6基于工业PC 的取料机械手控制系统
基于工业PC 的取料机械手控制系统
Control System of Part Delivery Manipulator Based on IPC
何勰绯（广州工程技术职业学院信息工程系，广东广州510900）
摘要
根据四自由度取料机械手的结构和工作要求，开发了一种基于工业PC 的取料机械手控制系统。介绍了系统的总体方案和的硬件构成，并给出了控制系统的软件设计方案。结果表明，机械手能快速准确的完成从仓储位置取料任务。
关键词：工业PC ，机械手，实时
Abstract
According to the features of manipulators of 4DOF in the material－takingsystem,this paper introduces a control sys-tem of manipulator based on IPC．Thedesign of system structure and the hardware constitution are presented．Thesoftware of control system is completed according to the demand of design．
Keywords :industrial
PC,manipulator,real－time传统的机器人制造商在机械手产品中使用专用控制装置，沿用他们专有的控制体系结构，造成机械手设备开放性差，升级、扩展和维护困难。
本文对一种从矩阵式储仓中取料作业的4自由度机械手控制系统进行了研究。采用“工业PC＋DSP运动控制器”的开放式通用运动控制体系结构，搭建控制平台，以工业PC 作为控制主体。这种体系结构充分利用开放体系结构的PC 硬件平台和标准化的Windows 操作系统环境，及时吸收PC 技术的最新硬、软件发展成果，缩短产品的研制周期，提高机械手控制系统的灵活性和通用性。
负系统资源的分配、任务的调度、人机交互、与下位机通讯、显示机械手动作过程中的数据。运动控制器作为下位机则负责实时性强的任务，如位置伺服控制，开关量控制，机械手各运动轴状态监测和插补运算等。这种层次结构，既
图2
控制系统总体方案设计框图
1机械手结构和工作要求
生产线中该取料机械手负责从仓储位置准确地抓取工件，
能充分利用工业PC 的性能和多任务处理能力，又确保了运动控制指令在运动控制器内高速、实时地被执行。
快速地搬运工件到指定工位上或传输带上。根据功能要求，取料机械手由运动机构、拾取机构组成。它须具备4个自由度，分别是：机械手在横轴（X 轴) 、纵轴（Y 轴）运动、机械手臂的关节作旋转运动以及机械手臂作前向伸缩动作。
其工作过程是：当生产任务决定需要某一种工件时，向计算机发出取料任务；计算机控制机械手对立体矩阵式储仓进行搜寻定位，机械手伸出拾取机构抓取工件，然后机械手臂向下旋转一定角度，快速移到传输带或指定工位上；拾取机构松开工件；最后机械手迅速回到原位待命。
图1
机械手的工作流程图
2．2硬件的组成
系统的硬件部分主要由工业PC 、GT400SG 多轴运动控制器、伺服电机驱动器及执行元件（即三台交流伺服电机、一个线性气缸、具四自由度的取料机械手本体）组成。机械手X 轴、Y 轴运动和关节旋转运动均由交流伺服电机驱动，前向伸缩动作由线性气缸驱动。GT400SG 运动控制器以模拟电压输出控制三个伺服运动轴，以I ／O 输出控制线性气缸。控制系统硬件选型的出发点是：按照系统总体方案和运动控制系统标准化、模块化的原则，在满足精度要求的前提下，考虑工作过程的稳定性和可靠性。
工业PC （Industrial PC ）是本控制系统的核心部件，它的品质直接影响整个系统的可靠性和工作过程的稳定性。按照性能要求并考虑经济性，选用了研祥公司的普通箱式工业控制计算机IPC－880。其基本配置为：IPC－880型14槽上架型机箱，
