Sterowanie wieloosiowym napędem robota IRB-6 - M.Pawlak, K.Krawczyk.pdf - Robotyka i cybernetyka - andrzej5651

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 77/2007

209

Marcin Pawlak, Krzysztof Krawczyk

Politechnika Wrocþawska, Wrocþaw

STEROWANIE WIELOOSIOWYM NAPĦDEM POZYCJONUJġCYM

ROBOTA PRZEMYSýOWEGO IRB-6

CONTROL OF THE MULTIAXIAL POSITIONING DRIVE SYSTEM IN THE

INDUSTRIAL IRB-6 ROBOT

Abstract: This paper describes effect of modernization of an old industrial IRb6-type robot control system.

The old original programmer of the robot used analog techniques. It occupied a lot of space and was very en-

ergy-consuming. This equipment was completely replaced by the new digital controller, taking advance of the

high technology. The new controller utilizes modern DC-DC converter composed of efficient MOSFET-type

transistors and consist a fast, versatile AVR-family microprocessor. The renewed robot is controlled with the

aid of personal computer with a supervisory software, that allow make a project of motion-sequence of the ro-

bot. Detailed hardware and software description in this paper is presented.

przykþadem jest przemysþ samochodowy, gdzie

na jednej taĻmie montaŇowej moŇe byę produ-

kowanych kilka rŇnych modeli aut. Obecnie

roboty przemysþowe stosuje siħ takŇe przy pro-

dukcji maþo- i Ļrednio-seryjnej, gdzie pracujĢ

przy uciĢŇliwych lub niebezpiecznych dla

czþowieka procesach technologicznych. Gþwne

zastosowanie robotw to: spawanie, szlifowa-

nie, lakierowanie, odlewnictwo, obrbka

cieplna, kucie, obrbka plastyczna, ciħcie,

przenoszenie materiaþw, paletyzacja, inspekcje

itd. [2].

KolebkĢ robotw przemysþowych byþy Stany

Zjednoczone, natomiast ich dynamiczny rozwj

nastĢpiþ w Japonii, ktra do dziĻ wiedzie prym

w ich produkcji, bħdĢc Ļwiatowym potentatem

tej branŇy. Pod wzglħdem iloĻci, na Ļwiecie po-

nad 50% robotw pracuje wþaĻnie w Japonii, na

drugim miejscu plasuje siħ Unia Europejska -

okoþo 30%, oraz USA Î ok. 10%. WĻrd kra-

jw europejskich najwiħksza liczba zainstalo-

wanych robotw jest w Niemczech, Wþoszech,

Francji oraz Wielkiej Brytanii [1].

W Instytucie Maszyn Napħdw i Pomiarw

Elektrycznych Politechniki Wrocþawskiej znaj-

duje siħ robot przemysþowy IRb-6, ktry trafiþ

do Laboratorium Napħdu Elektrycznego po za-

koıczeniu wieloletniej pracy w jednym z wro-

cþawskich zakþadw przemysþowych. Robot ten,

posiadajĢcy 5 stopni swobody zostaþ skonstru-

owany przez szwedzkĢ firmħ ASEA na po-

czĢtku lat 70-tych. Udana konstrukcja manipu-

latora, szczeglnie w zakresie czħĻci mecha-

nicznej, wzbudziþa uznanie na caþym Ļwiecie

1. Wstħp

W drugiej poþowie XX wieku, w powojennej

Europie rozpoczĢþ siħ okres intensywnej odbu-

dowy przemysþu. Zwiħkszenie wymagaı rynku

co do iloĻci i szybkoĻci produkowanych towa-

rw zapoczĢtkowaþo rozwj automatyzacji pro-

cesw technologicznych. W tym czasie po-

wstaþo wiele zakþadw przemysþowych, w kt-

rych gþwny nacisk kierowano na produkcjħ

masowĢ. Efektem tego byþo powstawanie

zautomatyzowanych linii produkcyjnych,

w ktrych dotychczasowĢ rolħ czþowieka przej-

mowaþa maszyna. W drugiej poþowie lat piħę-

dziesiĢtych pojawiþy siħ pierwsze roboty prze-

mysþowe, ktre wymusiþy rozwj nowej dzie-

dziny technicznej zwanej árobotykĢÑ. Dzie-

dzina ta obejmuje wszystko co jest zwiĢzane

z teoriĢ, budowĢ oraz eksploatacjĢ robotw.

