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2024年1月24日发(作者:div随着拖动滚动条改变位置)

基于G代码的双工业机器人协调作业的网络控制 宋韬 基于G代码的双工业机器人协调作业的网络控制 Network Control Based on G—code for Coordinated Manipulation of DuaI l ndustriaI Robots 索 辐 (上海工程技术大学高等职业技术学院,上海200437) 摘要:在对双工业机器人协调作业网络控制进行研究的基础上,提出了基于TCP和UDP两种传输协议的客户端/服务器控制模式, 实现了不同类型指令和数据的有效传输。同时,研究了单工业机器人控制语言。通过对标准G代码进行扩展与重定义,提出了双工 业机器人的坐标定义、直线插补、圆弧插补、螺旋线插补及速度控制等指令,为双工业机器人协调的网络控制提供了一种新的语法,从 而解决了基于网络的双工业机器人的控制问题。 关键词:工业机器人控制系统TCP网络通信可靠性实时性 中图分类号:TP242.6 文献标志码:A Abstract:On the basis of researching the network control of coordinated manipulation for dual industrial robots。the client/server control mode based on TCP and UDP two kinds of transmission protocols is proposed for implementing effective transmission for diferent types of instructions and data.In addition,the control language for single industialr robot is studied,through expanding and redefining the standard G—code,the CO— ordinates definition of dual industrial robots,line interpolation,circular interpolation,spiral interpolation and speed control are proposed,this offers a new kind of grammar or fdual industialr robots coordinated network control to solve the control issue based on network control for dual in— dustrial robots. Keywords:Industialr robots Control system Transmission control protocal Network communication Reliability Real-time 0 引言 在现代工业生产中,通常采用双工业机器人进行 软件支持的G代码作为控制语言实现双工业机器人 的协调作业。该系统能够大大提高双工业机器人协调 作业控制的柔性与效率 。 协调作业。双工业机器人能够有效地提高机器人系统 的负载能力、作业空间、速度及可靠性。在实际应用 中,双机甚至多机的协调大多采用示教再现等在线编 程方式…,柔性差、效率低。这与我国当前制造业所追 1双工业机器人网络控制方案 受工业机器人控制器底层不开放的影响,机器人 控制器无法在物理层上对控制系统通信进行改动。除 两台工业机器人控制器之外,系统还增设一台计算机 作为服务器,将两台工业机器人控制器作为客户端,形 成客户杌/服务器模式(client/server)。控制系统通过 求的敏捷、快速和精度制造不相适应,且无法满足只提 供电子图纸而没有实物或模型的情况。因此,基于 CAD/CAM系统的图形交互式离线编程成为双工业机 器人控制的一个发展趋势。同时,双工业机器人协调 将任务合理分配到Client端和Server端来实现协调作 业,大大增强了协调作业的模块化 。双工业机器人 网络模式如图1所示。 作业也对系统联网通信能力提出了较高的要求。由于 以太网支持的网络协议范围较为广泛,具有高速、低 耗、易于安装和兼容性好等优点,故设想在通用的计算 机上进行双工业机器人协调作业的规划。工业机器人 控制器负责底层的运动控制,通过网络将计算机与两 台工业机器人连接起来,并采用绝大多数CAD/CAM 上海高校 警{上海著耋 年苎 曼 : d0 o40);、 工程技术大学高职学院攀g-计划基金资助项目(编号:GZ09—7)。 修改稿收到日期:2010—09—06。 图1 双工业机器人网络模式 ’ Fig.1 Network mode of dual industrial robots 获硕士学位: 主 机械电子工程系’ 助教;主要从事机器人技术方面的研究。菇硒 ,在进行网络通信有两种通信协议可供选择,分 1工J lJ l H旭I时,日 , H .J,l’l 旧 ’。 、 40 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 32 No.8 Au【gust 2011 

