机器人控制解决方案技术现状--利用PC平台

作者：林绳宗 译    来源：《Robotics World》

欢迎访问e展厅 展厅 1 工业机器人展厅 大负载机器人, 直角坐标机器人, 机械手, ... 引 言 90年代的十年已被看作是基于PC的技术迅速发展的年代。这种基于PC的硬件和软件的迅猛增长，对制造业（从定单输入和系统分析到生产线过程控制）有十分重要的意义。随着Intel奔腾处理器和微软Windows NT的出现,现在，制造商已有了一种真正的开放式体系结构，非专有的控制环境可以利用。这种环境支持（事实是促进）不同制造设备的广泛的系统集成。它也使制造商能容易地开发用户应用程序，以支持其过程并获得第三方在现成的软件包中得到的经验。更为重要的是，PC硬件和软件平台是在工业界可接受的硬件部件和软件常规标准下建立的。采用标准的好处已被计算行业所证实。这些好处可以容易地转移到工厂车间和控制工业。 这种开放式体系结构环境为系统控制、过程监视和数据采集、质量管理、以及以前不能做到的与其它系统的通信、典型的闭环结构、专用性、用于制造业的计算平台提供了一系列制造业专用的功能。基于开放式体系结构的PC制造的主要好处是在： ·通信 ·连通性 ·部件标准化和可用性 ·节省成本。 开放式PC控制正在为现有的机械系统（如机器人、机床和自动化系统）提供“即插即用”自适应开创新的机遇，为改型和升级资本设备提供大市场。真正的开放式部件和通信协议的最早的例子之一是出现在机器人领域。 今日生产中的PC控制 “财富500家”中的一些公司已积极采取一种基于PC的制造业进取精神来实现生产领域内的PC技术的各种优点。现在，Saturn公司处于将PC技术应用于制造业的领先者行列[1]。 在Saturn公司，生产停顿1分钟要损失4400美元。Saturn确定，它需要最近的100，000个不同类型制造信息存取，以开发更佳的生产过程，使其制造系统不停顿地运行。只是采用工业标准的硬件和软件，Saturn在车辆系统、车体系统和动力传动中实现了一种基于PC的策略和与财务和行政管理真正集成的生产系统。该公司选择微软Windows NT用于其安全措施、图形用户接口和开放式体系结构。 在Saturn公司，基于PC的开放式体系结构，微软Windows制造环境，已证明其对诸如动态喷漆作业调度、生产跟踪和质量监控等关键性任务处理的能力。该系统也自动地搜集90%所需要的制造数据，以便评估各种生产过程，并作出不断的改进。用微软可视图象Basic或可视C++语言，已开发出用户应用程序，以捕获生产和停机时间数据，并用于维护报告，检修和试验系统。该公司甚至已开发出用于远距性能监视的各种机内工具。 “自动化孤岛” 过去20年内，一直由基于计算机的专有技术的实施而引起的车间“自动化孤岛”，由于原始设备制造商（OEM）同意采用硬件、软件、控制、通信和操作用的工业标准协议而正在消失。 机器人自动化的情况除外。专有的控制结构将机器人的应用程序开发局限于简单的、可独立应用的任务。业已表明，从柔性自动化机器人技术中可获得很大好处的肮脏、黑暗和危险的任务，简直不可能以成本有效的方式开发和集成。诸如用穿弧和视觉传感器的自适应多次焊接，或在贴合性材料上散布粘结剂等复杂的应用程序正在‘财富500家’公司内开发。这些大公司在专用机器人控制器的研究和开发预算，工作人员经验和较长的研究开发时间等方面都是能够承受的。但是，这种“先进的”系统并不应用于生产。集成、安装和维护这种试验性的机器人工作单元的成本太高，工厂无法承受。 即使在简单、明确的任务场合，专用机器人控制体系结构也会单独地增加系统实施成本。在大多数场合会妨碍最新开发利益的实现。这对我们北美市场已拥有的115,000台机器人和每年新安装15,000多台机器人来说，简直是难以接受的。 据‘财富500家’有关生产线上装有50台（或更多）机器人的制造商报告，平均来说，一台机器人工作单元的最终实施成本是单独的机器人和控制器报价的3～5倍。附加的成本不仅来自购置外围设备和工具，而且也来自安装和硬接线的集成。 