Gþwnymi dziaþami dzisiejszej robotyki sĢ:

¤ kinematyka manipulatorw,

¤ dynamika manipulatorw,

¤ planowanie ruchw i optymalizacja trajektorii,

¤ sterowanie robotw,

¤ systemy sensoryczne,

¤ robotyka specjalna (roboty mobilne, pod-

wodne, specjalne),

¤ eksploatacja robotw,

¤ elastyczne systemy produkcyjne [1].

Roboty przemysþowe znajdujĢ gþwnie zasto-

sowanie przy produkcji wielkoseryjnej, w ktrej

skomplikowany cykl technologiczny musi byę

powtarzany wielokrotnie, z duŇĢ precyzjĢ. Jed-

nym z wymogw nowoczesnych linii produk-

cyjnych jest moŇliwoĻę szybkiego áprzezbroje-

niaÑ procesu technologicznego. Najlepszym

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 77/2007

210

i sprawiþa, Ňe do dnia dzisiejszego roboty te

pracujĢ na rŇnych liniach produkcyjnych wielu

zakþadw przemysþowych. JedynĢ sþabĢ stronĢ

robota byþ jego oryginalny ukþad zasilajĢco-ste-

rujĢcy, wykonany w technice analogowej,

z wykorzystaniem tranzystorw bipolarnych.

Ukþad ten byþ umieszczony w ogromnej, waŇĢ-

cej ponad 300kg szafie i odznaczaþ siħ niskĢ

sprawnoĻciĢ i stosunkowo duŇĢ awaryjnoĻciĢ.

Dlatego teŇ, w Instytucie Maszyn, Napħdw

i Pomiarw Elektrycznych Politechniki Wro-

cþawskiej zostaþ zaproponowany temat magi-

sterskiej pracy dyplomowej, ktrej celem byþa

kompleksowa modernizacja ukþadu sterowania

robota. Niniejszy referat przedstawia koıcowy

efekt modernizacji sterownika, ktra polegaþa

na caþkowitym zastĢpieniu go nowoczesnĢ kon-

strukcjĢ, wykorzystujĢcĢ sterowanie impulsowe

oraz technikħ mikroprocesorowĢ. Obecnie robot

znajduje siħ na wyposaŇeniu Laboratorium

Automatyki Przemysþowej i znajduje zastoso-

wanie w dydaktyce.

2. Budowa robota przemysþowego IRb-6

Robot IRb-6 jest robotem typu kolumnowego,

ktry ze wzglħdu na swoja konstrukcjħ jest za-

liczany do grupy robotw z otwartym þaıcu-

chem kinematycznym. Manipulator ten posiada

piħę stopni swobody. Na rysunku 1 przedsta-

wiono budowħ czħĻci manipulacyjnej robota

IRb-6. MoŇna na nim wyrŇnię nastħpujĢce

podzespoþy: 1- przegub, 2- ramiħ dolne, 3- ra-

miħ grne, 4- korpus obrotowy, 5- podstawa,

6- przekþadnia Ļrubowa toczna ruchu (q),

7- przekþadnia Ļrubowa ruchu (a), 8- napħd

ruchu (v), 9- napħd ruchu (t), 10- napħd ruchu

(q), 11- napħd ruchu (a), 12- napħd ruchu (j).

Korpus, ramiona, oraz podstawa robota wyko-

nane sĢ z lekkiego stopu aluminium, co prowa-

dzi do redukcji momentu bezwþadnoĻci rucho-

mych czħĻci i znaczĢco poprawia dynamikħ ru-

chw [4].

Do napħdu poszczeglnych osi robota zastoso-

wano komutatorowe silniki prĢdu staþego z ma-

gnesami trwaþymi, odznaczajĢce siħ bardzo do-

brymi wþaĻciwoĻciami dynamicznymi.

Rys.1. Budowa czħĻci manipulacyjnej robota IRb-6

3. Ukþad sterowania robota

Oryginalny sterownik robota IRb-6 posiadaþ

przestarzaþĢ konstrukcjħ, ktra do zasilania

i sterowania silnikw poszczeglnych osi robo-

ta wykorzystywaþa technikħ analogowĢ. W roli

wzmacniaczy mocy pracowaþy tranzystory bi-

polarne. Funkcjħ czujnikw poþoŇenia poszcze-

glnych osi robota peþniþy resolwery, ktre byþy

umieszczone bezpoĻrednio na waþkach silnikw

napħdowych. Oprcz pomiaru poþoŇenia, wszy-

stkie silniki robota wyposaŇone byþy w ana-

logowe tory pomiaru prħdkoĻci obrotowej,

ktrej czujnikami byþy tachoprĢdnice, zainsta-

lowane bezpoĻrednio na tarczach silnikw.