机械手的工作流程如图1所示。
IPC－6114P4底板、IPC－1612VN型主板、Intel Pentium CPU 、主频850MHz 、内存256M 、硬盘30G 。
运动控制器完成对一个或多个伺服电机的运动控制。它输出模拟电压控制信号，经过驱动器控制伺服电机转动；输出I ／O 信号，控制线性气缸。本系统要求四坐标轴联动，选用固高科技的
2系统的硬件设计
2．1控制系统总体方案设计
具4自由度的机械手控制系统是一个多轴实时运动控制系统。传统的机械手控制系统采用的是专用的计算机加多单片机－
多控制回路的封闭式体系结构，专用的硬件和软件。这种结构存在制造和使用成本高、开发周期长，升级和维护困难的缺点。本文通过对取料机械手控制系统需求进行详细分析，采用“工业
GT400SG 运动控制器。它可以同步控制四个运动轴，实现复杂的多轴协调运动。其核心由ADSP2181数字信号处理器和FPGA 组成。它适用于伺服电机、步机电机等多种控制场合。GT 运动控制器以PC 机为主机，提供PCI 总线接口。PC 机通过PCI 接口与
运动控制器交换信息。包括向运动控制器发出运动控制指令，采集运动控制器当前状态和各运动轴状态。运动控制器完成实时轨迹规划、输出控制、主机命令处理。因此，采用GT400SG 可以很好地完成实时性强的多轴运动控制。GT400SG 提供了开放的函
PC－运动控制器－驱动器－执行元件”的开放式体系结构。控制系统总体方案设计框图见图2。此种控制方案具有系统结构简
单、成本较低、应用范围广、开放性、可扩展性等优点。
工业PC 作为上位机，是整个控制系统的任务处理中心，担
《工业控制计算机》2009年22卷第7期
数库，可供用户在Windows 平台下自行开发运动控制系统。
的优先级，当高优先级的线程执行时，即实时性要求高的任务需要执行时，可以自动地停止其他线程的工作转而执行这一线程。通过这种多任务调度机制，可以实现取料机械手控制系统所要求的实时性。
人机界面模块通
图4
控制软件基本功能模块图
7
X 轴和Y 轴运动均可看成一个直线系统，由交流伺服电机、
滚珠导轨、同步齿形带等组成。手臂旋转关节则由交流伺服电机和谐波减速器组成。交流伺服电机运转平稳，输出力矩恒定，过载能力强，加速性能好，可以取得很高的控制精度。取料机械手的三个运动轴均选用松下Panasonic MINAS 小惯量交流伺服电机，与电机匹配的交流伺服驱动器选用松下MSDA023A1A 型驱动器。电机轴配有11线标准2500线增量式光电编码器，运动控制器内部采用了4倍频技术，其脉冲当量为360°／（2500
*4）＝0．036°，控制精度远高于步进电机。2．3位置伺服控制的实现
位置控制是机械手控制系统的重要组成部分，它是保证关节位置精度的重要环节。本系统的位置控制方案是由伺服驱动器实现力矩和速度闭环，由运动控制器实现位置闭环。工业PC 下达控制轴目标任务到运动控制器，运动控制器读取到电机轴上光电编码器的实际位置信号，通过轨迹规划器生成电机的参考运动轨迹，参考轨迹通过数字滤波器后得到电机的控制信号，控制信号经过PWM 调制后送入电机驱动器放大，最后驱动电机运动，如图3所示。
过鼠标和键盘接受用户的指令，主要功能为处理用户的输入和响应用户产生的事件和消息，按用户输入的任务生成本次具体取料任务，并为其它模块提供菜单、对话框和显示窗口。
运动控制模块的功能是：将本次取料任务分解为多条机械手动作指令，形成动作指令队列。每处理一条动作指令，都调用运动控制器的函数，进行机械手各轴的位置控制。负责向缓冲区输入运动控制命令、清空缓冲区和打开关闭缓冲区等操作。
运动轨迹显示模块将机械手的轨迹实时显示出来，可实时显示X 轴、Y 轴、旋转轴的坐标以及线性气缸的I ／O 状态。这样可使操作人员直观看到三轴的实际坐标变化。