这意味着，一台价值5万美元的机器人和控制系统在工作单元建立和运行时，预期要额外支出15万到25万美元（或更多）。这些费用还只是在“资本拨款”项目下作为一种详细开列的项目出现的。此外还有不可避免的其它支出。这类支出隐藏在工程、维护、备件和培训等其它预算内（或者有时全然不包括在内）。 例如，一台工作单元的程序编制（或重新编制）时间可以是几星期到几个月。操作人员培训时间也许需要长达8个月。备件库存可能要占20%工作单元成本。从而影响到生产停顿时间。实际的价格单据可能是惊人的，而用一个新装置替换生产中的一个现有的机器人臂的费用甚至要更多。基本的机器人轨迹、工具架，I/O及机械接口一般都不相同，需要有新的研究和新的工程。 用基于PC的控制来扩展机器人设备的寿命 自从机器人技术出现以来，仅在北美地区的制造设施上就已安装了11.5万台以上的机器人。最初安装的机器人大多还在工作。与机床的情况相类似（机床的使用寿命可长达几十年），在长寿命基础上，机器人正在日益证明其机械方面是可靠的，可使用的和合理的。有些报告称，在大修前，机器人已使用了50,000小时，但是，平均每隔7年，机器人控制器就显得陈旧了，原始设备制造商为此就要推出一种新类型控制器。 当一家机器人制造商推出“新一代”机器人时，新控制器采用某种新的编程语言这一特色并非罕见。这种新的控制器并不与以前的控制系统向后兼容。这意味着，现有的机器人程序不能用于新系统，因而必须为面临的任务重新编程，以便能在新系统上运行。终端用户只有通过将新系统应用于新的工作站和新的生产线来避免重新编程费用开销。 这种策略在设备扩展和新安装情况下才是行得通的。但是，直到现在还没有好的策略来升级带有新的控制器的现有机器人。随着机器人/控制器群体的陈旧，这个因素正在对试图不断地提高其竞争能力的制造商形成相当大的财务和生产率障碍，但是，只能局限于采用70年代和80年代的计算和控制技术。 机器人原始设备制造商最终的选择是，一旦推出下一代控制器，就不再支持以前的控制器型式。其结果是，采用早先的机器人的用户，现在很难找到他们所用的机器人控制器备件。某些老的机器人控制器所用的专用的印刷电路板多达50块。由于控制器不再得到支持，因而也不再能从原始设备制造商那里获得替换的印刷电路板。必须从转卖商的存货中获得备件。有些型号的替换零件（例如辛辛那提米拉克隆公司的机器人系列用的零件）已非常稀缺。事实上，这是因为原始设备制造商已不再参与机器人业务。如果可提供某种替换零件，其价格也非常高。 在获得备件方面存在的这种问题，在机器人行业是如此普遍，以至在利用废弃部件可能性基础上的一个老的“孤儿”控制器的价格现在将近2万美元。 变动的目标 与机床和自动化设备行业的其它部门不同，机器人行业还未采用任何计算、控制或语言标准。每个机器人制造商都提供其专有的技术，由于机器人的制造和仿制不断变动，专有技术的实施依旧缺乏一般最低可接授的PC工业标准。其结果是，机器人行业随时可以利用PC技术。 资本投资的困境 使用机器人已有10、15或20年的制造商现在面临一种很大的困境。他们已对在生产中机械部件依旧完好的机器人进行了大量投资。在机器人硬件、安装、外围设备、其它的工具和设备，以及培训等方面的投资，很少有希望能适应2000年的制造业要求。控制器不能与车间内或整个企业内的其它设备通信。控制器也不能与同一牌号的新的机器人相连接。原始设备制造商不再要求支持这些控制器，因而也很难找到要使它们运行的备件。 PC控制策略 用一种基于PC的开放式体系结构，即插即用的解决方案来翻修过时的机器人控制器。包括PC平台的价格/性能突破。利用微软Windows NT的处理功能。采用一种开放系统体系结构。支持各种通信。简化操作、培训、维护。使数据采集和分配自动化。规定并执行各种标准。以最小的生产停顿时间重新布置生产线机器人。保留现有的、证明性能良好的工作单元、夹具和工具。在新的工作单元和生产线上重新布置库存机器人，使以前的投资收益为最大，并使今后的资本设备支出为最小。扩充你的资本投资。 