六轴工业机器人控制系统的设计与实现
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摘 要：随着工业机器人在工业领域的应用不断拓展，作为工业机器人核心组成部分的控制系统成为研究的热点。该文简要阐述了工业机器人的构造以及控制系统在工业机器人整体设计中的重要性，在现有工业机器人控制系统的基础上，探讨了六轴工业机器人控制系统的设计与实现，包括六轴工业机器人控制系统的硬件架构、关节伺服电机与驱动器以及工控机软件系统的设计等。
关键词：工业机器人 控制系统 六轴机器人 控制系统设计
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（c）-0078-03
Abstract： With the continuous expansion of industrial robot applications in the industrial field， the control system as the core component of industrial robot has become a hot research topic. This paper briefly expounds the construction of industrial robots and the importance of control systems in the overall design of industrial robots， and discusses the design and implementation of six-axis industrial robot control systems， including the hardware architecture of six-axis industrial robot control systems. Joint servo motors and drives， as well as the design of industrial control machine software systems.
Key Words： Industrial robot; Control system; Six-axis robot; Control system design
工業机器人是一种在工业领域应用广泛的自动操作装置，由于具备一些人体的功能特点，因此被称为工业机器人。工业机器人可以代替人类在各种危险、严苛的环境下进行高效作业，在某些方面甚至比人工作业更具可靠性与高效率。比如在深海、太空、危险化学环境及真空环境中等，工业机器人可以胜任很多人类所无法完成的工作。工业机器人的出现在很大程度上改变了工业领域的作业方式，在安全性、工作效率等方面具有特别的优势，因此受到世界各国广泛的重视。控制系统是工业机器人的核心，工业机器人的性能优劣在很大程度上取决于其控制系统的设计水平。该文基于当前工业机器人控制系统的研究现状，就六轴工业机器人控制系统的设计与实现进行一些探讨。
1 工业机器人的构造
工业机器人一般由机械本体、驱动装置及控制系统这3个部分组成，根据不同的功能需求，有些工业机器人还包括传感系统及视觉系统。机械本体是工业机器人的机械执行机构，主要由底座、臂、腕、关节以及末端执行器构成。末端执行器是工业机器人执行操作动作的装置，根据应用场合的不同及作业需要，可以在其上安装各类夹具、工具或传感器等。驱动装置用以为工业机器人的机械本体提供动力，目前常用的工业机器人驱动方式主要有3种，即电气传动、液压传动以及气压传动。相较于液压传动与气压传动，电气传动由于能源供给便利、效率更高以及更具灵活性，在当前工业机器人设计中被广泛采用。工业机器人的电气传动通常采用交流伺服驱动系统，一般由伺服电机、伺服驱动器以及减速器等部分组成[1]。
控制系统是工业机器人的核心，是工业机器人的“大脑”，工业机器人所要完成的各种动作、操作均需由控制系统来设计实现。工业机器人控制系统的功能与作用主要是进行机器人动作的轨迹规划、插补运算、运动学计算以及计算机器人各轴的位置、姿态等。同时，控制系统还负责接收并处理来自工业机器人传感器系统的信号数据，依据系统设定来完成指令输出，从而使机器人能够更加可靠、精确、高效地完成工作任务。工业机器人控制系统的硬件主要包括人机接口设备及运动控制器等。人机接口设备为工业机器人与操作者建立交互通道，可提供可视化界面;运动控制器则主要负责工业机器人机械本体各关节的位置变化及加减速的控制等。
2 六轴工业机器人控制系统的硬件架构