参数设置模块用于设置机械手的尺寸参数、运动控制参数，比如各轴的最大速度，最大加速度，正负限位位置等。
各轴状态监控模块负责调用运动控制器DLL 中对应函数，实时查询机械手每个轴的当前位置和运动完成标志位。当查询
图3位置伺服控制的策略
到每个轴运动都完成，立即与运动控制模块通讯，告知对方该条动作指令完成，可处理下一条动作指令。
紧急控制模块处理一些需要机械手立即做出反应的事件，如机械手的急停、回零等。
（1）
采用的数字滤波器类型是PID 滤波器，外加速度和加速度前馈，即PID＋Kvff ＋Kaff 滤波器。通过调节各参数，该滤波器能对大多数伺服系统实现精确而稳定的控制，其控制律为：
U n ＝Kp E i ＋Ki ∑E i ＋Kd （E i －Ei－1）＋Kvff V i ＋Kaff a i
4结束语
本文采用工业PC 和运动控制器相结合的控制方案构建了
式中，E i 、U n 分别是第i 个伺服周期的电机位置跟踪误差和伺服滤波器输出的控制量，V i 是当前的目标速度，a i 是当前的目标加速度，K p 、K i 、K d 分别是PID 控制器的比例系数，积分系数和微分系数。K vff 、K aff 为速度前馈增益和加速度前馈增益。采用PID 加前馈的复合控制器可以使电机以零稳态误差跟踪输入参考信号，而且在机电控制系统中目标速度和目标加速度一般是设定好的或者已知的，因而复合控制在各种机电控制系统中有着广泛的应用。
取料机械手控制系统。下级运动控制器实现对机械手各轴的位置伺服控制和多轴协调控制，上级工业PC 负责整个系统的多任务处理、作业任务规划和人机界面。这种层次结构将工业PC 的信息处理能力和运动控制器的实时控制能力有机地结合在一起，极大地提高了系统的效率，满足了机械手控制的实时性要求。本控制系统已经投入生产，运行结果表明，机械手取料作业过程中运行平稳，及时响应用户操作。
参考文献
［1］高钟毓．机电控制工程［M ］．北京：清华大学出版社，2002
［2］丛爽，李泽湘．实用运动控制技术［M ］．北京：电子工业出版社，2006［3］胡鹏，方康玲，刘晓玉．基于PMAC 的开放式机器人控制系统［J ］．微
计算机信息，2006（4）：171－173
［4］曹世奇，李占贤．基于MCX314As 的喷釉机械手控制系统设计［J ］．
工业控制计算机，2007（11）：62－63
［5］万俊君，戴先中．开放式机器人控制系统设计和实现［J ］．现代电子技
术，2004（15）：57－59
［6］赵军．基于IPC 的数控系统开发实例［J ］．机械工程与自动化，2008
（5）：134－136
［7］李绍炎，钟健．一种用于高速自动取料机械手的气动缓冲回路设计
［J ］．装备制造技术，2008（2）：5－7
［收稿日期：2009．3．20
］
3控制软件设计
系统控制软件运行于上位机工业PC ，使用Windows 操作
系统，采用VC＋＋6．0编译工具开发。控制软件向用户提供了友好的人机界面，接收用户下达的取料任务。根据具体的取料任务生成一系列运动控制指令，发送至下位机GT400SG 运动控制器，同时查询下位机的执行结果，监控机械手各轴的运动状态。上位机通过调用动态连接库GT400．dll与下位机通讯。
机械手的控制系统是一个多任务的实时控制系统，控制软件需要完成的任务较多，程序需并行展开多个工作任务。我们采用模块化的工程思想进行设计，将软件划分为几个模块，每个模块完成不同的工作任务。控制软件中设置了人机界面模块、运动控制模块、运动轨迹显示模块、参数设置模块、各轴状态监控模块和紧急控制模块，如图4所示。多任务操作模块是控制系统的管理模块，它利用Windows 操作系统的多任务、抢占式的特点，对系统中各模块进行统一管理，对系统中各任务进行统一调度。它将各个模块中的任务分给不同的线程，并赋予各个线程不同
