摘 要：本文介紹了一種工業(yè)取料機(jī)械手的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略，以及依據(jù)這種控制策略實(shí)現(xiàn)的上下位機(jī)之間的二次示教機(jī)制，這種控制策略提高了上下位機(jī)之間通訊的實(shí)時(shí)性，避免了因通訊干擾而可能給系統(tǒng)帶來的種種故障，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；二次示教；控制系統(tǒng)；集散控制 1 引言 　　隨著加工行業(yè)在我國的迅速發(fā)展，各行各業(yè)的自動(dòng)化裝備水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成或危險(xiǎn)的工作。 　　目前在我國機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中用于從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個(gè)生產(chǎn)工序;機(jī)械加工行業(yè)中用于取料、送料;澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對象，針對本文作者參與的工業(yè)取料用直角坐標(biāo)機(jī)械手控制系統(tǒng)控制策略及二次示教方法進(jìn)行了研究。 　　目前市場上常見的工業(yè)取料直角坐標(biāo)機(jī)械手主運(yùn)動(dòng)臂的控制方式主要采用液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)。這種控制策略的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)易于控制，但缺點(diǎn)在于，系統(tǒng)定位靠設(shè)定接近開關(guān)的位置來實(shí)現(xiàn)，而一但用戶要求改變?nèi)×瞎ぷ黝愋?，必須重新調(diào)節(jié)各液壓或氣壓缸的定位開關(guān)，以適應(yīng)新的工作任務(wù)，這樣就不利于生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。 　　本文作者參與設(shè)計(jì)的工業(yè)取料用直角坐標(biāo)機(jī)械手，主運(yùn)動(dòng)采用全電動(dòng)控制方式，系統(tǒng)以交流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，專用交流電機(jī)伺服控制器為下位機(jī)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，系統(tǒng)整體采用集散控制的控制策略。這種設(shè)計(jì)方案控制系統(tǒng)精度高，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，易于用戶操作，具有較好的市場前景。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略 　　工業(yè)取料機(jī)械手的工作方式是按“示教/再現(xiàn)機(jī)器人”的概念來完成的，即由人用示教器對機(jī)械手的工作行為示教，示教過程中記錄機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)起始點(diǎn)位置，并在生產(chǎn)過程中按用戶設(shè)定的運(yùn)動(dòng)速度、加速度重復(fù)這一動(dòng)作過程。 　　根據(jù)以上分析，我們設(shè)計(jì)出了一類主運(yùn)動(dòng)為全電動(dòng)的工業(yè)取料機(jī)械手。機(jī)械手控制系統(tǒng)采用集散控制結(jié)構(gòu)，即由一臺(tái)上位機(jī)控制五臺(tái)下位伺服控制器，每臺(tái)下位伺服控制器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)交流異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作。 　　本系統(tǒng)上位機(jī)選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，下位伺服控制器采用交流異步電動(dòng)機(jī)專用伺服控制器。上位計(jì)算機(jī)完成兩個(gè)功能，一是提供人機(jī)接口，便于用戶進(jìn)行操作，二是通過串行口，按RS-485協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)承擔(dān)對下位伺服控制器的控制。下位機(jī)接受上位機(jī)發(fā)出的指令語言，按指令要求控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)下位伺服控制器還通過交流電機(jī)上的碼盤檢測異步電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并反饋給下位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)下位控制器對電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。 [align=center] 圖1 機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　交流異步電機(jī)伺服控制器是一類專門用于控制交流異步電機(jī)的設(shè)備。伺服控制器配有RS-485接口和I/O口，用于與上位機(jī)通訊。通過使用伺服控制器的專用語言，我們設(shè)計(jì)了運(yùn)行于伺服控制器上的程序。下位伺服控制器在上電后自動(dòng)執(zhí)行存儲(chǔ)于控制器中的這段程序。它的主要功能是接受上位計(jì)算機(jī)下傳的指令，按上位計(jì)算機(jī)的要求對電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制。