[发明专利]一种基于可编程控制器的工业机器人直线插补方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业机器人的插运方法，特别是一种基于可编程控制器的工业机器人直线插补方法。 

背景技术

工业机器人在搬运、码垛、焊接、包装等场合的应用越来越普遍，技术越来越成熟，但是目前通用型机器人的成本依然居高不下，因而迫切需要一些经济型的工业机器人，相比通用型的工业机器人，其功能相对单一，价格低廉。价格低决定了其不大可能选用基于PC架构的、高成本的控制器，此时选用通用的运动控制型可编程控制器PLC作为经济型工业机器人的控制器，就是一个很不错的选择。运动控制型可编程控制器PLC有专门的脉冲输出通道，可以通过对驱动器输出高速脉冲实现单轴的运动控制。通常情况下，当用户要求进行直线插补和圆弧甚至是曲线插补时，需要可编程控制器PLC提供对应的专用插补指令。但实际问题在于，对于绝大多数可编程控制器PLC，一般只提供单轴高速脉冲输出指令，较少的可编程控制器PLC机型提供直线插补指令。可编程控制器PLC自带的插补指令对使用场合有诸多限制，例如，插补轴数一般为两轴，插补只适合于关节均为直线运动的情况，即两轴间插补的脉冲比例固定不变。而对于既有移动关节又有转动关节的工业机器人，或者均为转动关节的工业机器人，如圆柱坐标、球坐标、链式坐标等形式机器人，这样的插补指令不能满足需求。此外对插补性能要求越高，可编程控制器PLC的价格就越高，这也是目前可编程控制器PLC存在的局限。 

对于如图1所示的XY直角坐标型工业机器人，其各关节均为移动关节，当需要在直线起点和终点之间实现直线运动时，X、Y两轴的脉冲频率比例是始终不变的，这种情况下的插补比较简单，可以通过带直线插补功能的可编程控制器PLC实现，但是带插补功能的可编程控制器PLC价格往往比不带插补功能的高出许多。此外，随着关节数的增加，可编程控制器PLC自带的插补功能也不能满足要求，多数可编程控制器PLC可实现的插补轴数仅为两轴。 

对于如图2所示的圆柱坐标型工业机器人，其既有移动关节又有转动关节，当需要实现在笛卡尔坐标系内的起点和终点间的直线运动时，在运动过程中的每个时刻，两个关节所需的脉冲频率却是一直在变化的，这种情况下，可编程控制器PLC自带的直线插补功能就无法满足要求。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可编程控制器的工业机器人直线插补方法，以克服现有可编程控制器PLC自身插补性能的局限性。 

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于可编程控制器的工业机器人直线插补方法，提供一工业机器人系统，该工业机器人系统包括至少M个关节，其中M为大于或等二的整数；每个关节均由任意实现圆周运动或直线运动的传动机构传动；由带高速脉冲输出通道且支持数据表运行方式的可编程控制器PLC控制所述每个关节的定位运动;其特征在于，按照以下步骤实现： 

S01：在笛卡尔坐标下，通过示教手段，根据工业机器人正运动学方程获得所述待插补直线运动的插补起点A及插补终点B的工具中心点TCP坐标，且将所述插补起点A的坐标表示为 ，将所述插补终点B的坐标表示为，同时得到所述插补起点A和所述插补终点B两点间的距离S：；

S02：将所述工具中心点TCP在所述笛卡尔坐标系下的运动速度表示为V，并得到插补运行的总时间T：；将所需的插补时间步长表示为，进而得到从所述插补起点A到所述插补终点B所需的理论插补步数：；由于存在机械臂的惯量以及高速脉冲输出口对初始脉冲频率的限制，在插补过程的首尾分别设置加速段和减速段，令加速段和减速段的时间相等，且均表示为，从而得到笛卡尔坐标系下的加速度a：，加减速段所需的插补步数：，实际插补步数应为：；其中，从第0步到第步为加速段，从第步到第步为恒速段，从第到第步为减速段；

S03：根据所述步骤S02中加减速特性相关参数计算每一插补点与所述插补起点A的距离：

，其中，所述插补点为第个插补点,也即插补过程第步插补；

S04：以所述插补起点A的坐标开始，在插补线段AB上的任一插补点在笛卡尔坐标系下的坐标，为，，，其中，，；

S05：确定每个关节的脉冲当量，其中m为关节编号,表示第m个关节，其中；并根据工业机器人逆运动学方程，分别求出每一插补点坐标对应的每个关节的角位移或线位移；且基于该位移量，求出每个关节对应的高速脉冲通道的目标脉冲数:或；将各高速脉冲通道中当前插补点的目标脉冲数与上一插补点的目标脉冲数的相减，得到各通道每插补一步需要输出的脉冲增量：；由于是等时间间隔插补，即每一步都是在内完成的，进一步得到每插补一步对应关节的脉冲频率F：；