控制系统的硬件架构采用了两级计算机的架构形式，这种架构形式可以使工业机器人在完成复杂、精细的作业任务时，能够进行更为可靠、快速的任务规划和分解，并且可以并行完成不同的任务部分。采用工控机作为控制系统的顶层设计即上位机，其提供的成熟、可靠、丰富的接口在与下位机的连接上具有显著的优势，当需要更换下位机时只需要选择合适的接口连接即可。此外，工控机还可以提供较大的存储容量以及快速运算能力，在机器人轨迹规划处理、运动学正逆求解等方面处理起来也游刃有余。下位机采用DMC-2163运动控制卡作为控制系统，可以同时控制多达6个电机，具备多种接口类型实现与上位机、触摸屏等设备的连接通信;DMC-2163可靠性高、运算速度快，使用方便，控制卡中灌装的程序可独立于上位机运行。
六轴工业机器人控制系统，在工控机上所要实现的功能主要包括：一是同下位机（DMC-2163运动控制卡）及六轴交流伺服驱动器进行通信;二是轨迹规划、插补算法运行计算以及机器人运动学求解;三是接收工业机器人状态监控信号以及机器人各关节所对应编码器的位置信息，并根据获取的信息数据进行相应处理。下位机DMC-2163接收到工控机发出的控制指令后，会根据指令执行相应的程序并将执行信号发送到交流伺服驱动器，经相应信号处理后，交流伺服驱动器会将驱动指令发送给机器人各轴的伺服电机，驱动机器人各关节完成操作指令。与此同时，机器人各关节编码器的反馈信号会经过DMC-2163上传至工控机，用于在工控机上实现人机交互，实时地监控机器人的状态和显示数据[2]。 3 关节伺服电机和驱动器
工业机器人的关节驱动大多采用电气传动方式，伺服电机及驱动器是主要部件。日本松下的MINAS系列伺服电机和驱动器，具有转矩、位置、速度控制和组合控制等多种控制模式，在工业机器人伺服系统中一般采用位置控制工作模式。伺服电机配置有光电编码器与伺服驱动器接口连接，再通过运动控制卡实现与上位机的信号传递。工控机发送指令到运动控制卡，就可以通过与之相连的伺服驱动器获得电机转动的位置信号，从而形成整个控制系统的闭环运行[3]。
需要注意的是，工业机器人的伺服驱动系统，除伺服电机、伺服驱动器外，还包括减速器以及其他的外围电气部件。伺服电机与减速器由于直接带动机械本体的关节转动而安装在机械臂中，但驱动器的正常工作需要配套的外围电气部件，布置时还得考虑这些部件间的信息干扰等问题。因此，如何对伺服驱动系统进行合理的布局至关重要。通常可以将驱动器及其外围电气部件布置在独立的控制柜中，也可以根据需要将运动控制器也一并布置进去。
4 工控机软件设计
软件系统在工业机器人控制系统中具有至关重要的作用，在很大程度上决定着工业机器人整个系统的性能。基于Windows操作系统的成熟性、稳定性及可靠性，工控机的软件设计采用其作为软件系统的开发平台，集成开发环境则采用基于C++的Qt。
根据控制软件需求分析以及软件设计的模块化原则，六轴工业机器人控制系统的软件总体设计为：第一步，在上位机中安装Win7操作系统并部署Qt开发环境;第二步，建立一个新工程，并将DMC-2163控制卡的动态链接库、头文件和实现文件添加到新建的工程中;第三步，以QMainWindow为主类，使用QWidget类和QDialog类的派生类实现各个模块的功能，通过Qt的信号/槽机制、全局变量、事件管理、配置文件等实现各模块间的通信。
软件系统功能模块包括：指令程序管理、控制卡操作、机器人操作、轨迹规划、示教再现和系统设置。具体如图3所示。
5 结语
工业机器人的应用与研发是当前工业领域技术发展的前沿与热点，而作为工业机器人核心组成部分的控制系统，尤其是发展的重中之重。随着工业机器人应用范围的不断扩大，对其控制系统的可靠性、稳定性及准确性等性能要求也不断提高，一定程度上促进了工业机器人控制系统的研发进程。该文所述六轴工业机器人控制系统的设计与实现，是在已有研究成果之上的应用研究，相信随着技术的不断发展进步，工业机器人控制系统的设计将日趋完善，通用性、开放性及扩展性也将日益提高。
参考文献
[1] 李树民，邸韬，邸仕虎.模块化工业机器人运动控制系统研究与设计[J].中国建材科技，2019，28（2）：108.
[2] 吳德君.六轴工业机器人控制系统研究与设计[J].装备制造技术，2018（4）：23-25.
[3] 吴文俊，夏蕾，陈晓斌，等.一种小功率六自由度工业机器人控制系统硬件设计[J].科技与创新，2017（14）：139-140.
[4] 吕冬冬，郑松.工业机器人开放式控制系统研究综述[J].电气自动化，2017，39（1）：88-91.
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