基于G代码的双工业机器人协调作业的网络控制 宋 韬 别是传输控制协议(transmission control・protocol,TCP) 与用户数据报协议(user datagram protocol,UDP),两者 状况良好。在网络协议的选择上,对于必须保证发向 机器人控制器的数据被接收到的情况,如:程序的执 都是TCP/IP参考模型中传输层的协议。TCP协议是 一种可靠的面向连接的协议,而UDP协议是一种不可 行、停止与继续等,服务器采用TCP协议进行传输。 对于数据发送与接收的实时性要求较高的情况,采用 UDP协议进行传输。这样既保证了数据的完整性,又 靠的无连接协议。使用TCP/UDP协议进行网络通信 示意图如图2所示。 机器人控制器 服务器端计算机 连接 连接 TCP,lP TCP,IP Socket() TCPConnect Blind() _-- -~ —’’ ~ ●- ’Listen() 发送/接收数据 以太网 ——、1 Accept() TCP Send [ ] TCP ~。 发送/接收数据 ----,~ ——~- Recv() Send() 断开连接 断开连接 TCP Close、 Soekelose() (a)使用TCP协议 机器人控制器 服务器端计算机 接收数据 发送数据 UDP RecvFtom UDP,IP UDP/IP Sendto() — [ 以太网 】 \ UDP SendT0/ ・Recv—From() (b)便用UDP协议 图2 网络通信示意图 Fig.2 Drawing of network communication 在TCP进行通信时,首先通过三步握手建立通信 双方的连接,然后进行通信。TCP协议提供了数据确 认和数据重传的机制,以保证数据的正确传输。 双工业机器人系统中数据的不同传输方式如表1 所示。 表1数据的不同传输方式 Tab.1 Different data transmission modes 对于UDP协议,控制系统使用该协议进行通信时 不需要建立连接,而是直接向一个IP地址发送数据。 由于没有数据确认与重传机制,所以不能保证数据的 正确传输,但是其实时性较高 J。 实际上,工业领域的应用一般都会为双工业机器 人系统组建独立的局域网,所以在该网络中通信负载 《自动化仪表》第32卷第8期2011年8月 能够保证整个网络系统数据的实时性。 2基于G代码的编程语言 2.1 G代码的优势 对于现有的绝大多数工业机器人而言,机器人编 程分为在线编程法和离线示教法两大方式。 在线编程法以直接示教再现为主。这种方式简单 易懂,不需要环境模型,通过对机器人示教,可以修正 机械结构的误差。该方法也存在编辑工作和利用传感 器困难、表达条件分支复杂以及资源积累性差等缺点。 尤其值得关注的是,以数值形式连续记录机器人动作 的顺序和条件的示教方式仅适合特定场合执行特定任 务的动作命令组合。 离线示教法不必实际驱动机器人,所生成的示教 数据不是以运动路径的顺序输入机器人,而是先在计 算机上建立机器人作业环境的模型,再在此模型的基 础上生成示教数据。大多数机器人都有各自的一套协 议规范,然而在双工业机器人领域还没有形成相应的 行业规范与标准,尤其是使用两种不同品牌的机器人。 在笛卡儿空间(c空间)中,数控加工广泛采用G 代码进行轨迹类编程,其通用性较好,也容易被工程人 员接受。G代码不仅能够描述空间上的运动轨迹,还 能对速度进行约束,其最大的优势在于世界上绝大多 数的CAD/CAM软件都支持G代码的输出,这在一定 程度上为以后通过CAD/CAM软件实现机器人的离线 编程提供了可行性。本文通过对标准G代码的重定 义,为双工业机器人协调的网络控制提供一种新的语 法。 2.2 G代码处理 G代码早在20世纪70年代就已经作为ISO标准 的编程语言而被广泛应用于各种数控类机床上。它将 工件的点、线、面信息提取为加工工具的运动路径,作 为数控机床编程语言G代码,这与机器人的运动控制 极为相似,但还是存在一定的差别。因此,需对现有的 G代码进行一定的转换和重定义。 2.2.1坐标定义指令 对于FS03N工业机器人,坐标系模式有各轴坐标 系、基础坐标系和工具坐标系三种模式。其中各轴坐 标系模式与工具坐标系模式是G代码所不支持的。 41 

