高俊東 劉雨佳 林忠文 余彬煬
摘 要:并聯(lián)機器人具有高動態(tài)響應性、高剛度、高精度的優(yōu)點,可以廣泛應用在煙草企業(yè)異型煙分揀線上以解決效率和成本的問題。本文以Tripod并聯(lián)機器人為控制對象,提出了一種基于倍福公司TwinCAT的電控系統(tǒng)解決方案,重點闡述了基于運動學模型的機器人算法的實現(xiàn)方式。
關鍵詞:并聯(lián)機器人;TwinCAT;運動學模型;電控系統(tǒng)
面對煙草行業(yè)亟待解決的效率和成本問題,具有高動態(tài)響應性、高剛度、高精度的并聯(lián)機器人在煙草企業(yè)異型煙分揀線上得到廣泛應用[1-2]。本文在Tripod并聯(lián)機器人運動學分析的基礎上[3-4],對Tripod并聯(lián)機器人的電控系統(tǒng)進行研究。對Tripod并聯(lián)機器人的運動控制,可基于位置逆解算法對三個交流伺服電機進行插補控制[5-6],且由于并聯(lián)機構是非線性、高耦合的復雜機構,所以對電控系統(tǒng)的控制器、伺服驅動系統(tǒng)性能具有更高的要求。
1 硬件設計
電控系統(tǒng)的硬件設計,從控制器到I/O模塊,再到伺服驅動系統(tǒng)都是通過EtherCAT總線[8]鏈接。
2 軟件設計
倍福公司的TwinCAT3軟件是電控系統(tǒng)的核心部分[7-8]。軟件設計總體架構,包含三個模塊:機器人算法模塊(運動學位置正解和逆解)、NC運算模塊(軌跡規(guī)劃和伺服控制)、PLC模塊(邏輯控制和運動控制的主控)。機器人算法模塊由MTALAB Simulink調試完成后,通過TE1400組件生成。上位人機交互界面采用VB開發(fā),通過TwinCAT3提供的ADS-OCX控件與TwinCAT3進行通訊。
Tripod并聯(lián)機器人運動控制時,首先在NC軸配置中新建關節(jié)軸坐標系中的伺服實軸A1、A2、A3和笛卡爾坐標系中的三個虛軸x、y、z,把伺服實軸鏈接到伺服驅動器,把虛軸鏈接到PLC。伺服實軸的編碼器位置反饋值鏈接到正解模塊的輸入,經(jīng)過位置正解運算,就可得到末端TCP在笛卡爾空間中的當前位置,為運動控制提供當前坐標。
在軌跡控制過程中,主要是使用逆解模塊。例如,在PLC程序中調用TwinCAT3運動控制庫中的電子凸輪功能塊,當功能塊被激活后,基于給定的軌跡要求,NC運算核會規(guī)劃出具體的運動路徑,每隔2ms的時間間隔計算出下一路徑點,把路徑點的笛卡爾空間位置坐標? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 鏈接到逆解模塊的輸入,實時計算相應的關節(jié)軸位置坐標? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ,并通過NC發(fā)送給伺服驅動器?;贜C運算核和機器人算法模塊,每隔2ms,伺服驅動器就會收到一個位置數(shù)據(jù),并控制電機運轉到這一位置,當循環(huán) 次后,末端TCP就完成了給定軌跡。
2.1機器人算法模塊設計
根據(jù)Tripod并聯(lián)機器人的位置逆解和位置正解[3-4],在MATLAB Simulink中使用MATLAB Function函數(shù)編寫算法程序,為機器人本體的機械參數(shù),(x,y,z)和(A1,A2,A3)為對應的TCP笛卡爾空間位置坐標和關節(jié)軸坐標,X0設置關節(jié)軸坐標系的原點偏置,X0確定關節(jié)軸坐標系的正負方向, 為錯誤標志。
假設TCP當前位置(x,y,z)=(50,150,785)、X0=401.7mm、X0=1,比較MATLAB和TwinCAT3中位置逆解結果:(A1,A2,A3)=(-12.86,-93.37,17.38),證明機器人算法模塊的實現(xiàn)方式是正確的。在實際應用中,將(A1,A2,A3)與NC伺服實軸鏈接,(x,y,z)與NC虛軸鏈接,其余的輸入輸出與PLC相關變量鏈接,就可以將機器人算法模塊進行靈活調用,實現(xiàn)Tripod并聯(lián)機器人的運動控制。
2.2上位人機交互界面設計
本文使用VB進行上位人機交互界面設計,并通過ADS-OCX控件[8]與TwinCAT3進行通訊。
3 結論
本文提出了一種基于TwinCAT3的Tripod并聯(lián)機器人電控系統(tǒng)的解決方案,搭建了硬件設計和軟件設計框架,詳細設計了機器人算法模塊,并闡述了運動控制的實現(xiàn)方式。最后,根據(jù)人機交互需求,采用VB完成了上位交互界面的設計,為開發(fā)自主開放的機器人控制系統(tǒng)奠定了堅實基礎。未來,將以本文為基礎,對機器人視覺技術、動力學模型、相關控制策略[9-10]的綜合應用進行深入研究,實現(xiàn)Tripod并聯(lián)機器人的運動性能提升和應用范圍擴展。
參考文獻:
[1]任志剛. 工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 裝備制造技術, 2015(3):166-168.
[2]穆劍橋, 王智斌. 工業(yè)機器人的發(fā)展及現(xiàn)狀綜述[J]. 電子制作, 2015(18):81-82.
[3]劉昆. 3-PSS并聯(lián)機器人運動學分析及仿真[D]. 重慶大學, 2015.
[4]Jingjun Zhang. A Method for Obtaining Direct and Inverse Pose Solutions to Delta Parallel? Robot Based on ADAMS[C]. IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, 2009:1332-1336.
[5]顧文昊, 肖武運, 張志強, 等. 基于Beckhoff平臺Delta并聯(lián)機構軌跡規(guī)劃的實現(xiàn)[J]. 電腦知識與技術, 2014, 10(27): 83-86.
[6]楊中山. 基于IPC的電動缸實驗平臺測控系統(tǒng)設計[D]. 重慶大學,? 2014.
[7]王進, 郭帥, 聶松亮. 基于TwinCAT3的Stewart平臺控制系統(tǒng)設計[J]. 自動化博覽, 2015(9):82-85.
[8]黎妞. 基于EtherCAT的伺服運動控制系統(tǒng)研究[D]. 武漢科技大學, 2012.
[9]毛洪國. 基于動力學模型的DELTA機器人運動控制研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學, 2014.
[10]郭超. 高速并聯(lián)機器人及其控制系統(tǒng)研究[D]. 山東理工大學, 2014.