PoniewaŇ oryginalny ukþad sterowania robota

wymagaþ kosztownej naprawy, zdecydowano

siħ na jego gruntownĢ modernizacjħ, polegajĢcĢ

na caþkowitym zastĢpieniu go nowĢ konstruk-

cjĢ. Przy opracowywaniu nowej koncepcji ste-

rownika robota, podstawowym zaþoŇeniem byþo

wykorzystanie caþej, niezmienionej czħĻci ma-

nipulacyjnej robota, þĢcznie z silnikami i prze-

twornikami do pomiaru poþoŇenia i prħdkoĻci.

Nowy sterownik musiaþ zapewnię moŇliwoĻę

wspþpracy z komputerem PC, za pomocĢ kt-

rego programowano trajektorie ruchw robota.

Schemat oglny ukþadu sterowania robota IRb-

6 przedstawia rysunek 2.

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 77/2007

211

ATmega162

IRb-6

Rys.2. Oglny schemat ukþadu sterowania robota IRb-6

Nowy ukþad sterowania manipulatora IRb-6 po-

siada budowħ moduþowĢ. Konstrukcjħ sterow-

nika stanowi solidna metalowa obudowa, przy-

stosowana do montaŇu na typowym, 19-calo-

wym stojaku laboratoryjnym. W obudowie

znajdujĢ siħ wysuwane kasety, w ktrych

umieszczono nastħpujĢce moduþy ukþadu stero-

wania:

- moduþ sterownika mikroprocesorowego (1),

- moduþ pomiaru poþoŇenia wszystkich osi (2),

- moduþy wzmacniaczy mocy (3-7) [3].

SpoĻrd wielu dostħpnych na polskim rynku

mikrokontrolerw, wybrano wþaĻnie ten, ze

wzglħdu na jego dobre parametry, bogate wy-

posaŇenie i niskĢ cenħ. Ukþad ten posiada wbu-

dowanĢ pamiħę programu typu flash o pojem-

noĻci 16kB, jest taktowany sygnaþem zegaro-

wym o czħstotliwoĻci 16MHz. Ponadto jest

wyposaŇony m.in. w 4 ukþady czasowo-liczni-

kowe, umoŇliwiajĢce wygenerowanie 6 sygna-

þw PWM, 35 programowalnych linii I/O, 512B

pamiħci EEPROM oraz moduþ watchdog. Pod-

stawowĢ funkcjĢ sterownika mikroprocesoro-

wego jest realizacja algorytmu regulacji poþo-

Ňenia i prħdkoĻci dla piħciu osi napħdowych ro-

bota. WartoĻci zadane poþoŇenia i prħdkoĻci

wszystkich osi przesyþane sĢ na bieŇĢco z kom-

putera PC za pomocĢ þĢcza szeregowego RS-

232. JednoczeĻnie sterownik mikroprocesorowy

otrzymuje informacjħ z ukþadu pomiaru poþoŇe-

nia o aktualnych wartoĻciach poþoŇenia po-

szczeglnych osi (q, a, v, t, j). Na podstawie

porwnania wartoĻci zadanych i bieŇĢcych ste-

rownik mikroprocesorowy generuje odpowied-

nie sygnaþy sterujĢce (z modulacjĢ PWM),

ktre kierowane sĢ do ukþadu wzmacniaczy

mocy. Uproszczony schemat przepþywu sy-

gnaþw w sterowniku mikroprocesorowym

przedstawiono na rysunku 4.

q z w qz

a z w az

v z w vz

t z w tz

j z w jz

Rys.3. Moduþowa konstrukcja ukþadu sterowa-

nia robota IRb-6

Na rysunku 3 przedstawiono fotografie ukþadu

sterowania oraz kaset-moduþw po wyjħciu z

obudowy. Gþwnym elementem ukþadu stero-

wania robota jest sterownik mikroprocesorowy,

w ktrym wykorzystano nowoczesny, szybki 8-

bitowy mikrokontroler RISC Î Atmega162.

Rys.4. Przepþyw sygnaþw w sterowniku mikro-

procesorowym

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 77/2007

212

Schemat ideowy toru regulacji poþoŇenia i prħ-

dkoĻci jednej osi robota (q) przedstawiono na

rysunku 5. Jest to struktura kaskadowa, w ktrej

regulator poþoŇenia jest nadrzħdny w stosunku

do regulatora prħdkoĻci. Regulator poþoŇenia

jest regulatorem proporcjonalnym z ogra-

niczeniem wartoĻci absolutnej, ktrego nastawy

mogĢ byę ustawiane w szerokim zakresie, dla

kaŇdej osi niezaleŇnie. Na wartoĻę ograniczenia

sygnaþu wyjĻciowego regulatora wpþywa war-

toĻę prħdkoĻci zadanej (w zad ).

