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码垛机器人伺服运动控制系统的软件设计

时间:2018-01-05

码垛机器人伺服运动控制系统的软件设计

在完成码垛机器人生产线需求分析以后,对软件控制系统进行流程图设计,因为主程序是自动化纸箱码垛牛产线控制系统的工作主线,如图4-6所示。
 
在主程序下点击运行按钮后,在停机按钮之前,程序需要按照实现示教的顺序功能和逻辑功能实现整个码垛机器人生产线的自动化生产。
机器人语言提供机器人关节空间和操作空间中运动要求的描述方法,同时描述机器人作业空间内的集合对象。LabVIEW2014具有逻辑判断、条件分支、数值及数组运算、循环、子程序调用等一系列功能。实现主程序之前,对PCI运动控制卡、驱动器等相关参数、远程扩展模块(I/O)的初始化过程必不可少,只有其初始化以后,才能使得接下来的主要操作过程成功。
 
如图4-7所示图(a)是对运动控制卡的初始化,如图4-7所示图(b)是对驱动器初始参数进行设置,其中包含P2-00 C KPP)位置控制比例增益设置,其值增加时,能有效提升位置应答性并缩小位置控制误差值,但如果设定太大,容易引起震动和噪音。P2-02 C PFG)位置控制前馈增益设置,位置控制命令平滑变动时,增益值增加能够改善位置跟随误差量。如果位置控制命令不是平滑变动时,减小增益值可以有效降低机构的运转振动现象发生概率。P2-04 C KVP)速度控制增益设置,增加P2-04值,能够提升速度应答性。与此同时,如设定太大,容易产生震动及噪音。P2-07 ( KVF )速度前馈增益设置,速度控制命令平滑变动时,增益值增加能改善速度跟随误差量。如果速度控制命令不是平滑变动时,降低增益值亦可降低机构的运转振动现象。另外还有其它的大量参数设置,比如对伺服电机的负载惯量比与负载重量比的设置、追随误差补偿一额外时间设定、自动共振抑制模式设定、外部干扰抵抗增益设置、S形平滑曲线中的速度加减速常数设置等等。如图4-7所示图(c)是对远程扩展模块的参数初始化,通常是将输出点初始化,同时将一些全局变量初始化。
码垛机器人的主程序编写过程中,首先编写单个子程序,将码垛程序的基本功能用单个的子程序实现,然后使用函数调用的方式将各个子程序集成,合并为一个整体。其中,实现各个功能的协调运行而互不干扰至关重要。基于此,我们将机器人最重要的四种功能集于一体,分别是标定(轴坐标系下单轴运动)、点动(笛卡尔坐标系下多轴联合运动)、示教、运行。如图4-8所示。核心部分是调用的单个功能性程序。
 
标定:结合第三章对码垛机器人设计的基本参数,将码垛机器人的初始位置设置为一个较为简单的参数(以角度位置设置)。因为使用的电机中编码器是绝对型的,所以,只要保证编码器线中的电池电量足够,接头部分没有断线的情况下,断电以后重启,机器人能够自动记住其所在空间位置,不会出现增量型编码器断电重启需要重新校零(标定)的情况,方便操作,节约时间,保证重复定位精度。但是,出厂设置、断线或者拆除接头的情况不可避免,电池的寿命也是有限的,这就需要机器人程序中需要存在校零(标定)的功能,将其记录下来。结合轴动方式,我们将校零的功能设置在如图4-9所示的程序中。
点动:点动程序也是利用点与点之间的关系来编写的。将当前点和需要移动的相对路径的点的位置取出来,进行直线轨迹规划,生成插补点。然后将插补点的笛卡尔位置坐标通过逆解运算,转换成电机角度,最后,结合电机单圈脉冲数等参数的计算,通过驱动器以脉冲形式输入到电机中控制电机的转动。如图4-10所示是点动程序(笛卡尔坐标系)。
 
 
(3)仿真:仿真的目的是为了在实际运动之前,仿照运动点轨迹进行空间模拟运动,判断产生的运动轨迹点是否发生跳动、超速、超出操作空间等异常。首先读取路径规划后存储在文件中的数组。其数组均为关键点的数组,所以需要将其进行离散。分两种情况讨论,第一在选择了直线运动模式下,通过修正梯形运动规律(如图4-12所示),将关键点的位移、速度、加速度相对运动时间进行插补。然后将插补后的插补点的数组导出到相应的波形图和三维图中判断其是否连续,是否在操作空间内等信息。第二在选择了曲线模式下则进行角度轨迹规划。将各个电机的位置点转换成角度差,进行修正梯形插补,由于角度差不同,则数组大小不同,为保证机器人运转时更加协调,则增加空数组进行运动匹配。关于四个电机的插补点数组导出以后,进行转角超速检测等,并分别对数组进行波形图检测,如有数组跳变,则判定其轨迹规划失败。
 
(4)运动再现:运动再现目的是将前面的轨迹点通过机器人运动实现一次,借以判定其是否能满足运动条件。第一步通过运动控制卡内的底层函数读取驱动器内的当前编码,并通过运动学正解算出当前笛卡尔坐标系下的末端点位置。将当前点插入轨迹规划关键点第一个。然后通过修正梯形运动规律将关键点之间的线路进行离散,生成插补点数组,转换成脉冲数据以后,通过DMC_01 start_v3_multi_axes底层函数读取并利用驱动器发送脉冲给伺服电机,使码垛机器人各个电机分别运动,运动合成后会使得机器人末端按照预定轨迹直线或者曲线运动。
 
软件系统程序主界面如图4-11所示,其操作界面主要由五个区域组成。其中区域1为多界面综合区域,区域2为上电运行区域,区域3为机器人界面选择按钮,其作用为控制区域1的界面选择。区域4为机器人运行速度按钮,区域5为机器人产品规格选择区,区域1总共划分为6组选项卡界面,第一界面为参数设置区域:此界面可进行全部设置、工件总数设置、加速度设置、极限设置。第二界面为输入状态显示区域:此界面可以查看外部信号输入状态,指示灯亮起即表示该信号动作。第三界面为输出点动区域:在非自动运行状态,此界面可以直接手动控制现场气缸张合。第四界面为报警信息区域:此界面可以查看报警信号灯,指示灯亮起即表示该信号动作,可手动解除报警状态。第五界面为运行状态区域:此界面可以查看运行信号是否正常,指示灯亮起即表示该信号动作。第六界面为简单编程区域:此界面具有示教、标定、点动、校正放置点、暂停及循环暂停功能。

本章结合码垛机器人的工况要求,对码垛机器人运动控制系统的硬件需求进行分析,完成对控制系统的硬件组配。以硬件系统搭建的平台为基础,分析机器人运动流程,综合一般软件设计的需求分析,对码垛机器人的控制软件进行设计和编写。基于软硬件的设计。为后续的纸箱码垛生产线的完整设计奠定基础。
 
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