1前言 隨著工業生產......



1　前言
隨著工業生產規模的不斷擴大，企業對自動化程度的要求也越發迫切，國家“九五”計劃把應用先進科學技術改造國有大中型企業作為重點，國家“863”計劃機器人主題，也開始注重產業化，把現有的機器人技術推廣應用到企業，形成大規模自動化生產，為國民經濟服務。我國已成功地將弧焊、點焊機器人推廣到自動化程度較高的汽車行業中，形成了有自己特色的產品。電子行業對自動化程度要求更高，對機器人需求更為迫切，然而在電子裝配生產線上卻很少能見到我國自己研制的高技術設備。我們研制的課題是以電子行業知名企業——南京熊貓電子集團公司的錄像機整機機器人化柔性裝配生產線為背景，研究目標是開發設計出應用在這條生產線中所需的水平式擰螺釘機、用于水平式擰螺釘機的機器人本體、用于磁帶插入/取出機的機器人本體控制的自動化單元控制器。
2　自動化單元控制器的特點
電子裝配生產線自動化程度很高，而且柔性很大，能滿足多品種小批量的生產。電子裝配不需要大的負重，但工序復雜、線體集中擁擠，因此它要求自動化單元控制器具有以下特點：①控制器體積要小：只相當于弧焊控制器體積的1/5，比我們用的PC機機箱稍大一些。在這個控制器中包括常規控制器的所有單元，并增加一個內置式螺釘機控制器。②控制器的主從特性：以往我們設計的機器人控制器它與周邊的關系都是基于以控制器為中心，而自動化單元控制器的每個動作指令都要與周邊通訊，受線體控制，線體可以選擇控制機器人程序的執行與停止。同時還可以利用它的豐富的I/O能力，線體控制單獨運行，控制周邊設備。這就是它的主從兩種功能。③自動化單元控制器沒有采用我們常用的VAL機器人用戶語言，而是采用了表格式語言，這種表格式語言與工廠常用的數控語言相近，更加容易為操作者接受。
以上我們總結的三個特點是我們設計的自動化單元控制器與以往機器人控制器的主要區別。也正是我們設計的難點：①由于控制器的體積小，帶來了內部單元布局擁擠、布線復雜、通風降溫困難、電磁干擾等一系列問題。②由于機器人受控于線體，又要控制周邊單元，這樣就使控制邏輯變得很復雜。③表格式語言不象VAL語言格式一致，它既有通過G代碼表達意義的NC程序，又有通過助記符表達意義的SEQ程序、分支程序，還有描述控制對象特性、設定控制參數的初始化程序，同時碼垛程序又是通過數據組來決定機器人的運動，因此它的語言編譯解釋系統非常復雜。
3　自動化單元控制器的功能
我們設計的自動化單元控制器最多可以控制四自由度機器人，它可以滿足電子裝配線上機器人控制的要求，同以往機器人控制相比，它取消了終端鍵盤。通過編程示教盒編輯用戶程序、控制機器人運動、示教機器人運動點、控制螺釘頭運動、可單步執行用戶程序、監視I/O輸入量、控制I/O輸出量。通過前面板可控制執行指定的用戶程序，它提示機器人運動狀態和系統異常時保護系統狀況。控制器有豐富的I/O資源，它分為系統I/O和用戶I/O，通過系統I/O可完成前面板所有控制功能，輸出機器人運動狀態信號，用戶通過外部信號控制機器人的每一步運動并能中斷每一步的運動規劃，控制器可內裝螺釘機控制器，也可以外接螺釘機控制器。控制器通過RS232串口與外部計算機通訊，完成用戶程序上傳與下裝，存儲用戶應用程序，同時還可以通過這個串口與NC程序相配合，輸入機器人運動目標點坐標，引導機器人運動。它也是傳感器信息輸入口。機器人控制采用NC表格語言，它保活NC程序、SEQ序列程序、碼垛程序、分支程序、初始化程序。表格式語言簡單明了，通用性強。它以NC程序為主程序，其他程序都是G命令調度的子程序。
4　控制器的實現
4.1　控制器硬件總體結構
控制器硬件總體結構主要由以下各部分組成(見下圖)：
控制器軟件總體結構圖
(1)主計算機系統：主計算機系統包括主CPU板、多功能板、I/O板和位置伺服板。它是控制器的核心，該系統基于MULTIBUS總線，采用多CPU并行結構，分上下兩級計算機系統完成對機器人本體的控制，這種系統結構在設計機器人控制器方面比較流行，它可以克服機器人控制器軟件系統算法及結構過于復雜的毛病。上級計算機系統主要完成軌跡規劃、運動學計算、用戶程序編輯解釋、與周邊設備通訊、監控系統運行狀態、控制周邊設備等功能。下位機完成對機器人本體的位置閉環控制。上級計算機系統與下級計算機通過總線進行通訊。多功能板是基于CPU板ISBX局部總線開發的，它主要完成對前面板、螺釘頭及Z軸抱閘的控制。設計這個板可以把控制器本身的控制操作量管理起來，這樣用戶就可以根據需要選擇I/O板。I/O板用于系統I/O及用戶I/O。
(2)前面板主要包括兩個部分：前面板操作板及前面板控制板。前面板操作板裝有控制按鈕(鍵)、狀態顯示部分、LED燈狀態部分。前面板控制板主要完成操作邏輯控制、顯示驅動、信號隔離、系統保護等功能。
(3)電動旋具驅動控制器：用來完成螺釘機頭及料斗控制。螺釘機包括：供螺釘料斗，螺釘機機頭。料斗上料電機帶動上料輪轉動，向螺釘槽里上螺釘。在螺釘槽上方有光電檢測裝置，在檢測螺釘光電信號為ON時，上料電機開動，正常情況下，當螺釘裝滿后，檢測螺釘光電信號為OFF，上料電機停轉。若料斗內無螺釘或因為其他原因造成螺釘槽在一定時間內沒有裝滿，則上料電機停轉并報警。螺釘機頭部分包括：螺釘頭上位開關，裝有螺釘機的控制器在機器人本體運動前，必須檢查螺釘機頭是否在上位，即上位開關是否為ON，如果不在上位，機器人本體不能運動。螺釘頭上下運動靠氣缸的推動，氣缸電磁閥為ON時，螺釘頭向下運動，為OFF時螺釘頭向上運動。螺釘頭運動下方有限位開關，調整擋塊可以控制螺釘頭的行程，螺釘頭到限位開關時，停止運動，輸出螺釘擰到位信號。螺釘旋具電機得到啟動信號開始轉動，正常情況下擰螺釘的力矩達到設定值，并且限位開關為ON時停止轉動，輸出擰螺釘結束信號，在設定擰螺釘時間到時，設定力矩仍未滿足，或力矩到設定值限位開關為OFF時，電機停轉并輸出擰螺釘結束信號和不良信號。螺釘機控制器以8031為CPU控制螺釘機的動作和時序，擰螺釘力矩的設定及對螺釘機動作時序的控制由主CPU板通過多功能板上的8255與螺釘機控制器8031通訊決定，力矩100段可設。
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(4)功率驅動單元：用來完成各關節電機驅動。電機及驅動器選用日本松下公司的MSD系列200W全數字式交流伺服電機及驅動器。它具有體積小、全數字化特點，可以滿足控制器體積小的要求。