W torze regulacji prħdkoĻci zastosowano regu-

lator proporcjonalno-caþkujĢcy. UmoŇliwia on

stabilizacjħ prħdkoĻci ruchu wszystkich osi ro-

bota, niezaleŇnie od obciĢŇenia poszczeglnych

silnikw. Nastawy regulatorw dla kaŇdej osi

zostaþy dobrane eksperymentalnie i zapisane w

nieulotnej pamiħci EEPROM mikrokontrolera.

Na podstawie wartoĻci sygnaþu z wyjĻcia regu-

latora prħdkoĻci zostaje wytworzony sygnaþ ste-

rujĢcy PWM, ktry zostaje bezpoĻrednio skie-

rowany do wzmacniacza mocy. CzħstotliwoĻę

kluczowania sygnaþu PWM wynosi ok. 22kHz,

co stanowi wartoĻę optymalnĢ, przy ktrej ste-

rownik ma najwyŇszĢ sprawnoĻę, a jednocze-

Ļnie efekty akustyczne zwiĢzane z przepþywem

prĢdw pulsujĢcych przez uzwojenia silnikw

zanikajĢ [3].

i max

w zad

q zad

i t

Rys.5. Schemat ukþadu regulacji poþoŇenia i prħdkoĻci jednej osi robota

Wzmacniacze mocy zbudowane sĢ z wykorzy-

staniem tranzystorw MOSFET, poþĢczonych w

ukþadzie klasycznego przeksztaþtnika mostko-

wego DC/DC typu H. Taka konfiguracja umoŇ-

liwia zasilanie silnikw wykonawczych po-

szczeglnych osi robota napiħciem pulsujĢcym

bipolarnym, o Ļredniej wartoĻci zaleŇnej od

wspþczynnika wypeþnienia sygnaþu sterujĢcego

PWM.

KaŇdy z zasilanych silnikw posiada ukþad

ograniczenia maksymalnej wartoĻci prĢdu

twornika, ktra moŇe byę niezaleŇnie ustawiona

za pomocĢ potencjometru. W ten sposb uzy-

skuje siħ prostĢ a zarazem skutecznĢ metodħ na

ograniczenie momentu obrotowego poszcze-

glnych silnikw, co bezpoĻrednio przekþada

siħ na siþħ ramienia robota w kaŇdej pþaszczyŅ-

nie.

Manipulator IRb-6 do pomiaru poþoŇenia po-

szczeglnych osi wykorzystuje resolwery, ktre

sĢ zainstalowane bezpoĻrednio na waþkach

wszystkich silnikw. W nowoczesnych ukþa-

dach napħdowych resolwery sĢ uŇywane coraz

rzadziej, gdyŇ w roli przetwornikw poþoŇenia

kĢtowego na ogþ stosuje siħ cyfrowe enkodery

inkrementalne i absolutne. Enkodery cyfrowe

zapewniajĢ duŇĢ dokþadnoĻę pomiaru kĢta ob-

rotu oraz posiadajĢ interfejs cyfrowy, co zdecy-

dowanie uþatwia podþĢczenie ich do mikropro-

cesorowych ukþadw sterowania. PoniewaŇ

jednym z zaþoŇeı, ktrymi kierowano siħ pod-

czas modernizacji ukþadu sterowania robota

byþo pozostawienie nienaruszonej oryginalnej

konstrukcji napħdowej i mechanicznej manipu-

latora, zdecydowano siħ na wykorzystanie ory-

ginalnych resolwerw w roli przetwornikw

kĢta obrotu.

Resolwer z istoty swego dziaþania przypomina

transformator obrotowy, ktry posiada dwa nie-

ruchome uzwojenia oraz jedno uzwojenie ru-

chome, umieszczone na wirniku. Uzwojenie ru-

chome jest zasilane najczħĻciej bezstykowo, na

drodze indukcyjnej napiħciem sinusoidalnym

o czħstotliwoĻci od 1-20kHz. PoniewaŇ uzwoje-

nia nieruchome sĢ przesuniħte wzglħdem siebie

o 90 stopni, napiħcia indukujĢce siħ w tych

uzwojeniach zaleŇĢ od kĢta poþoŇenia wirnika

i sĢ przesuniħte wzglħdem siebie w fazie takŇe

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 77/2007

213

o 90 stopni. Dlatego teŇ, sygnaþy te nazywane

sĢ sygnaþami pomiarowymi ásinusÑ i ácosinusÑ.

