基于数控双通道系统的玻璃机与机械手的联动控制方法

技术领域

本发明涉及数控领域，具体地说是一种基于数控双通道系统的玻璃机与机械手的联动控制方法。

背景技术

用于手机的玻璃盖板或陶瓷盖板生产的玻璃机与机械手配套使用是减轻工人劳动强度和实现工业自动化的一个重要手段，目前市场上玻璃机与机械手配套有以下几种方式，一是通过在玻璃机顶部设计龙门式桁架直角机械手，玻璃机与机械手共用一个控制系统，系统控制伺服电机，丝杠和皮带传动装置带动机械手运动，实现机械手的自动上下料功能；二是在玻璃机里面增加三关节机械手装置，玻璃机和机械手分别使用不同的控制器，再采用控制系统的外部PLC来进行信号的交互，实现机械手的自动上下料功能。

上述的采用龙门式桁架直角机械手方式，存在龙门式桁架直角机械手的自由空间有限，适用场合受到局限性的问题；上述在玻璃机里增加整套三关节机械手，玻璃机和机械手分别使用不同的控制器来控制，并且两个控制器之间还要进行信号的交互，这样一方面存在增加设备成本的问题，另一方面存在灵敏度不高的问题。

人们一直期望仅用玻璃机的控制器即控制玻璃机的运动，又控制三关节机械手的动件，来达到降低设备成本的目的，但是，由于技术原因一直没有实现；另外，如果实现三关节机械手末端在需要时保持直线运动，以达到快整精准移位，也是本行业控制系统中的一个难题。

发明内容

为了克服上述问题，发明向社会提供一种机械手的自由空间不受限制，且不需要两个控制器，可降低设备成，以及提高机械手灵敏度的基于数控双通道系统的玻璃机与机械手的联动控制方法。

本发明的技术方案是：提供一种基于数控双通道系统的玻璃机与机械手的联动控制方法，将三关节机械手控制系统集成到玻璃机数控系统中，所述玻璃机数控系统通过EtherCAT总线或NCUC总线与所述三关节机械手系统连接，所述玻璃机数控系统具有双通道，其中，通道0为玻璃机控制通道，通道1为三关节机械手控制通道，所述联动控制方法包括如下步骤：

S1、在自动模式下，通过示教界面采集三关节机械手末端的设计运动轨迹中的n个三维坐标点，其中，n是大于等于2的整数，起始端三维坐标点表示为三维坐标点O(0，0，0)，OXY坐标平面上的终止点三维坐标点表示为三维坐标点(x

S2、依次将三维空间中三个坐标平面中的OXY坐标平面的三关节机械手末端的平面坐标通过预定算法转换成相应的角坐标；

S3、将由S2所算出的每个角坐标依据G代码生成原则生成相应的G代码，形成G代码轨迹程序；

S4、将所述G代码轨迹程序插入到通道1的加工程序中形成新的加工程序，并运行新的加工程序；

S5、三关节机械手控制通道实时将三关节机械手末端位置信息与玻璃机控制通道进行交互。

作为对本发明的改进，上述第S2步中的所述预定算法是在OXY坐标平面，依据已知的目标点坐标(x,y)和已知三关节机械手的第一连杆的长度(a1)和第二连接杆的长度(a2)，求出第一关节角(q1)和第二关节角(q2)，得到与第一关节角(q1)相应的第一角座标和与第二关节角(q2)相应的第二角座标；对于在OYZ坐标平面和OZX坐标平面内的目标点坐标转换成相应角座标的算法，与目标坐标点(x,y)在OXY坐标平面内转换成相应关节角的算法相同。

作为对本发明的改进，所述三关节机械手在同一个坐标平面内有两种情况，第一种情况是所述第一连杆的长度(a1)和第二连接杆的长度(a2)的绞接点在目标点坐标与原点的连线(r)之下时，

作为对本发明的改进，本发明还包括手动模式，通过玻璃机面板点动直线运动按键,控制三关节机械手末端直线运动，利用速度分解算法将玻璃机面板给出的直线运动速度与方向转换成三关节机械手的角速度运动；将得出的角速度存在存储模块中，并通过寄存器交换玻璃机直线运动方向、速度与三关节机械手速度分解后的角速度。

作为对本发明的改进，所述速度分解算法是根据相邻两角坐标中的关节角，依据下述公式进行计算，

x＝a

y＝a

对上述公式求微分得速度公式，

采用向量符号

其中

得到最终速度分解公式

当x

作为对本发明的改进，所述速度分解算法是依所述速度分解算法是根据求出的第一关节角(q1)和第二关节角(q2)的值，依据下述公式进行计算，

x＝a

y＝a

对上述公式求微分得速度公式，

采用向量符号

其中

得到最终速度分解公式

当x

本发明提供了一种基于数控双通道系统的玻璃机与机械手的联动控制方法，采用的是双通道控制系统，通道0为玻璃机，通道1为三关节机械手，将机械手控制算法集成到数控系统，机械手和玻璃机共用一个数控系统控制，极大降低设备成本；具有广泛的应用市场，能够较快适用于玻璃机与机械手上下料场合。