對于電機(jī)運(yùn)動(dòng)的具體實(shí)時(shí)控制則由下位伺服控制器的內(nèi)部控制算法實(shí)現(xiàn)。 3 二次示教 　　機(jī)械手采用集散控制結(jié)構(gòu)，所以在控制系統(tǒng)中上下位機(jī)間實(shí)現(xiàn)信息傳遞的控制網(wǎng)絡(luò)成為系統(tǒng)控制的一個(gè)關(guān)鍵因素，交流電動(dòng)機(jī)伺服控制器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)都有一個(gè) RS-485口，所以我們在設(shè)計(jì)上選用了上下位機(jī)的RS-485串行口做為它們之間通訊的途徑。 　　在工業(yè)現(xiàn)場中上下位機(jī)不亦頻繁進(jìn)行RS-485方式通訊，因?yàn)镽S-485通訊方式在有干擾的環(huán)境下信號(hào)容易受干擾而導(dǎo)致通訊失敗，盡管我們在通訊程序上設(shè)計(jì)了容錯(cuò)功能，但這種失敗以及RS-485本身通訊時(shí)所占用的時(shí)間，會(huì)大大降低系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性。 　　基于這一問題我們采用了二次示教的控制策略，下面簡介這一策略的實(shí)現(xiàn)方法。在示教階段，上位計(jì)算機(jī)記錄用戶需要的工作流程，即各自由度的運(yùn)動(dòng)順序，以及每一個(gè)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)距離、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度，并形成一個(gè)示教數(shù)據(jù)隊(duì)列，這一示教數(shù)據(jù)隊(duì)列記錄了機(jī)械手工作所需要的完整信息，即完成了由人對系統(tǒng)的一次示教。 　　圖2示例了一個(gè)示教過程的數(shù)據(jù)隊(duì)列，其中A、B、C、D分別代表下位設(shè)備，各方框結(jié)點(diǎn)中各設(shè)備名后序號(hào)表示該結(jié)點(diǎn)在一個(gè)流程中啟動(dòng)該設(shè)備的序號(hào)。如“B2”中，“B”表示該結(jié)點(diǎn)記錄的是下位設(shè)備“B”的信息，“2”表示該結(jié)點(diǎn)中裝的是“B”設(shè)備在一個(gè)工作流程中第二次被啟動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)信息，注意同一設(shè)備位于不同次序的數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容往往是不一樣的。 [align=center] 圖2[/align] 　　在機(jī)械手啟動(dòng)自動(dòng)工作，并實(shí)現(xiàn)第一次自動(dòng)工作循環(huán)中，上位計(jì)算機(jī)會(huì)向當(dāng)前應(yīng)運(yùn)動(dòng)的自由度相應(yīng)控制器發(fā)送相關(guān)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息，即運(yùn)動(dòng)位移，運(yùn)動(dòng)速度，運(yùn)動(dòng)加速度，這時(shí)下位控制器會(huì)將這些數(shù)據(jù)保存至自己的存儲(chǔ)器內(nèi)，以形成數(shù)據(jù)記錄，緊接著上位計(jì)算機(jī)啟動(dòng)相關(guān)下位控制器的I/O，以通知下位控制器開始動(dòng)作，這時(shí)下位控制器完成的動(dòng)作就是按這個(gè)新保存的信息完成的，動(dòng)作完成后下位控制器通知上位計(jì)算機(jī)，上位計(jì)算機(jī)接到控制信息后，繼續(xù)通知下一個(gè)需要?jiǎng)幼鞯目刂破?。一個(gè)工作流程完成后，各控制器已按工作流程中自已的動(dòng)作，按順序形成了自己的數(shù)據(jù)記錄，并存入了自己的存儲(chǔ)器。這些記錄中記錄了每一個(gè)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度，運(yùn)動(dòng)距離，運(yùn)動(dòng)加速度，這樣即完成了由上位計(jì)算機(jī)對下位控制器的二次示教。 　　這時(shí)數(shù)據(jù)隊(duì)列變成圖3，圖中所示狀態(tài)為一個(gè)工作流程初始工作狀態(tài)。 [align=center] 圖3[/align] 　　這樣每一個(gè)控制器就知道一個(gè)工作流程中，當(dāng)上位計(jì)算機(jī)通知自己工作時(shí)，每一個(gè)動(dòng)作的信息，同時(shí)也知道自已在一個(gè)工作流程中，被通知?jiǎng)幼骱?，各?dòng)作的先后順序。但每一個(gè)控制器對于自己的動(dòng)作在整體工作流程中的順序是不做記錄的，這一順序由主控制器來協(xié)調(diào)。經(jīng)過二次示教，就把一個(gè)工作流程的所有信息進(jìn)行了分解，即由上位計(jì)算機(jī)記錄整體的工作順序，由下位控制器記錄自己的內(nèi)部工作順序及工作細(xì)節(jié)。 　　在隨后的工作流程中，上位控制器只向應(yīng)動(dòng)作的控制器發(fā)出控制I/O，而不再發(fā)送具體的控制細(xì)節(jié)信息，因?yàn)檫@些細(xì)節(jié)信息已在第一個(gè)工作流程中按順序在下位控制器中形成了數(shù)據(jù)記錄。下位控制器根據(jù)上位計(jì)算機(jī)的I/O按順序調(diào)出這些數(shù)據(jù)記錄來完成動(dòng)作。圖4示例了當(dāng)上位數(shù)據(jù)隊(duì)列工作到B3時(shí)，上圖的變化。 [align=center] 圖4[/align] 　　通過二次示教，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，避免了因通訊受干擾而給系統(tǒng)帶來的諸多故障，系統(tǒng)的整體性能得到了很大的提高。