6基于工业PC 的取料机械手控制系统
基于工业PC 的取料机械手控制系统
Control System of Part Delivery Manipulator Based on IPC
何勰绯（广州工程技术职业学院信息工程系，广东广州510900）
摘要
根据四自由度取料机械手的结构和工作要求，开发了一种基于工业PC 的取料机械手控制系统。介绍了系统的总体方案和的硬件构成，并给出了控制系统的软件设计方案。结果表明，机械手能快速准确的完成从仓储位置取料任务。
关键词：工业PC ，机械手，实时
Abstract
According to the features of manipulators of 4DOF in the material－takingsystem,this paper introduces a control sys-tem of manipulator based on IPC．Thedesign of system structure and the hardware constitution are presented．Thesoftware of control system is completed according to the demand of design．
Keywords :industrial
PC,manipulator,real－time传统的机器人制造商在机械手产品中使用专用控制装置，沿用他们专有的控制体系结构，造成机械手设备开放性差，升级、扩展和维护困难。
本文对一种从矩阵式储仓中取料作业的4自由度机械手控制系统进行了研究。采用“工业PC＋DSP运动控制器”的开放式通用运动控制体系结构，搭建控制平台，以工业PC 作为控制主体。这种体系结构充分利用开放体系结构的PC 硬件平台和标准化的Windows 操作系统环境，及时吸收PC 技术的最新硬、软件发展成果，缩短产品的研制周期，提高机械手控制系统的灵活性和通用性。
负系统资源的分配、任务的调度、人机交互、与下位机通讯、显示机械手动作过程中的数据。运动控制器作为下位机则负责实时性强的任务，如位置伺服控制，开关量控制，机械手各运动轴状态监测和插补运算等。这种层次结构，既
图2
控制系统总体方案设计框图
1机械手结构和工作要求
生产线中该取料机械手负责从仓储位置准确地抓取工件，
能充分利用工业PC 的性能和多任务处理能力，又确保了运动控制指令在运动控制器内高速、实时地被执行。
快速地搬运工件到指定工位上或传输带上。根据功能要求，取料机械手由运动机构、拾取机构组成。它须具备4个自由度，分别是：机械手在横轴（X 轴) 、纵轴（Y 轴）运动、机械手臂的关节作旋转运动以及机械手臂作前向伸缩动作。
其工作过程是：当生产任务决定需要某一种工件时，向计算机发出取料任务；计算机控制机械手对立体矩阵式储仓进行搜寻定位，机械手伸出拾取机构抓取工件，然后机械手臂向下旋转一定角度，快速移到传输带或指定工位上；拾取机构松开工件；最后机械手迅速回到原位待命。
图1
机械手的工作流程图
2．2硬件的组成
系统的硬件部分主要由工业PC 、GT400SG 多轴运动控制器、伺服电机驱动器及执行元件（即三台交流伺服电机、一个线性气缸、具四自由度的取料机械手本体）组成。机械手X 轴、Y 轴运动和关节旋转运动均由交流伺服电机驱动，前向伸缩动作由线性气缸驱动。GT400SG 运动控制器以模拟电压输出控制三个伺服运动轴，以I ／O 输出控制线性气缸。控制系统硬件选型的出发点是：按照系统总体方案和运动控制系统标准化、模块化的原则，在满足精度要求的前提下，考虑工作过程的稳定性和可靠性。
工业PC （Industrial PC ）是本控制系统的核心部件，它的品质直接影响整个系统的可靠性和工作过程的稳定性。按照性能要求并考虑经济性，选用了研祥公司的普通箱式工业控制计算机IPC－880。其基本配置为：IPC－880型14槽上架型机箱，
