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1 引言
工业机器人是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，特别适合于多品种、变批量的柔性生产设备。根据机器人的动作形态，一般可分为下面五类：圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人、直角坐标型机器人、关节型机器人、并联机器人。切割机器人属于直角坐标型的工业机器人，每种类型的切割机器人都对应着特定的加工材料和加工工艺，如国内开发的高压水切割机器人，型钢机器人切割系统等。对于玻璃等脆性材料，由于需要采用带有金刚石的刀具，这就要求刀头的角度必须始终与切割图形的轨迹保持正切，以具有最好的刀印和开片效果，正是基于这样的应用，我们开发了这样的机器人智能切割系统。该机器人模型示意图如图1所示：
图1
2 机器人硬件系统组成
控制系统采用三套交流伺服系统和一套气缸设备，实现机器人的四个自由度，由GALIL DMC-1842运动控制卡和工业PC驱动机器人系统。X和Y方向通过传动装置将旋转运动转换为直线运动，实现在笛卡儿坐标系下的定位和轨迹插补;切割头有两个自由度，一个是Z方向的刀头旋转运动(如图1所示)，切割时刀头方向始终和XY平面的轨迹保持正切，另一个自由度是刀头上的气缸连杆设备控制着抬刀和下刀。另外，采用一块ISA总线的IPC 5372-2 数字量输入卡检测机器人伺服报警状态，提高机器人的自诊断性。
2.1运动控制系统及结构框图：
机器人运动控制采用美国GALIL公司的PCI总线的DMC-1842运动控制卡[1]，该控制卡采用32位微处理器，可控制4轴，具有多轴直线插补、圆弧插补等功能，为了得到最佳控制效果，GALIL控制卡提供了含有速度、加速度前馈，Notch及低通滤波的PID滤波器补偿功能，所有滤波器参数均可调整，以求伺服系统获得最佳性能。机器人交流伺服驱动系统的工作模式设定为速度模式，以获得最佳的速度响应性能，在所有伺服参数中，速度指令电压幅值VCMS和速度环比例增益Kvp会串联到系统主回路中，对系统性能的影响最大，需要和控制卡的参数联合整定。机器人运动控制系统结构框图如图2所示。
图2：机器人控制系统结构框图
2.2机器人输入输出信号：
机器人输入信号包括：X、Y、Z各轴伺服报警状态(每轴四路报警输入线，共需采集12路信号);X、Y轴正反向限位开关输入信号;X、Y、Z各轴原点输入信号;两路TTL输入信号(切割头下探保护信号IN1，激光器搜索到切割物体信号IN2)。机器人输出信号是六路TTL输出信号(三路报警复位输出信号，以及润滑剂开关、定位杆开关、激光搜索器开关三路输出信号)。其中，X、Y轴正反向限位开关输入信号FLSX、RLSX、FLSY、RLSY和切割头下探保护信号IN1配置成中断信号，利用控制卡命令 EI[3]实现。刀头压力通过控制卡W轴的开环输出命令OF产生，可以精确产生+/-10V的模拟电压信号。
3 机器人软件设计
3.1机器人切割程序框图和人机界面：
机器人切割系统的程序框图如图3所示，人机界面如图4所示：
图3：机器人切割系统程序框图
图4：机器人人机界面
3.2线程实现：
伺服状态监控线程通过CPU扫描数字量采集卡的板卡地址而获得各轴伺服报警状态，如果发生伺服报警，该线程会和机器人切割主线程通讯，以采取相应保护措施。
机器人切割主线程空闲时阻塞，等待上层界面的“切割开始”信号。切割函数封装了运动控制卡的命令，能根据传入的参数自动选择切割速度、加速度以及矢量速度平滑系数等切割参数。切割图形可由用户在编辑命令区域完成，或者直接载入CAD文件。切割函数和人机界面的开发语言是VC++6.0，开发环境是Windows98第二版，采用OPENGL作图，读入的CAD文件类型是AutoCAD R14的DXF文件。机器人的主要运动控制函数定义如下：
int CutLine(double x0,double y0,double x1,double y1)//直线切割函数
int CutArc(double radius,double startangle,double anglewidth)//圆弧切割函数
