1、机械 2010 年第 9 期 总第 37 卷 设计与研究 9 收稿日期：20100505 基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）先进制造技术领域“机器人模块化功能部件产业化”重点项目（2009AA043902） 作者简介：张爱民（1978），男，湖北黄冈人，硕士，工程师，主要研究方向为工业机器人开发与研究。 基于总线模式的工业机器人控制系统 张爱民，王倩 （广州数控设备有限公司，广东 广州 510730） 摘要：针对目前国内工业机器人开发周期长、成本高、通用性差的问题，提出基于工业现场总线 GSKlink 的模块化、标准化工业机器人结构体系，并开发了相关产品，部分产品已应用于公司电机
2、制造生产线上。经实验测试和现场实际应用， 发现基于模块化体系结构的工业机器人性能较传统工业机器人有较大改善， 系统故障率较低， 系统维护和维修简便。 关键词：总线；工业机器人；控制系统 中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：10060316 (2010) 09000903 Design of industry robot control system based on bus mode ZHANG Ai-min，WANG Qian (CNC Equipment Co., Ltd., GSK, Guangzhou 510730, China) Abstract：Consideri
3、ng the current domestic industrial robot have the deficiencies that is the longer cycle, higher cost coming and poor generality .the paper introduces a modular and standard robot system based on field bus.At the same time we have produced the robot. Which part of the research project has been applie
4、d to motor manufacturing line. According experiment test and actual application, the system structure based on the modular industrial robots performance is better than traditional industrial robots, low failure rate, system maintenance simple. Key words：field bus ；industrial robot；control system 工业机
5、器人工作在结构化的工业现场环境中，可将人从繁重、单调与重复的体力劳动中部分解脱出来，目前已大量应用于汽车、电子、信息产品等现代制造业。目前国际上还没有专用于机器人系统中的伺服通信总线，在实际应用过程中通常根据系统需求， 把常用的一些总线， 如以太网、 CAN、 1394、SERCOS、USB、RS485 等，用于机器人系统中。Gsk_link 伺服通讯总线采用低成本以太网技术，物理层采用市场上通用产品，数据链路层采用 FPGA编程实现。本文讨论的工业机器人拟采用 Gsk_link伺服总线，利用伺服总线将主控制器、示教盒、驱动器、IO 单元、传感器等主从设备连接起来。 1 总线模式工业机器人的总
6、体方案设计 1.1 总体方案 广州数控设备有限公司研发的第二代工业机器人控制系统充分吸取了第一代 PC运动控制卡模式的工业机器人开发经验，以伺服总线技术为切入点，基于模块化设计思想，具有通用性好、性能可靠、便于维护和易于操作的特点，可以适应工业机器人产业化的需要。总体方案如图 1 所示。 图 1 工业机器人总体方案 Gsk_link 伺服总线从主控制单元出发，依次串联示教盒、驱动器、IO 单元、传感器等附属功能单元，最终回到主控制器，整个控制系统形成一个封闭的控制环；同时各附属功能单元节点只要满足标10 设计与研究 机械 2010 年第 9 期 总第 37 卷 准的总线接口和总线协议，即可根据
7、实际应用需要任意增加、减少以及更换位置。 1.2 总线传输方案 基于总线模式的工业机器人控制系统充分发挥总线的通讯优势，以主控制器作为主站，示教盒、驱动器、IO 单元、传感器等作为从站来工作，采用一对多的通信模式，从站地址为公共地址，大小为1Byte。当主控制器（主站）向附属功能单元（示教盒、驱动器、IO 单元、传感器等，从站）下传数据时，每个通信周期主站向所有附属功能单元从站发送一帧数据，数据长度为 4n Byte（n 为附属功能单元从站数），每个附属功能单元从站分别按协议规定的位置从数据区取出本从站需要的数据；同理当附属功能单元从站向主控制器主站实时反馈数据时，每个通信周期，每个附属功能单
8、元从站将自己实时反馈的数据添加到数据帧特定位置上传给主控制器主站；当 CRC 错误时，自动重传，重传次数大于 5 时报超时错误。 2 工业机器人的主控制器的硬件构成 总线模式工业机器人主控制器改变原来基于PC运动控制卡模式的硬件构架，采用嵌入式硬件平台，基本硬件构架如图 2 所示。 示教盒ARM 7Linux人机界面和文档管理主CPU板PXA 270Linux译码和速度预处理通讯及驱动接口运动控制板DSP 6713速度控制和插补算法正逆解算法和通讯接口位控板CYCloneFPGA位置控制运算和PLC功能GSKLINK IP CORE 通讯接口GSKLINK总线接口手持单元HPI总线内部总线GS
