器人工控制系统，其特征是：多轴运动控制卡(2)是以DSP为核心的运动控制卡，其最高脉冲输出频率不小于6.4MHZ，具体选用MAC-3002SSPX系列多轴运动控制卡。

6、根据权利要求1所述的一种精密锻造用机器人工控制系统，其特征是：伺服驱动器(3)为交流伺服驱动器，选用PSDA系列驱动器；伺服电机(4)为交流伺服电机，选用57BL系列交流伺服电机。

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