机械手的工作流程如图1所示。
IPC－6114P4底板、IPC－1612VN型主板、Intel Pentium CPU 、主频850MHz 、内存256M 、硬盘30G 。
运动控制器完成对一个或多个伺服电机的运动控制。它输出模拟电压控制信号，经过驱动器控制伺服电机转动；输出I ／O 信号，控制线性气缸。本系统要求四坐标轴联动，选用固高科技的
2系统的硬件设计
2．1控制系统总体方案设计
具4自由度的机械手控制系统是一个多轴实时运动控制系统。传统的机械手控制系统采用的是专用的计算机加多单片机－
多控制回路的封闭式体系结构，专用的硬件和软件。这种结构存在制造和使用成本高、开发周期长，升级和维护困难的缺点。本文通过对取料机械手控制系统需求进行详细分析，采用“工业
GT400SG 运动控制器。它可以同步控制四个运动轴，实现复杂的多轴协调运动。其核心由ADSP2181数字信号处理器和FPGA 组成。它适用于伺服电机、步机电机等多种控制场合。GT 运动控制器以PC 机为主机，提供PCI 总线接口。PC 机通过PCI 接口与
运动控制器交换信息。包括向运动控制器发出运动控制指令，采集运动控制器当前状态和各运动轴状态。运动控制器完成实时轨迹规划、输出控制、主机命令处理。因此，采用GT400SG 可以很好地完成实时性强的多轴运动控制。GT400SG 提供了开放的函
PC－运动控制器－驱动器－执行元件”的开放式体系结构。控制系统总体方案设计框图见图2。此种控制方案具有系统结构简
单、成本较低、应用范围广、开放性、可扩展性等优点。
工业PC 作为上位机，是整个控制系统的任务处理中心，担
《工业控制计算机》2009年22卷第7期
数库，可供用户在Windows 平台下自行开发运动控制系统。
的优先级，当高优先级的线程执行时，即实时性要求高的任务需要执行时，可以自动地停止其他线程的工作转而执行这一线程。通过这种多任务调度机制，可以实现取料机械手控制系统所要求的实时性。
人机界面模块通
图4
控制软件基本功能模块图
7
X 轴和Y 轴运动均可看成一个直线系统，由交流伺服电机、
滚珠导轨、同步齿形带等组成。手臂旋转关节则由交流伺服电机和谐波减速器组成。交流伺服电机运转平稳，输出力矩恒定，过载能力强，加速性能好，可以取得很高的控制精度。取料机械手的三个运动轴均选用松下Panasonic MINAS 小惯量交流伺服电机，与电机匹配的交流伺服驱动器选用松下MSDA023A1A 型驱动器。电机轴配有11线标准2500线增量式光电编码器，运动控制器内部采用了4倍频技术，其脉冲当量为360°／（2500
*4）＝0．036°，控制精度远高于步进电机。2．3位置伺服控制的实现
位置控制是机械手控制系统的重要组成部分，它是保证关节位置精度的重要环节。本系统的位置控制方案是由伺服驱动器实现力矩和速度闭环，由运动控制器实现位置闭环。工业PC 下达控制轴目标任务到运动控制器，运动控制器读取到电机轴上光电编码器的实际位置信号，通过轨迹规划器生成电机的参考运动轨迹，参考轨迹通过数字滤波器后得到电机的控制信号，控制信号经过PWM 调制后送入电机驱动器放大，最后驱动电机运动，如图3所示。
过鼠标和键盘接受用户的指令，主要功能为处理用户的输入和响应用户产生的事件和消息，按用户输入的任务生成本次具体取料任务，并为其它模块提供菜单、对话框和显示窗口。
运动控制模块的功能是：将本次取料任务分解为多条机械手动作指令，形成动作指令队列。每处理一条动作指令，都调用运动控制器的函数，进行机械手各轴的位置控制。负责向缓冲区输入运动控制命令、清空缓冲区和打开关闭缓冲区等操作。
运动轨迹显示模块将机械手的轨迹实时显示出来，可实时显示X 轴、Y 轴、旋转轴的坐标以及线性气缸的I ／O 状态。这样可使操作人员直观看到三轴的实际坐标变化。
