基于运动控制卡的机器人智能切割系统

　　1 引言

　　工业机器人是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，特别适合于多品种、变批量的柔性生产设备。根据机器人的动作形态，一般可分为下面五类：圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人、直角坐标型机器人、关节型机器人、并联机器人。切割机器人属于直角坐标型的工业机器人，每种类型的切割机器人都对应着特定的加工材料和加工工艺，如国内开发的高压水切割机器人，型钢机器人切割系统等。对于玻璃等脆性材料，由于需要采用带有金刚石的刀具，这就要求刀头的角度必须始终与切割图形的轨迹保持正切，以具有最好的刀印和开片效果，正是基于这样的应用，我们开发了这样的机器人智能切割系统。该机器人模型示意图如图1所示：

图1

　　2 机器人硬件系统组成

　　控制系统采用三套交流伺服系统和一套气缸设备，实现机器人的四个自由度，由GALIL DMC-1842运动控制卡和工业PC驱动机器人系统。X和Y方向通过传动装置将旋转运动转换为直线运动，实现在笛卡儿坐标系下的定位和轨迹插补;切割头有两个自由度，一个是Z方向的刀头旋转运动(如图1所示)，切割时刀头方向始终和XY平面的轨迹保持正切，另一个自由度是刀头上的气缸连杆设备控制着抬刀和下刀。另外，采用一块ISA总线的IPC 5372-2 数字量输入卡检测机器人伺服报警状态，提高机器人的自诊断性。

　　2.1运动控制系统及结构框图：

　　机器人运动控制采用美国GALIL公司的PCI总线的DMC-1842运动控制卡[1]，该控制卡采用32位微处理器，可控制4轴，具有多轴直线插补、圆弧插补等功能，为了得到最佳控制效果，GALIL控制卡提供了含有速度、加速度前馈，Notch及低通滤波的PID滤波器补偿功能，所有滤波器参数均可调整，以求伺服系统获得最佳性能。机器人交流伺服驱动系统的工作模式设定为速度模式，以获得最佳的速度响应性能，在所有伺服参数中，速度指令电压幅值VCMS和速度环比例增益Kvp会串联到系统主回路中，对系统性能的影响最大，需要和控制卡的参数联合整定。机器人运动控制系统结构框图如图2所示。　　

　　图2：机器人控制系统结构框图

　　2.2机器人输入输出信号：

　　机器人输入信号包括：X、Y、Z各轴伺服报警状态(每轴四路报警输入线，共需采集12路信号);X、Y轴正反向限位开关输入信号;X、Y、Z各轴原点输入信号;两路TTL输入信号(切割头下探保护信号IN1，激光器搜索到切割物体信号IN2)。机器人输出信号是六路TTL输出信号(三路报警复位输出信号，以及润滑剂开关、定位杆开关、激光搜索器开关三路输出信号)。其中，X、Y轴正反向限位开关输入信号FLSX、RLSX、FLSY、RLSY和切割头下探保护信号IN1配置成中断信号，利用控制卡命令 EI[3]实现。刀头压力通过控制卡W轴的开环输出命令OF产生，可以精确产生+/-10V的模拟电压信号。