附图说明

图1是本发明联动方法的方框结构示意图。

图2是本发明所使用的数控系统的方框结构示意图。

图3是本发明所使用的软件流程结构示意图。

图4是本发明关节角计算示意图一。

图5是本发明关节角计算示意图二。

图6是本发明关节角计算示意图三。

图7是本发明关节角计算示意图四。

图8是系统加工主界面截图。

图9是三关节机械手主界面截图。

图10是三关节机械手示教功能界面截图一。

图11是三关节机械手示教功能界面截图二。

图12是本发明监控界面截图。

图13是示教界面中的点位功能界面截图。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。

请参见图1，图1揭示的是一种基于数控双通道系统的玻璃机与机械手的联动控制方法，将三关节机械手控制系统集成到玻璃机数控系统中，所述玻璃机数控系统通过EtherCAT总线或NCUC总线与所述三关节机械手系统连接，所述玻璃机数控系统具有双通道，其中，通道0为玻璃机控制通道，通道1为三关节机械手控制通道，所述联动控制方法包括如下步骤：

S1、在自动模式下，通过示教界面采集三关节机械手末端的设计运动轨迹中的n个三维坐标点，其中，n是大于等于2的整数，起始端三维坐标点表示为三维坐标点O(0，0，0)，OXY坐标平面上的终止点三维坐标点表示为三维坐标点(xn，yn，zn)；

S2、依次将三维空间中三个坐标平面中的OXY坐标平面的三关节机械手末端的平面坐标通过预定算法转换成相应的角坐标；

S3、将由S2所算出的每个角坐标依据G代码生成原则生成相应的G代码，形成G代码轨迹程序；

S4、将所述G代码轨迹程序插入到通道1的加工程序中形成新的加工程序，并运行新的加工程序；

S5、三关节机械手控制通道实时将三关节机械手末端位置信息与玻璃机控制通道进行交互。

请参见图2，本发明所采用的数控设备，其硬件部分主要包括玻璃机、数控系统及机械手，整体包含了华中818D数控面板，控制器IPC200、I/O模块、伺服驱动器和伺服电机。

数控系统通过EtherCAT总线或NCUC总线连接玻璃机和机械手的伺服驱动，控制器IPC200可以支持EtherCAT或NCUC总线两种协议，具体情况根据现场设备的伺服驱动器的通讯协议来选择，连接顺序如图2所示，玻璃机分别有一个X轴方向、一个Y轴方向和四个Z轴方向的伺服驱动电机，四个Z轴上分别带有四个变频主轴，组成四个Z轴多头玻璃机，可以同时进行四个工位同一种工件；三关节机械手分别由UVW轴伺服驱动电机组成；I/O模块实现控制器输入输出信号；D/A模拟电压模块控制变频主轴的转速。

请参见图3，图3是本发明所使用的软件流程结构示意图。从图3可以看出，本发明在开机以后，首先进行初始化，初始化结束后，默认进入自动模式，自动模式下的运行程序与图1所示的过程相同，首先通过机械手示教界面记录N个连续坐标点；然后，将UVW轴点坐标依照预定算法转换成摆动轴角坐标；再根把情况选择情况一或情况二的换算公式进行换算，再将计算结果依据G代码生成原则生成G代码轨变程序，最后，将G代码轨变程序插入通道1的工作程序中，并运行新的工作程序。

在手动模式下，通过玻璃机面板点动直线运动按键,控制三关节机械手末端直线运动，利用速度分解算法将玻璃机面板给出的直线运动速度与方向转换成三关节机械手的角速度运动；将得出的角速度存在存储模块中，并通过寄存器交换玻璃机直线运动方向、速度与三关节机械手速度分解后的角速度。

下面结合图4至图7来说明本发明的预定算法，如图4所示，自动模式下直线运动，在示教生成G代码时，通过预定算法完成直角坐标系坐标与机械手摆动轴角坐标的相互转换；具体计算时，以OXY坐标平面为例，其作两个坐标平OYZ\OZX算法相同，在OXY坐标平面，依据已知的目标点坐标(x,y)和已知三关节机械手的第一连杆的长度(a1)和第二连接杆的长度(a2)，求出第一关节角(q1)和第二关节角(q2)，得到与第一关节角(q1)相应的第一角座标和与第二关节角(q2)相应的第二角座标；对于在OYZ坐标平面和OZX坐标平面内的目标点坐标转换成相应角座标的算法，与目标坐标点(x,y)在OXY坐标平面内转换成相应关节角的算法相同。