基于G代码的双工业机器人协调作业的网络控制 宋韬 对于地板安装方式的FSO3N机器人来说,考虑将第 一轴作为参考主轴的情况,其遵循右手规则的坐标系定 G语言中使用G2/G3与TURN指令来实现螺旋 线的插补,并在螺旋线插补时叠加了两种运动,即平面 的圆弧运行与垂直于平面的轴的直线运行。在双工业 义与立式数控加工中心的坐标系定义完全一致。在这 种情况下,根据不同的安装方式,通过一定的齐次坐标 变换即可实现坐标转换 。通常情况下,考虑机器人在 c空间的安装情况,有四种面安装方式,分别用G54一 G59来表示。而在同一个面中,考虑到实际安装情况, 一机器人系统中进行螺旋线插补的方式同数控机床中保 持一致,其中一个机器人(从机器人)使用指令圆弧插 补(G38或G39)完成,另一个机器人(主机器人)使用 直线插补指令(G0或G1)完成,双工业机器人合作即 可完成螺旋线的插补。所以,在插补的过程中,应根据 般有六种安装方式,分别用G5x1一G5x4来表示。 双工业机器人安装坐标如图3所示。 式(1)来协调双工业机器人插补的轨迹 】。 2.2.5速度控制指令 G代码中使用F指令+数字表示轨迹速度,在公 制尺寸下,其单位一般为mrn/min或者mm/r。控制机 器人的运行速度有两种方式:①以百分比(0.01%~ 100%)指定的相对速度;②以绝对速度的方式通过使 用单位的方法(如inm/s、mm/min、deg/s和deg/min) 图3 双工业机器人安装坐标 Fig.3 Fixing coordinates of dual-industril robots a来制定。因此,对F指令进行重定义,如果单位被省 略,则默认为百分比;反之,则代表绝对速度。需要注 意的是,在如螺旋线插补指令这样的双工业机器人紧 协调的指令中,只能指定主机器人的速度,从机器人的 速度由运动分解得来,指定无效 。 由于主机器人夹持外螺纹部分做直线运动,从机 2.2.2直线插补指令 G代码中分别使用GO和G1来表示“快速直线插 补”与“带进给的直线插补”。在工业机器人的控制 中,可以用GO来表示当机器人由一点移至另一点的 整个过程中所有轴都保持同一进程的操作模式,即各 轴(关节)插补运动;使用G1来表示控制器对机器人 器人夹持内螺纹部分做旋转,则有: P=VT (2) (3) 运动的速度方向进行连续控制,使其沿特定直线运动, 实现直线插补。 2.2.3圆弧插补指令 在数控机床中,G代码描述圆弧插补的方式比较 多。使用G2与G3区分顺时针与逆时针的方向,可以 根据∞=2 ̄r/T,可得: =2 ̄rWP 式中:P为螺旋副的螺距;V为主机器人工具坐标原点 直线运动速度;T为从机器人绕工具坐标原点旋转 360。所用的时间;09为从机器人绕工具坐标原点旋转 的角速度。 对于主机器人工具坐标系原点在双工业机器人安 采用以下五种方式:①起点、圆心和终点;②起点、圆弧 半径和终点;③起点、张角和圆心;④起点、张角和终 点;⑤起点、极坐标和以极点为圆心的圆弧。在川崎机 器人系统中,使用C1MOVE、C2MOVE指令沿空间中三 点画圆弧。为此,定义G代码G38与G39分别对应 C1MOVE与C2MOVE,完成三点定义圆弧。对于第三 装坐标系中的速度来说,有: 。。 {【 M P =0 ,户 ± /360 对于从机器人的工具坐标系原点来说,有: (4) 点的求解问题,可以参照文献[2]中的方法。 2.2.4螺旋线插补指令 根据等螺距螺旋副的形成特点,在螺旋线上的点 A( ,Y, )可以描述为 : f - =一 si“ Jl  sP=y ro)cosO :(5)0 (1) 式中:r为螺旋线的半径;0为螺旋角;P为螺旋线的 螺距。 42 3试验 我们以FS03N业机器人为研究对象,进行拆装 (下转第46页) PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 32 No.8 August 2011 

紧急停车系统在FCCU反应再生过程中的应用 李 鸣。等 在快捷菜单中选择“插入新连接”,为CPU 315-2DP插 入一个连接类型为“ISO.on.TCP”的连接伙伴“CPU 315-2DP”,从而建立PLC之间的以太网连接。用同样 的方法建立PLC与监控级PC机的以太网连接。至此 网络组态完毕,保存并编译后将其下载到PLC中。然 后,打开WinCC,建立连接,设置相应的Application name和Connection name,这样就实现了PLC与上位机 的通信。 用[J].风机技术,2005(5):54—57. [2]刘英聚,张韩.催化裂化装置操作指南[M].北京:中国石化出 版社,2005. [3]马伯文.催化裂化装置技术问答[M].