一种基于PC的开放式体系结构控制器 世界上第一台运行于Windows NT、基于Intel奔腾处理器的真正的开放式体系结构机器人控制器是在1997年7月，由‘机器人工作空间技术’（RWT）公司推出的。1998年12月，RWT推出第二代URC控制器。 通用机器人控制器（URC）代表了工厂自动化和机器运动控制的一种重要的技术突破。它是专门为即插即用翻修现有的机器人而设计的，以便简单和成本有效地实施运动控制技术现代化。由于受到专用硬件、有限的任选件和单个资源供应商等因素限制，URC的性能远远超出今日新的原始设备供应商所能提供的控制器性能水平。 这种基于开放式体系结构PC的控制的主要好处是以下几方面： ·通信 ·连通性 ·部件 ·成本。 第二代URC概述 URC系统用的所有硬件和软件都是市场上可以得到的、标准的现成部件。完全地集成到一个真正的开放式体系结构平台内。 URC的特点是采用Intel奔腾处理器，一个触摸屏用户接口和一个简化的操作员示教盒。后者最大限度地利用微软Windows软件的特点。与传统的机器人控制器相比，包含有机器人的所有机电接口系统的功率模块是一个非常小的盒子。它可以放置在工作单元中的机器人附近。装有PC、机器人逻辑线路、触摸屏和键盘的URC，作为操作员接口可以安装在工作单元内或外、任何可接近的地方。新的体系结构提供分布式控制，而且甚至可以提供PLC逻辑的功能度。 URC的最新技术水平的功能包括：内部联网、与现有自动化系统的连接，以及监视和报告用的远距连通性。微软Windows NT使用户能用户化用户接口。用诸如微软的可视图象Basic或C++语言，能方便地开发用户应用程序，以便自动地进行数据采集和运行分布式例行程序。URC也将运行任何第三方基于PC的软件，以支持（例如）ISO 9000，以及其它制造业倡议。 URC配置提供的一些优点是：URC可以方便地与多功率模块和其它控制系统相集成，以支持一种分布式控制体系结构。事实上，URC可以在布置工作单元之前安装，以便易于实行企业范围系统的集成。URC也可用作一种培训用的控制台，这种配置对最终用户意味着成本的大量节省。这是因为，它的轨迹功率块减少，减少生产车间的不动产。URC也节省系统集成、培训和备件库存的成本。 标准编程语言 Robot ScriptTM用于任何采用URC的机器人的程序编制。它基于工业标准微软可视图象Basic语言，但是对它作了机器人控制方面的扩充。Robot Script支持所有控制结构和变量类型，使用能建立数据处理、I/O操作和机器人控制用的复杂的应用程序。运动规划、数据处理和伺服控制都嵌入在简单、直观的英语命令内。运动控制系统支持大范围操作机配置用的关节、直线、工具和圆弧运动方式，坐标系、绝对和相对位置、工具、以及连续和点对点运动。 机器人系统的柔性来自其编程能力。实际上，所有的机器人都是用某些类型的机器人编程语言编程的。这些编程语言用来命令机器人移动到规定位置、输出信号，以及读取输入。目前还不存在机器人语言标准，因而每个机器人制造商都在各自开发自己的机器人语言，每种语言都有其自己的语法和数据结构。这种趋势注定还要继续下去。 机器人编程语言障碍 很多因素促使用户从多家机器人制造商那里获得机器人。其结果是，多种语言运行于控制系统内。这就要求机器人编程员精通多种编程语言，或要求编程员精通某些编程语言。这种多样性导致要求有一种能用于任何类型机器人的公用语言。采用微软Windows NT能在软件设计中达到很大的灵活性，而更为重要的是，能利用早已存在的数千个软件程序。这也是一种为许多人所熟悉的操作系统，因而所需的学习时间也较短。 微软的可视图象Basic语言系列包括可视图象Basic描述版本（VB Script）.它原先是为了在因特网上使用而开发的，作为一种网页上附加动态内容的途径。现在，VB Script包括微软Windows98 用作一种批文件语言，并且也将是下一版本微软Windows NT的一部分。 所有基于可视图象Basic语言的语法学习起来都非常简单。所用的命令类似于英语，因此，整个程序易于跟踪和调试。Robot Script是附加有一种专门为机器人用的命令库的VB Script。