Budowa resolwera zostaþa przedstawia na rys.6.

sterownikiem mikroprocesorowym za pomocĢ

cyfrowego interfejsu szeregowego SPI. Mikro-

procesor przelicza odczytane wartoĻci wzglħd-

nego poþoŇenia kĢtowego silnikw na poþoŇenie

bezwzglħdne poszczeglnych osi robota [3].

4. Oprogramowanie sterujĢce

Programowanie sekwencji ruchw robota

przemysþowego IRb-6 odbywa siħ za pomocĢ

komputera PC, z zainstalowanym oprogramo-

waniem sterujĢcym. Program sterujĢcy zostaþ

napisany w jħzyku Object Pascal, w Ļrodowisku

Borland Delphi 7.0. Gþwnym zadaniem apli-

kacji sterujĢcej jest komunikacja i wymiana da-

nych ze sterownikiem robota w czasie rzezczy-

wistym, przy wykorzystaniu portu szeregowego

RS-232 o prħdkoĻci transmisji 115,2kb/s.

Gþwne okno programu sterujĢcego przedsta-

wiono na rysunku 7. Oprogramowanie umoŇli-

wia ustawienie poþoŇenia poszczeglnych osi

robota za pomocĢ suwakw zgrubnych i do-

kþadnych. KaŇdy punkt przestrzeni roboczej

manipulatora moŇe zostaę zapamiħtany, tak aby

utworzyę program sekwencji ruchw robota.

PrħdkoĻę przejazdu pomiħdzy dwoma dowol-

nymi punktami moŇe byę dowolnie ustawiona,

niezaleŇnie dla kaŇdej osi. Istnieje moŇliwoĻę

zadawania przerw o dowolnym czasie trwania

oraz zastosowanie instrukcji warunkowych

i zapħtleı. Zaprogramowana sekwencja moŇe

byę w kaŇdej chwili edytowana, zaĻ efekt koı-

cowy pracy moŇna utrwalię w postaci programu

przejazdu zapisanego w pliku na dysku kom-

putera. Projektowanie trajektorii ruchu ramienia

robota znacznie uþatwia opcja wspþpracy z

joystickiem. W tym trybie pracy, ruch ramienia

robota jest sterowany on-line za pomocĢ doþĢ-

czonego do komputera standardowego joysticka

analogowego, wykorzystywanego gþwnie do

gier komputerowych. Wybrane punkty poþoŇe-

nia ramienia robota mogĢ byę w kaŇdej chwili

dodane do programu.

Oprcz podstawowych funkcji sterujĢcych,

oprogramowanie umoŇliwia weryfikacjħ wpro-

wadzonych nastaw regulatorw i wartoĻci gra-

nicznych w torze regulacji, co umoŇliwia

ksztaþtowanie charakterystyk dynamicznych

poszczeglnych osi manipulatora.

Rys.6. Budowa resolwera

Na podstawie zmierzonych wartoĻci napiħę in-

dukowanych w uzwojeniach pomiarowych re-

solwera moŇliwe jest wyznaczenie kĢta poþoŇe-

nia wirnika, na podstawie zaleŇnoĻci (1):

(1)

(

)

arctan

sin

cos

Aby wyznaczyę kĢt poþoŇenia wirnika dla

wszystkich osi robota, mikroprocesor sterow-

nika robota musiaþby wykonywaę zþoŇone ope-

racje matematyczne kilka tysiħcy razy w ciĢgu

sekundy. Lepszym rozwiĢzaniem jest zastoso-

wanie specjalizowanych ukþadw scalonych,

ktre wykonajĢ te obliczenia, odciĢŇajĢc

gþwny procesor sterownika. Jednym z takich

ukþadw jest ukþad AD2S90 produkowany

przez firmħ Analog Devices, ktry na podsta-

wie sygnaþw analogowych odbieranych

z uzwojeı resolwera, wyznacza wzglħdne poþo-

Ňenie kĢtowe i przedstawia je w postaci cyfro-

wej. Przetwornik ten posiada 12-bitowĢ roz-

dzielczoĻę, co zapewnia dokþadnoĻę pomiaru

poþoŇenia kĢtowego na poziomie 10 minut kĢ-

towych. Ponadto pozwala na bezpoĻredni po-

miar prħdkoĻci obrotowej, umoŇliwia emulacjħ

enkodera inkrementalnego oraz posiada wyjĻcie

analogowe emulujĢce prĢdnicħ tachometrycznĢ.

W ukþadzie sterowania manipulatora IRb-6 za-

stosowano 5 takich przetwornikw, po jednym

dla kaŇdej osi robota, ktre komunikujĢ siħ ze

Sterowanie wieloosiowym napędem robota IRB-6 - M.Pawlak, K.Krawczyk.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: