【摘 要】
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随着《中国制造2025》战略和“十四五”远景纲要规划的提出,传统制造业的智能化、数字化升级迫在眉睫。作为工业机器人技术的一大应用领域,喷涂行业是制造业的重要组成部分,具有小批量生产、个性化定制等行业特征。目前,诸如嵌入式板卡、PCI总线运动控制卡等传统喷涂机器人控制器开放性较差,存在硬件设备扩展能力不足、系统优化困难等问题。随着工业机器人在喷涂领域应用逐渐深入,传统机器人控制器越来越难以满足中小型
【基金项目】
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广东省科技计划项目“工业机器人智能控制器研发与产业化”,项目编号为 2016090911001
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随着《中国制造2025》战略和“十四五”远景纲要规划的提出,传统制造业的智能化、数字化升级迫在眉睫。作为工业机器人技术的一大应用领域,喷涂行业是制造业的重要组成部分,具有小批量生产、个性化定制等行业特征。目前,诸如嵌入式板卡、PCI总线运动控制卡等传统喷涂机器人控制器开放性较差,存在硬件设备扩展能力不足、系统优化困难等问题。随着工业机器人在喷涂领域应用逐渐深入,传统机器人控制器越来越难以满足中小型企业所需要面对的复杂多变的喷涂生产需求。针对上述问题,本文结合市场实际需求分析和国内外喷涂机器人研究现状,提出三种基于Ether CAT总线的喷涂机器人控制系统总体设计方案,并进行对比分析及方案选取。重点阐述控制系统的硬件设计、软件设计以及针对喷涂机器人应用难点的设计和研究。该方案采用Ig H协议栈进行底层Ether CAT主站驱动,基于Linux系统与Xenomai实时内核进行控制系统的软件开发,使其具有良好的实时性能和控制性能。首先,在喷涂机器人控制系统功能设计的基础上,选择基于通用PC机的硬件设计方案,并进行具体的硬件选型。其次,综合自主性、经济性等考量选择Linux系统作为控制系统底层运行环境以及Xenomai实时系统扩展方案,并进行控制系统软件总体框架设计。根据任务的实时性将其划分为上层非实时进程和底层实时进程两个部分,两者之间通过跨域进程间通讯以完成信息交互。再次,基于Xenomai2.6.5构建实时内核,并从BIOS设置、GRUB引导等软件层面进行针对性的实时性能优化。从上层非实时进程、跨域进程间通讯以及底层实时进程这三个方面阐述控制系统的详细设计,完成控制系统软件层面主要功能的开发。针对喷涂机器人拖动示教柔顺性差等问题,提出一种基于零力控制理论的力矩补偿算法,该算法无需多维力传感器,可以有效减小拖动示教过程所需要的牵引力,进而提高示教位姿在复现中的运动平稳性。针对机器人本体与工件坯料易发生碰撞的问题,提出一种基于BP神经网络算法模型的碰撞预警方案。给出了该方案中神经网络的构建方法及训练过程,并使用测试数据集进行该方案的有效性分析。最后,进行伺服驱动等Ether CAT从站模块的选型,并于喷涂生产现场中搭建了实验测试平台,从Ether CAT系统性能和机器人自动喷涂加工质量两个方面进行系统性的测试,以验证其量产的可行性。测试结果表明,该喷涂机器人控制系统稳定可靠,加工质量满足企业生产需求。目前,该系统已成功应用于实际的生产线中。
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