9、KLINK总线接口伺服单元主控制单元伺服单元 图 2 工业机器人硬件架构 工业机器人硬件主要包括三个部分： （1）PXA270Linux。英特尔公司 PXA270 系列嵌入式处理器基于 ARMv5E 的 Xscale 核心， 最高频率可达 624 MHz。作为一款性能极其强劲的嵌入式处理器，配合嵌入式 Linux 操作系统，主要负责控制系统的文件管理、系统调度、译码等功能。 （2）TMS320C6713。Ti 公司的 TMS320C6713型 DSP 支持浮点运算、适合高实时性运行环境，主要用于工业机器人运动学、动力学等相关算法的实时规划及计算。 （3）CYCLone FPGA。CYClone
10、 是 Altera 公司成本最低的 FPGA，集成逻辑单元 291020060 个，支持多种 IO 标准，共六个输出和层次化的时钟结构， 为复杂设计提供强大的时钟管理电路。 CYCLone FPGA 主要用于实现工业机器人主控制器的 PLC 功能、精插补算法、总线数据处理及 IO 管理。 3 总线模式工业机器人主控制系统软件 公司第二代基于总线模式的工业机器人控制系统是在第一代工业机器人控制系统的基础上，继承了部分算法，扩充了系统的功能，提升了系统的性能，同时大幅降低了控制器成本。基于总线模式的工业机器人控制系统构成如图 3 所示。 图 3 工业机器人控制系统（下转第 16 页） 16 设计与
11、研究 机械 2010 年第 9 期 总第 37 卷 当式（10）成立时，总扫射面积为 AA1A2，考虑到式（6）（9）有： 22sinLAj= （11） 式（11）表明：水平直径（宽度）的总扫射面积 A 与臂长比 i 无关，这是由于喷洒的单环面积Ai与相应的臂长 li成正比，而总喷洒面积 A 只是与总臂长 L 的平方成正比。同时式（11）也表明：总扫射面积 A 与出口速度 v 和射程 s 无关，这是由于忽略了空气与风等对水的阻散作用的缘故。 利用式（11）绘制了在 L0.2 m 时的图 4，其直观表明了总扫射面积 A 与倾角 及长径比 j 的情况：总扫射面积 A 与长径比 j 成反比，这是由于
12、长径比 j 增加时，出口处直径 d 变小，从而总扫射面积 A 变小的缘故。在 0/2 范围内，总扫射面积 A随倾角 值的增加而增加， 这是由于倾角 增加时，出口处直径 d 在半径上的投影长度就大，从而增加总扫射面积 A。 图 4 扫射面积与倾角及长径比的关系 3 结论 根据以上理论计算分析可以得到以下结论： （1）左右臂长的不平衡程度增大时，将致使转速下降，而总扫射面积保持不变； （2）管径减小时，将致使转速增加而总扫射面积减小； （3）水平倾角在 0/2 范围内增加时，将致使转速与总扫射面积都增加。 参考文献： 1兰才有， 仪修堂， 薛桂宁. 我国喷灌设备的研发现状及发展方向J.排灌机械，2
13、005，23（1）：1-6. 2陈大雕. 我国节水灌溉技术推广与发展状况综述J. 节水灌溉，1997，（4）：21-26. 3Lima D， Torfs J F， singh V P. A mathmatical model for evaluating the effect of wind on dowllward spraying rainJ. Catena，2001，46（4）：221-241. 4Ohayon S. Automatic adjustable sprinkler for precision irrigationP. United States Patent：6079637
14、，2000. 5王波雷，马孝义，等. 旋转式喷头射程的理论计算模型J. 农业机械学报，2008，39（1）：41-48. 6Tarjuelo J M， Montero J， Carrih P A， et al. Irrigation uniformity with medium size sprinklers Part II: Influence of wind and other factors on water distributionJ. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers，1999，（42）：67
15、7-689. 7Heemann D F，Kohl R A. Fluid dynamics of sprinkler systemsM. Michigan：ASAE.，1980. （上接第 10 页） 工业机器人示教盒部分比较简单，主要负责工业机器人的人机交互、界面显示、示教文件的临时保存、与主控制器通讯等功能。 主控制器部分是整个机器人控制系统的核心，完成工业机器人的示教、再现、译码、监控、在线帮助、整体调度、总线接口、远程控制等功能；同时要负责轨迹规划、工业机器人正逆解、插补等核心算法的实现。 4 总结 基于总线模式工业机器人控制器已用于广州数控设备公司的 8 kg 工业机器人产品中。RB0
16、8 搬运工业机器人已投入小批量生产，并已用于公司的电机产品生产线；经长时间的运行测试该体系结构的工业机器人性能良好、系统可靠性高，部件互换性强，完全满足生产的要求，可替代进口工业机器人进行自动化生产线的搬运作业。 参考文献： 1付永领，王岩，裴忠才. 基于 CAN 总线液压喷漆机器人控制系统设计与实现J. 机床与液压，2003，（6）：90-92： 2Intel PXA27x Processor Family Developers ManualX. Intel，2004. 3石秀民，魏洪兴. 嵌入式系统原理与应用基于 XScale 与LinuxM. 北京：北京航空航天大学出版社，2007. 4蔡自兴. 机器人学M. 北京：清华大学出版社，2000. 5Cyclone FPGA family data sheetX. Altera Corporation，2003. 0 /6 /3 /2 倾角 /rad 654321010-2 面积 A/m2 j5j10j15j20j25