从图4可知，可知，

r

r2＝a

由此可得，

从图5可知，

按此算法即可得到直角坐标与角坐标的转换公式，又对于机械手同一个直角坐标可能有两种情况，所以考虑两种情况得出最终坐标转换计算公式；

情况一，如图6所示，得出：

情况二，如图7所示，得出：

在实际生成G代码时，会根据玻璃机参数设置的机械手运动限位进行有效性判断，最终确定采取两种情况中的哪一种姿态，可以保证机械手运动时的安全性。

手动模式下点动直线运动，通过玻璃机面板的点动按键控制机械手直线运动，将玻璃机面板按键给出的直线运动速度与方向转换成机械手的角速度运动，实际上是一种速度分解的算法；手动模式的机械手算法集成在PLC模块中，通过寄存器交换玻璃机直线运动方向、速度与机械手速度分解后的角速度；在自动模式的位置转换计算中已知：

x＝a

y＝a

对上述公式求微分得速度公式，

采用向量符号

其中

得到最终速度分解公式

当x

下面结合图8至图13，来说明本发明的具体使用过程。

请参见图8，图8是本发明控制系统加工主界面。系统加工主界面的左边是玻璃机B800-4机床坐标、加工信息和通道0加工程序加载，右边是三关节机械手；在该界面可以进行如下操作。

1)开启设置：按快捷键Q键，打开或关闭料仓设置和取/放料标记复位的功能；

2)料仓容量：按快捷键A键，设置料仓最大的玻璃片数；

3)原料数目：按快捷键S键，设置料仓实际的玻璃片数；

4)成品数目：按快捷键D键，设置料仓实际已有的玻璃片数；

5)料仓清零：按快捷键F键，料仓容量和原料数目恢复设置的值，成品数目清零；

6)单片停止：按快捷键E键，循环启动时，机械手会将机械手上的原料放到机床工位上加工并取成品到料仓；或机械手无原料工作台有成品，机械手取成品并放到料仓；只要机械手无原料、无成品和工作台无料料、无成品的情况下，机床和机械手结束运行，循环启动结束；

7)机械手：按快捷键R键，循环启动时是否启动机械手，若打开，机械手执行自动上下料；若关闭，循环启动时机械手不工作；

8)取/放料标记复位：清除工作台有原料标志、工作台有成品标志、机械手有原料标志和机械手有成品标志。

图9是三关节机械手的主界面；图中显示三关节机械手的三个关节机械坐标显示和通道1程序加载；可以进行如下操作：

1)加载：装载机械手自动上下料宏程序；

2)示教：三关节机械手采点并生成G代码程序；

3)设置：设置三关节机械手参数；

4)监控：I/O输入输出监控；

5)点位：微调三关节机械手取放玻璃原料和取放玻璃成品精确点。

图10是三关节机械手示教功能界面。主要功能是三关节机械手采点，并生成G代码轨迹程序。操作如下：

1)起点：起始位置；

2)延时：延时时间，单位毫秒；

3)M指令：M代码；

4)顶料:机械手放玻璃原料到工作台治具时，推料动作，推料距离可修改；

5)点位：非直线轨迹；

6)直线：直线轨迹；

7)取料：机械手在料仓取原料动作，在第一片点XY方向作偏移，只需采第一个取原料点，实现码垛功能取原料；

8)放料：机械手往料仓放成品动作，在第一片点XY方向作偏移，只需采第一个放成品点，实现码垛功能放成品；

9)保存：保存该程序的采点点位；

10)生成程序：生成机械手G代码轨迹程序；

11)历史程序：可查看已生成G代码轨迹程序的采点点位。

图11是三关节机械手设置功能界面，用于设置三关节机械手的臂长参数，

1)L1：按下快捷键Q键，U轴臂长长度参数；

2)L2：按下快捷键W键，V轴臂长长度参数；

3)L3：按下快捷键E键，W轴臂长长度参数；

4)P：按下快捷键R键，G代码程序步距。

图12是系统监控界面，可以查看I/O输入输出状态。

图13是示教界面的点位功能界面，此界面的点位从示教界面的取放原料点、取放成品点和校正点提取出来的点位，方便修改示教界面的点位；它可以实现：

1)当前位置：记录当前机械实际坐标；

2)更新坐标：子程序重新生成G代码轨迹。

在不脱离发明思想的情况下，凡应用发明说明书及附图内容所做的各种等效变化，均理同包含于发明的权利要求范围内。