int CutEllipse(double MajorLength,double MinorLength,double startAngle, double angleWidth,
double rotation)//椭圆弧切割函数
int ContinuousCut(char *filename ,int cut_counts)//多义线切割函数
int CutLines(char *filename)//任意曲线切割函数
int SearchObject(double coordinate[3][2])//搜索切割物体的函数
对于中断监控线程，首先要配置运动控制卡的中断使能特性，用命令EI1024,1配置成限位中断使能和输入1中断使能。应用程序通过处理WM_DMCINTERRUPT消息可以处理控制卡发出的中断，该消息定义在DMCCOM.H中[6]。
3.3位移分辨率的匹配：
由于X轴和Y轴可能出现位移分辨率不匹配的问题，即机器人两轴运行相同的脉冲数时，位移却不同，这时需要用ES[3]命令来修正插补序列，如果X、Y轴的编码器线数分别为2000和5000，电机每转的行走距离分别为27.494mm和27.489mm，此时：
设 m=1000×2000×27.489/5000=1099.56≈10996
n=1000×27.494=27494
此时，用控制卡的ES m, n命令，可以保证矢量插补时两轴位移分辨率一致。
3.4传动件的消隙：
传动机构存在间隙，也叫侧隙，由于DMC-1842运动控制卡取消了辅助编码器接口，无法同时反馈轴端编码器信号和位置信号，一种软件消除传动件间隙的方法是：将控制卡固件升级到Rev s63b版本，该版本提供一个BK命令用来消除反向间隙。另外可以采用的硬件消隙方法有：消隙齿轮消隙、柔性齿轮消隙、对称传动消隙、偏心机构消隙、齿廓弹性覆盖层消隙等方法[4]。
3.5坐标变换：
机器人切割系统采用两种切割方式：定位切割和搜索切割。涉及两个直角坐标系：机床坐标系、切割物体坐标系。所有的图形绘制都是基于切割物体坐标系的，切割时再转换到机床坐标系。机器人切割台上沿X、Y方向各有三个气缸，定位切割时气缸顶起来，切割物体靠在定位杆上，此时坐标变换相当于一个坐标平移;搜索切割是将切割物体大致放于切割区，由机器人自己去搜索切割物体(机器人切割头上装有一个激光搜索器，下方有反光物体时会产生一个输入信号)，此时只需搜索切割物体y方向上的一个点和x方向上的两个点就可以确定切割物体平面(切割物体一般是矩形)，此时的坐标变换相当于平移+旋转变换。
设切割物体坐标系为[O‘;i‘，j‘]，机床坐标系为[O;i，j]，切割物体坐标系的原点O‘在 [O;i，j]中的坐标是[x0，y0]T，如果M点在[O;i，j]与[O‘;i‘，j‘]的坐标分别是[x，y]T与[x‘，y‘]T，S为正交矩阵，假设切割物体倾斜放置，可以理解为机床坐标系[O;i，j]通过逆时针旋转θ角得到切割物体坐标系[O‘;i‘，j ‘]，此时切割物体坐标到机床坐标变换公式为[5]：
4 实验结果：
机器人伺服采用SANYO公司[2]的产品，各轴伺服系统的具体参数为：
X轴：伺服型号：PY2A050A2 电机型号：P60B13150B
Kp：45 Kvp：160 Tvi：20 VCMS：200
Y轴：伺服型号：PY2A030A2 电机型号：P50B08075H
Kp：37 Kvp：240 Tvi：15 VCMS：200
Z轴：伺服型号：PY2A015A2 电机型号：P50B05020D
Kp：37 Kvp：200 Tvi：15 VCMS：200
控制卡参数：KP 12,8,8 KI 8,2,2 KD 30,10,10 BK 5,5 MT,,-1 CE,,2 OE0,0
图5显示了机器人XYZ三轴联动时采集到的XY轴的运行轨迹：
图5：机器人运行轨迹
5 结束语：
本文从硬件到软件介绍了基于DMC-1842运动控制卡的切割机器人的实现过程，从工业现场的实际运行效果来看，该套机器人切割系统工作性能稳定，切割刀印光滑，具有较高的切割精度，切割速度快。机器人预留了6路TTL输入接口，可用于日后完善机器人的安全区域物体侵入检测等行为，增强机器人的安全性能。此外，该机器人还有一些可以改进的地方，比如设计更好的传动机构以达到更高的定位和切割精度，根据气温微调各轴分辨率以克服热胀冷缩对精度的影响，设计自动换刀机构以提高切割效率等等。
