基于CPAC的工业机器人运动轨迹分析系统设计

胡成琳，俞清川，邵 欣

(天津中德应用技术大学 智能制造学院，天津 300350)

工业机器人运动轨迹分析系统需要模块化、可视化、便捷化等高要求。基于以上问题，本文选用固高科技公司的计算机可编程自动化控制器(Computer Programmable Automation Controller，CPAC)设计机器人运动轨迹分析系统[1]。本研究通过组合使用Otostudio软件的各种功能模块设计机器人运动控制界面，达到编程语言可视化的目的，实现对机器人运动轨迹进行分析的系统设计。

分析工业机器人运动轨迹的目的是观测机器人实际运动轨迹是否与设定轨迹相符，机器人的运动参数与设定参数是否一致，有无偏差，从而对机器人判断是否需要进行精度重定位或是离线编程优化运动轨迹。通过观测机器人在分析系统中的可视化运动轨迹，去判断实际运动轨迹是否与设定轨迹相符，通过检测到的运动参数如轴位置和轴速度去判断是否存在偏差。目前，该设计的分析系统功能较为基础，只能通过显现运动轨迹、轴位置、轴速度等参数进行分析。

计算机可编程自动控制器(Computer Programmable Automation Controller，CPAC)被广泛运用于与工业生产设备控制系统相关的各类控制平台、研发平台。CPAC有着规范的编程环境、实时的I/O控制等方面优势[2]。

CPAC控制系统主要是由GUC-800运动控制器、人机界面、端子板、远程IO模块、伺服驱动器、伺服电机和电源等构成。GUC系列运动控制器是将计算机技术与运动控制器技术相结合的科技产物。在CPAC控制系统中，Jog模式能够精确地掌控恒速运行。Gear和Follow则是在主轴运动的基础上进行的相对移动模式。PT是针对有预定轨迹的、运动周期比较长的运动[3]。

Otostudio是CPAC的主要开发程序环境，是具备高度组态化能力和图形化特点的开发工具。该软件共提供了6种编程语言：基本结构文件(ST)、指令表(IL)、顺序流程图(SFC)、功能框图(FBD)、梯形图(LD)、连续功能编辑器(CFC)，以适应各种编程语言习惯的使用者需要[4]。

按照各自的功能来划分Otostudio软件平台可以主要分为4个板块，各板块有着各自的功能区间，主要是运动监控模块、人机交互界面、状态监测模块和数据处理模块。

(1)人机交互界面是用户对作业过程进行实时监控和控制的重要板块，主要由运动控制界面、图形图像界面以及监视界面3个板块组成。

(2)状态监控模块主要是由故障告警单元和I/O单元组成，在整个生产流程中发挥着实时监督生产流程，确保整个生产流程正常有序，出现问题可以及时暂停工作并警告。

(3)数据处理模块主要承担着系统的数据采集、A/D数据转换等功能。同时，该模块可以将传感器收集到的信息在软件内部及时反馈，形成闭环控制并反馈到人机交互界面。工程文档中通常具备POUS、数据类型和可视化页面资源。POUS包含主程式(PRG)、子程序(PRG)、功能块(FB)、函数(FUN)。

3.1 点动运动

在点动运动模式中，可以针对不同的轴设置不同的运动参数，各轴之间相互独立，能够实现各轴的自由操控，可实现相互独立的运动和静止。GTN_Update命令的调用能够帮助用户实现运动的点位运动，控制系统根据用户输入的坐标值自动生成最优的梯形曲线并以此表达速度规划，同时用户还能够随意调整目标车速和方位。通过设置平滑时间可以改变速度曲线的缓急程度，其平滑函数的取值范围为[0，1]，且越靠近1的频率曲线越是平滑，系统也更加稳定。

3.2 Jog运动

用户在Jog运动模型中，同样可以对各轴的运动参数进行单独设置，每个轴都可以进行单独的运动或者停止。GTN_Update命令调用能够控制Jog的运行，在相关运动参数的设置下加速到要求的速度后就可以开始匀速运动。在运动过程中，用户可以实时地操控目标的运动状态，同时能够自动将执行结果信息反馈至计算机，显示当前命令得到执行。

3.3 插补运动

插补运动是通过在轨迹起点到终点范围内进行数据处理，实现数据点密化的工作。插补运动能够在坐标系关系的基础上构建多轴间运动的关联。坐标系运动一般使用的是缓存区运动法，每个坐标系都有两个缓存区，同时通过内插运动缓存区域中不断传输插补数据，当控制器完成了所有的插补点即可以实现指定轨迹。

运动控制坐标系建立：

crdPrm.dimension:=2; (*二维坐标系*)

crdPrm.synVelMax:=500; (*最大合成速度：500pulse/ms*)

crdPrm.synAccMax:=1; (*最大加速度：1pulse/ms^2*)

crdPrm.evenTime:=50; (* 平滑时间：50 ms*)

crdPrm.profile[0]:=AXIS_X; (*轴一为X*)

crdPrm.profile[1]:=AXIS_Y; (*轴二为Y*)

crdPrm.setOriginFlag:=1; (* 需要明确指定坐标系原点的规划位置*)

crdPrm.originPos[0]:=0; (*坐标系原点以轴的零位为原点*)

crdPrm.originPos[1]:=0; (*坐标系原点以轴的一位为原点*)

rtn:=GT_SetCrdPrm(1,ADR(crdPrm)); (* 建立坐标系，设置坐标系参数*)

运动插补创建：

rtn:=GT_ArcXYC(1,10 000,0，-5 000,0,0,100,0.2,0,0);(圆心坐标为(100 000,0),终点坐标与起点坐标重合(5 000,0)的顺时针弧线，该插补段的运动速率为100 pulse/ms，中心加速度为0.2 pulse/ms^2，终点转速为0 pulse/ms。)

使用Otostudio软件中的运动控制界面设计功能和运动轨迹编程功能，建立运动轨迹分析界面并编写工业机器人轨迹运动程序，使界面与程序相结合，完成运动轨迹分析系统的设计。结合示教器屏幕录制功能，使软件、硬件相连接，实现编程语言可视化操作，直观地显示机器人的运动轨迹，实时检测运动参数，完成工业机器人运动轨迹分析。

工业机器人圆形运动轨迹分析系统：

(1)编写工业机器人圆形运动轨迹程序，工业机器人圆形运动轨迹的算法选择插补模式，先通过直线插补语句:“rtn:=GT_LnXY”将运动点移动到起始点，再使用圆弧插补语句“rtn:=GT_ArcXYC”，通过圆心描述法完成曲线运动。

(2)设计工业机器人运动轨迹分析系统，要建立运动轨迹分析界面，即二维坐标系界面，为机器人运动轨迹分析做准备。运动分析界面设计：打开Otostudio软件，使用可视化界面的“矩形”工具画出坐标系的显示范围，再使用“折线段”工具在限定的范围中绘制出X轴和Y轴，机器人平面运动的末端位置用“圆形”工具设定成运动点，并显示在两坐标轴交点即坐标系中心点。为了使整个轨迹运动过程更为容易观察，本文将运动点的颜色设置为黑色。右键选中“运动点”点击“规则的元件配置”，在“规则的元件配置”界面中点击“绝对运动”，在“绝对运动”中的“X偏移量”和“Y偏移量”两个选项里根据插补运动坐标系需求输入恰当的数值。本实验将“运动点”的X偏移量变量与Y偏移量变量分别设置为“PLC_PRG.pos[1]/1000”“PLC_PRG.pos[2]/1000”。上述“矩形”“折线段”“圆形”3个几何图形工具所绘制的所有图案都是独立图像单元，需要将其进行组合，使其成为一个整体的坐标系。坐标系参数设置如图1所示。

图1 坐标系参数设置

(3)点击运用“按钮”“文本框”两个工具，加入“Start”启动按钮与显示运动点坐标位置，将机器人平面运动轨迹在X,Y两坐标轴中以运动点的形式表现出来，控制机器人运动的伺服电机设定为插补运动轨迹坐标系的坐标轴，一号电动机对应坐标系中X轴，二号电动机对应坐标系中的Y轴，建立插补运动坐标系。运动轨迹分析界面设计显示轴速度和轴位置，将速度变量参数“.AxisStatus[1].lrEncVel”与X轴速度进行链接，轴位置位置变量参数“.AxisStatus[1].lrEncPos”与轴位置连接，Y轴变量参数链接方法与之相同。圆形运动轨迹分析系统如图2所示。

图2 圆形运动轨迹分析系统

通过工业机器人圆形运动轨迹分析，系统完成了工业机器人运动轨迹分析系统的设计。圆形轨迹运动编程中包含直线运动插补算法与曲线运动插补算法，在可视化界面中显现出起始点坐标、实时运动轨迹、轴坐标、轴速度、轴加速度等实时参数，通过这些实时检测并显示的运动参数即可与原定参数做对比，分析出机器人的运动轨迹与原定轨迹的差异，进而改善或优化机器人运动轨迹，也可根据参数分析出机器人是否需要保养维护。

本文以固高GUC-800运动控制器为研究对象，通过六自由度工业机器人设计基本的末端运动轨迹，实现了实时轨迹显示、实时参数检测等功能，完成了机器人运动轨迹分析系统的设计，通过插补模式实现不同的运动轨迹，在运动轨迹分析界面上显现出实时变化的运动参数如轴速度、轴位置、轴加速度等，实现分析工业机器人运动轨迹的功能。

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