参数设置模块用于设置机械手的尺寸参数、运动控制参数，比如各轴的最大速度，最大加速度，正负限位位置等。
各轴状态监控模块负责调用运动控制器DLL 中对应函数，实时查询机械手每个轴的当前位置和运动完成标志位。当查询
图3位置伺服控制的策略
到每个轴运动都完成，立即与运动控制模块通讯，告知对方该条动作指令完成，可处理下一条动作指令。
紧急控制模块处理一些需要机械手立即做出反应的事件，如机械手的急停、回零等。
（1）
采用的数字滤波器类型是PID 滤波器，外加速度和加速度前馈，即PID＋Kvff ＋Kaff 滤波器。通过调节各参数，该滤波器能对大多数伺服系统实现精确而稳定的控制，其控制律为：
U n ＝Kp E i ＋Ki ∑E i ＋Kd （E i －Ei－1）＋Kvff V i ＋Kaff a i
4结束语
本文采用工业PC 和运动控制器相结合的控制方案构建了
式中，E i 、U n 分别是第i 个伺服周期的电机位置跟踪误差和伺服滤波器输出的控制量，V i 是当前的目标速度，a i 是当前的目标加速度，K p 、K i 、K d 分别是PID 控制器的比例系数，积分系数和微分系数。K vff 、K aff 为速度前馈增益和加速度前馈增益。采用PID 加前馈的复合控制器可以使电机以零稳态误差跟踪输入参考信号，而且在机电控制系统中目标速度和目标加速度一般是设定好的或者已知的，因而复合控制在各种机电控制系统中有着广泛的应用。
取料机械手控制系统。下级运动控制器实现对机械手各轴的位置伺服控制和多轴协调控制，上级工业PC 负责整个系统的多任务处理、作业任务规划和人机界面。这种层次结构将工业PC 的信息处理能力和运动控制器的实时控制能力有机地结合在一起，极大地提高了系统的效率，满足了机械手控制的实时性要求。本控制系统已经投入生产，运行结果表明，机械手取料作业过程中运行平稳，及时响应用户操作。
参考文献
［1］高钟毓．机电控制工程［M ］．北京：清华大学出版社，2002
［2］丛爽，李泽湘．实用运动控制技术［M ］．北京：电子工业出版社，2006［3］胡鹏，方康玲，刘晓玉．基于PMAC 的开放式机器人控制系统［J ］．微
计算机信息，2006（4）：171－173
［4］曹世奇，李占贤．基于MCX314As 的喷釉机械手控制系统设计［J ］．
工业控制计算机，2007（11）：62－63
［5］万俊君，戴先中．开放式机器人控制系统设计和实现［J ］．现代电子技
术，2004（15）：57－59
［6］赵军．基于IPC 的数控系统开发实例［J ］．机械工程与自动化，2008
（5）：134－136
［7］李绍炎，钟健．一种用于高速自动取料机械手的气动缓冲回路设计
［J ］．装备制造技术，2008（2）：5－7
［收稿日期：2009．3．20
］
3控制软件设计
系统控制软件运行于上位机工业PC ，使用Windows 操作
系统，采用VC＋＋6．0编译工具开发。控制软件向用户提供了友好的人机界面，接收用户下达的取料任务。根据具体的取料任务生成一系列运动控制指令，发送至下位机GT400SG 运动控制器，同时查询下位机的执行结果，监控机械手各轴的运动状态。上位机通过调用动态连接库GT400．dll与下位机通讯。
机械手的控制系统是一个多任务的实时控制系统，控制软件需要完成的任务较多，程序需并行展开多个工作任务。我们采用模块化的工程思想进行设计，将软件划分为几个模块，每个模块完成不同的工作任务。控制软件中设置了人机界面模块、运动控制模块、运动轨迹显示模块、参数设置模块、各轴状态监控模块和紧急控制模块，如图4所示。多任务操作模块是控制系统的管理模块，它利用Windows 操作系统的多任务、抢占式的特点，对系统中各模块进行统一管理，对系统中各任务进行统一调度。它将各个模块中的任务分给不同的线程，并赋予各个线程不同