工业机器人第七轴的硬件设计与实现

发表时间：2019-05-06T10:18:45.263Z 来源：《电力设备》2018年第31期 作者： 于帅涛

[导读] 摘要：近些年来，随着我国综合国力的不断提升，国内的先进科技水平也随之不断提升，“中国制造2025”部署的全面推进，工业机器人作为重点发展的十大领域之一，广泛应用于现代制造工厂。 （身份证号码：13062719830814XXXX）

摘要：近些年来，随着我国综合国力的不断提升，国内的先进科技水平也随之不断提升，“中国制造2025”部署的全面推进，工业机器人作为重点发展的十大领域之一，广泛应用于现代制造工厂。工业机器人的大规模使用已经成为智能制造的发展趋势和必然要求，在很多工作站上下料的使用场合，工业机器人手臂运动空间有限，难以满足要求，这就需要为工业机器人配置一个直线轴，使工业机器人先整体移动到机器人手臂能够触及的位置，然后由机器人手臂完成上下料动作。 关键词：工业机器人；第七轴；硬件设计；实现 引言

七轴机器人广泛用于医疗、深海、遥操作等应用场合中。虽说冗余自由度机器人在工业的应用场合远不如医疗机器人、特种机器人的需求那么大，可就在近期，各机器人厂商纷纷发布最新的人机协作机器人，它们几乎全部都采用七个轴的冗余自由度工业机器人。国际知名机器人厂商纷纷发力，推出七轴机器人新产品，以抢占高端新市场，这更引发了我们对于七轴工业机器人的深入思考。本文介绍了上下料工作站中工业机器人第七轴控制的必要性。 1我国工业机器人第七轴的发展历程

上世纪70年代末80年代初，为了更好地解决空间技术难题和先进制造的需要，国外科研人员开始对冗余自由度机器人进行研究。我国对于七轴机器人的科研工作始于20世纪90年代初，而当时项目的领军人物正是我国已故的著名机器人技术专家、中国工程院院士张启先，而张启先院士的主要贡献之一便是完成了七自由度冗余机器人样机的研制。上世纪70年代末80年代初，为了更好地解决空间技术难题和先进制造的需要，国外科研人员开始对冗余自由度机器人进行研究。1979年，东京大学便研制了UJIBOT七轴机器人操作手；1987年，日本MITI机械工程实验室研制了七轴直接驱动型机器人操作手；美国的Robotics Research公司于1987年更是开发出有两个七自由度机器人和三自由度组成的机器人系统。我国对于七轴机器人的科研工作始于20世纪90年代初，而当时项目的领军人物正是我国已故的著名机器人技术专家、中国工程院院士张启先，而张启先院士的主要贡献之一便是完成了七自由度冗余机器人样机的研制。

上世纪80年代末，由于研制难度及其之大，国际上研制出七自由度冗余机器人样机的国家寥寥无几。而张启先院士率领课题组经过几年的艰苦拼搏，在1993年年底完成了首台七自由度冗余机器人样机的研制，并一次通过“863”课题验收和部级鉴定。此项成果不仅在我国处于领先地位，而且在某些方面还达到国际先进水平。1995年，北京航空航天大学机器人研究所为香港科技大学研制的新型“七自由度机器人”采用了交流伺服电机驱动，而且控制系统更为先进可靠。该样机在香港科技大学展出后，受到了校方的一致好评。

尽管我国在冗余自由度机器人方面取得一定成果，但主要停留在学术论文、科研报告和实验样机的阶段，并没有实现真正的产品化发展，这无疑制约了我国机器人产品向高端产业化迈进的步伐。 2工业机器人第七轴的硬件设计与实现 2.1总体方案设计

本文采用ABB公司的机器人，该机器人提供了丰富的I/O通信接口，使用DeviceNet总线协议，其外围连接华太公司的远程I/O模块FR8030实现数据通信，而西门子PLC组态数字输入模块1221负责接收机器人提供的位置信息与速度信息，PLC以此信息为依据发送速度与方向指令给伺服驱动器，由驱动器负责转换成电机所需要的电流，进而控制电机运动，以此来控制第七轴的移动位置。 2.2硬件电路设计