这些命令的语义的书写格式与固有的VB Script命令中出现的语法相匹配。这种命令也设计成这样，即使不大精通机器人编程的用户也能相对来说较容易地学会这种语言。 通过建立微软Active X控制的语言驱动程序，Robot Script也可利用微软Windows开放式体系结构特性。微软Active控制使软件开发者能将现有的技术嵌入到它的产品内。这使用户能开发出一种常规的用户接口，除了开发者附加的任何其它的特征外，它还能运行、停止和暂停机器人程序的执行。以这种方式，Robot Script程序实际上可与任何其它软件进行通信（如果有人编写一种程序，以便在Robot Script和这种软件之间进行联系的话）。 Robot Script 是一种通用机器人编程语言。一旦机器人编程员学会了Robot Script，他（或她）就可编写出与通用机器人控制器相连接的任何机器人程序。为一台机器人生成的程序可用于不同的机器人（假定所有的示教点都位于这二台机器人的有效工作范围内）。 基于PC的机器人控制的现实世界例子 最近，机器人工作空间技术公司（RWT）完成了一种创新的机器人示范项目，将Cognex checkpoint 900视觉系统与‘通用机器人控制器’相集成，为一家第一流的汽车行业供应商的生产零件完成在线检验。 本架上冲出各种不同尺寸的圆孔和槽孔。经过这些孔，用螺钉与车体零件相连接；经过这些孔引出各种导线和电缆。冲孔过程是利用硬自动化完成的。有时，由于刀具断裂或磨损，冲出的孔不完整，或是由于夹具有问题，冲出的孔位置不对。有时，由于刀具磨损，孔的尺寸超出公差范围。象大多数汽车供应商那样，这家第一流的汽车零件经销商承担零缺陷零件。除了改变工艺外，保证零缺陷的其它方法是工件的在线检验。 为了达到系统的最大柔性，视频摄像机和灯架都直接安装在机器人臂端部处的工具架上。机器人臂在车架长度范围内移动视频摄象机，并扫描车架上的孔。同时，视觉软件计算编程孔的存在、孔的尺寸和位置。 操作者可对测量技术规范进行调整，以保证关键性的孔位于规定的公差内，并避免剔除偏离的非关键孔的零件。在实际应用过程中，二秒钟一次循环，可检验19个孔。 这一示范项目也证实了另外的制造方案：通过“大脑移植”，有效地使已在使用的机器人获得现代先进水平的技术，用基于PC的通用机器人控制器升级已使用的机器人的重新布置的可行性。在这家第一流的汽车零件供应商那里，在某种型号机器人的生产运行结束时，这些机器人按常规退役。现在，则可以最小的资本支出，在诸如在线检验等上游过程中，重新布置这些机器人。该示范项目采用已用了15年的一台ABB IRB-6型机器人，用‘通用机器人控制器’对它进行改装。实施这个示范项目的这家第一流的汽车零件供应商的工厂内装有数百台机器人。在另一家第一流的汽车零件供应商那里，在“即插即用”基础上，用‘通用机器人控制器’对一台Fanuc S-300型机器人进行改装。在这个生产工作单元内，机器人用于汽车座椅架冲孔时的上、下料。URC改装工作不仅包括Fanac S-300机器人的“大脑移植”，而且也包括与冲床和其它外围设备的集成。整个改装工作包括重新编程在内，在不到二天内就完成了。 结论 过去25年内，制造商为开发和实施新技术和新工艺作出了很大努力，以改善工艺过程；提高生产量；提供更多各种类型的产品，并使这些产品以更短的生产周期投入市场；提高质量并降低成本。更快、更好、更便宜。一般说来，工业界在这些方面的努力已取得了显著的成功。 然而，从产品中节省成本也许不再是降低成本的一个可行的方法。从工艺过程中节省成本也不是好办法。事实上，改善企业年终结算时的损益数字才是明智之举。要多注意资本投资和可利用的控制平台有用寿命的延长。基于PC的开放式体系结构控制器也许掌握了重要的关键，以赢得下一世纪的竞争优势。 这种关键将是简单化和标准化。基于PC的控制平台具有所有的“合适的素质”，能协助制造商在21世纪中达到其竞争目标。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/27/2007)