北京:中国石化出版社, 1993. [4]中国石油化工集团公司自动控制设计技术中心站.SHB—Z06— 1999石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则[s].北京: 中国石化集团公司,1999. [5]武英平,赵凤军.PLC在催化裂化装置主风机自保中的应用[J]. 化工自动化及仪表,2(102,29(3):59—62. 4结束语 本文通过对FCCU反应再生过程设备特点及安全 [6]朱锦智.炼油催化裂化主风机组控制系统原理及技术[J].自动 化仪表,2005,26(5):39—42. [7]吴颐轩,赵岩.紧急停车系统在催化裂化装置主风机组中的应 要求的研究,设计了一套可靠性高、安全性好、扩展方 便灵活的ESD系统 。 该系统可在紧急情况下对装置实现连锁保护,避 用[J].风机技术,2005(5):54—57. [8]高钦和.PLC应用开发案例精选[M].北京:人民邮电出版社, 2008:65—68. 免恶性事故发生和重大经济损失,对安全生产具有重 要的意义。 参考文献 [1]吴颐轩,赵岩.紧急停车系统在催化裂化装置主风机组中的应 [9]郑璇.催化裂化反应故障诊断系统的研究与开发[D].北京:北 京化工大学,2009. [10]秦仲雄.石油化工装置应用ESD浅见[J].石油化工自动化, 2002(6):14—19. (上接第42页) 程[J].机器人,2002,24(6):497—501. [3]栾楠,陈建平,言勇华.用G代码实现工业机器人网络控制[J]. 机器人,2003(Z1):697—701. 螺旋副协调作业,并编制了相应的软件,使用螺旋线插补 指令,通过网络通信控制两台工业机器人。两台工业机器 人的安装方式分别通过G541和G563来进行设置 。 [4]张友,栾楠,刘宝生.XML在机器人远程控制中的应用[J].计 算机应用研究,2005(8):155—157. 4结束语 双工业机器人的协调作业是机器人未来的发展方 向之一。从实际应用的角度出发,提出了基于TCP与 UDP的C/S模式双工业机器人网络控制方法。在对 标准G代码进行重定义与扩展的基础上,实现了简单 情况下的双工业机器人协调作业的离线编程,为双工 业机器人协调作业的编程提供了一种新的思路,这对 [5]栾楠,陈建平,言勇华.工业机器人网络控制与编程[J].组合机 床与自动化加工技术,2003(10):40—43. [6]陈婷婷,张彦铎.机器人足球仿真比赛平台中网络通信问题研 究[J].武汉工程大学学报:自然科学版,2009,31(3):70—73. [7]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].7版.北京:高等教育出版社, 2001:60—62. [8]宋韬.服务机器人多自由度双手协调机械系统的研制[D].上 海:上海大学,2009. [9]Luh J Y S,Zheng Y F.Constrained relations between two eoordina— ted industrial robots for motion control[J].Robotics Research, 1987,6(3):6O一7O. 提高双工业机器人协调作业编程的效率及其进一步发 展具有重要的意义。 参考文献 [1]日本机器人学会.机器人技术手册[M].北京:科学出版社, 20o7. [1O]Li x H,Tan S L,Huang W X.A household service orbot with two arms and multi—sensor in unstructured environments[C]//The 2nd International Congress on Image and Signal Processing,CISP’09, [2]刘为志,栾楠,刘宝生.基于G代码的工业机器人的自动编 1'l'',',l', ' ''l',l,',ll'll'll',l’,’ , ’ ’,'''Tianjin。2009:1—5. '’,,'' ','''●'',',l,',l●,,ll,l'',,'ll'',l',,' 行业信息 人民电器在上海召开新闻恳谈会 7月23日,人民电器在上海召开了以“十二五,人民更精彩”为主题的新闻恳谈会。人民电器董事长郑元 豹、总经理叶玉森以及来自业界的媒体记者出席了恳谈会。 人民电器集团始创于1996年。它以工业电器为核心产业,横跨船舶制造、基础能源、城市建设、现代物流、国 际贸易、金融投资、电子信息、水电开发等多元领域,其产品畅销全球50多个国家和地区。 46 PROCESS AUTOMATON INSTRUMENTATION VoL 32 No.8 August 2011 


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