本文中ABB控制器XS17接口与华太远程I/OFR8030总线接口连接。其中XS17为CAN通信远程I/O模块，远程I/O的输出模块FR2108与1221数字输入模块相连接，负责接收机器人侧发送的位置信号与速度信号，具体I/O接线在此不再赘述。PLC依据接收信号发送脉冲指令给三菱伺服驱动器MR－JE－40A，伺服驱动器控制电机动作。 2.3ABB控制器通讯板卡配置与I/O配置 2.3.1通讯板卡配置

板卡配置步骤如下：打开系统总电源，待系统启动后，将工作方式切换到手动方式；点击示教器屏幕左上角的“ABB主菜单”，在跳出的主页面中双击“控制面板”；在控制面板中双击“配置”，在I/O页面中选中“DeviceNet device”，点击“显示全部”；在“DeviceNet device”页面中点击添加，在“使用来自模板的值：”一栏中，点击下拉按钮，选择“DeviceNet Generic device”；在跳出的页面中进行参数设置：参数“name”定义为FR8030；参数“adress”设置为11；“VendorID”设置为9999；Product Code设置为67；DeviceType设置为12；参数“ConnectionOutput Size（bytes）”设置为12字节；参数“Connection Input Size（bytes）”设置为2字节；其他参数选择默认；点击“确定”完成板卡配置。 2.3.2I/O配置

I/O配置步骤如下：在I/O页面中定义I/O信号，点击页面底部的“添加”按钮；参数“name”设置为“DO-0”；参数“Typeof Signal”设置为“Digital Output”；参数“Assigned todevice”设置为FR8030；参数“Device map”设置为0；至此一个输出信号设置完成。这里需要说明的是参数“Device map”对应的数字即为远程I/O模块上对应I/O点数的序号，0~7对应FR8030第一个输出模块FR2108上0~7接口，8~15对应FR8030第二个输出模块FR2108上0~7接口，依此类推。 2.4调试步骤

2.4.1PLC控制器程序调试

在TIA Portal软件中组态设备，编写梯形图程序，完毕后，编译保存项目；然后将程序下载到PLC中，下载步骤如下：设置计算机IP地址为192．168．0.8（保证与PLC处于同一网段）；点击“下载”，将显示“可访问的设备”对话框；从“PG/PC接口类型”下拉列表中选择接口类型；从“PG/PC接口”下拉列表中选择编程设备/PC的所需接口；单击“开始搜索”按钮，在搜索表格中显示可访问设备；选中所需可访问设备，点击下载即可。 2.4.2机器人程序调试

当机器人示教器中的程序编写完毕后，开始调试程序，调试步骤如下：点击窗口底部的“调试”菜单，在右侧跳出的对话框中点击“ＰＰ移至例行程序”，显示例行程序目录，选中所需例行程序，点击“确认”即可；在跳出的例行程序窗口中，再点击“调试”，在右侧跳出的对话框中点击“ＰＰ移至光标”；按“单步前进”按钮，即可验证程序运行。 结语

本文介绍了ABB机器人通信板卡的配置过程，给出了工业机器人第七轴运动的硬件设计方案，深刻详述了PLC控制器与步进驱动之间的关系、S7－1200PLC与数字输入模块1221之间的关系，给出了调试程序的具体步骤，并在实验中得到验证，对今后的教学工作与科研工作有很大的借鉴意义。 参考文献：

［1］罗英俊，张军，宁玉红．FANUC 0i－DCNC机床与机器人的组合应用［J］．制造技术与机床，2017（7）：96－100． ［2］刘海生，王中任，吴政江．ＦＡＮＵＣ机器人机床上下料系统设计与仿真［J］．机床与液压，2016，44（9）：21－24． ［3］杨鑫．S7－1200运动控制的结构及原理—电子电路图［EB／OL］．［2017.9］．