示教编程器在点胶机器人中的应用

摘要：本文简要的介绍了一种应用在点胶机器人上的示教编程器。包括编程器的结构、原理，以及在乐创自动化技术有限公司开发的FS30点胶机器人控制系统中的应用。这种示教编程器可以示教出各种各样复杂的图形，让点胶机器人按照人的意志和点胶工艺的要求来执行相应的指令，完成点胶功能。
关键词：示教 点胶机器人 起点校正 阵列 文件连接 连续插补 点胶工艺

0 引言
在工业生产中，很多地方都需要用到点胶，比如集成电路、印刷电路板、彩色液晶屏、电子元器件（如继电器、扬声器）、汽车部件等等。传统的点胶是靠工人手工操作的。随着自动化技术的迅猛发展，手工点胶已经远远不能满足工业上的要求。手工点胶具有速度慢，精度差等缺点。市场上要求一种速度快，效率高，精度高的设备。因此就出现了全自动点胶机器人。
在科技就是第一生产力的今天，全自动点胶机器人的出现为点胶行业带来前所未有的机遇和发展。大大地提高了点胶的效率，降低了生产成本，并具有精度高，可靠性高，适应性强等优点。
示教编程器系统可以使用户与点胶机器人简单方便地交流，让机器人按照用户的想法和点胶的工艺要求来运动。它能够简易地控制点胶机器人，发送各种运动指令，执行各种图形的点胶。此外，经过简易的改造后，这个系统还可以用在点焊、激光切割等机器人上。

1 系统结构
1.1 点胶机器人构造
点胶机器人由“机械+电机+运动控制卡”组成。其系统结构如下图所示：


图一 点胶机器人结构示意图
机械部分就是一个三自由度的传动机构平台。胶头可以通过机械的移动定位到空间的任意一个(x,y,z)坐标。运动控制卡实际上相当于一个智能的电子计算机。它发脉冲给电机的驱动器，使电机带动机械运动。它可以控制机械走出各种各样的轨迹，灵活的控制运动速度、加速度，进行高精度地定位。其定位精度可达到0.01mm。另外，这个卡还留有RS232接口与外界设备，比如示教盒或PC通讯。

1.2 示教编程器的结构
示教盒的主要硬件结构如下图所示：


图二 示教盒硬件结构示意图
示教盒主要由CPU、LCD显示、键盘、flash可掉电存储器、通讯模块组成。
操作人员使用键盘和LCD进行人机交互。CPU把操作人员的想法变成机器指令通过RS232通讯口发给运动控制卡。另外，CPU还可以把一些操作人员设置好的图形以文件的方式存储在flash可掉电存储器中。

2 系统软件设计
系统软件的流程如下：


图三 示教盒软件结构示意图
软件使用KeilC语言编写。
键盘检测选择采用扫描方式而不是中断方式。因为扫描方式使软件结构更加整洁，更容易管理。键盘触发的持续时间一般比较长，至少是毫秒级的。MCU的速度是MHZ级，扫描键盘绰绰有余，不需要担心实时响应问题。键盘检测的中断方式虽然响应很快，但是会导致软件的结构混乱，难以管理，内存操作复杂。
软件的核心模块在于文件的存储和编译。
文件需要以一定格式来存储。文件存储并不需要用标准的Fat或Fat32等格式，因为它并不需要携带复杂的信息。文件只需要进行方便的读、写、复制、删除、修改等操作就可以了。因此，选择采用链表的方式存储文件。另外，使用链表操作效率也是很高的。
以用户的角度看，文件中存储的内容就是一些点列表。比如孤立点，直线起点，直线终点等等。这些点在一起就可以组成一个完整的图形（详细可参见第3章的介绍）。另外文件中还有一些参数，比如运动的速度、加速度、上抬高度等等。
文件编译就是把存储在文件中的点列表信息和参数转化成运动指令发送给运动控制卡。实际上文件编译可以看做是一个如下的映射过程：


图四 文件编译过程示意图
根据文件的结构和对应的运动指令之间的关系，就可以构造出映射函数的内容，实现编译的过程。

3 示教流程
3.1 示教流程
如果人想让点胶机器人运动一个如下图所示跑道型的轨迹。


图五 示教跑道图形示意图
这个跑道可以看做是“直线+圆弧+直线+圆弧”组成。直线由2个点（起点和终点）确定，圆弧由3个点（起点、中点和终点）确定。因此只需要把这些“关键点”位置定下来，用户就可以示教出一个完整的图形。操作者需要首先新建一个文件。然后，按示教盒的提示依次插入每段图形的起点、中点和终点（如图五所示7个点），就确定下来这个图形。最后设置一下运动的参数。于是就示教出了一个图形文件。用示教盒执行这个文件就可以按这个文件的图形加工了。
3.2 复杂图形示教
3.2.1 文件阵列
如果要示教出一个4行，5列的矩形阵列。如下图所示：


图六 示教阵列图形
首先只需要示教出一个矩形（由4条直线组成）。然后设置阵列的属性，包括阵列的行数、列数、行偏移、列偏移以及方向（先X方向还是先Y方向）。最后运行文件即可。

3.2.2 文件连接
如图六所示图形。如果只用单个文件想把9个圆形和4个正方形示教出来，过程会非常复杂。但是只要使用文件连接功能，只需要简单地示教一个3x3的圆形阵列和一个2x2的矩形阵列，然后把他们连接起来，就可以了。


图七 示教文件连接

4 点胶工艺及解决方案
4.1 拐弯冲击处理
点胶机器人运动拐弯的地方（比如2条相邻直线的拐角处），通常情况，为了防止堆胶，一般需要先急停，再突然加速执行下一段曲线。但是这个过程会导致强烈的机械冲击。
为了克服机械冲击，在图形拐弯处采用了速度前瞻技术。通过提前预判轨迹来处理拐弯的速度和加速度。使点胶机在拐弯的地方平滑拐弯，有效的避免了机械冲击。这个过程就是连续插补过程。拐弯的的连续性可以通过设置拐弯加速度来控制。

4.2 开胶延时和提前关胶
出胶控制器是用IO信号来控制是否要出胶。不管是开胶还是关胶，它都有一个固定的延时。开始加工一个图形的时候，先开胶头，然后需要延时一段“开胶延时”后再开始加工。
一个图形加工完了后，常常需要关胶。此时控制卡就会给出胶控制器发送一个关胶信号。此时虽然图形走完了，但是过一段时间胶水才会完全停掉。此时就会导致图形结束出堆胶。为了避免这种现象，就需要提前关胶。提前关胶实际上是采用位置比较输出技术做到的。也就是说通过提前预判关胶的位置来实现在某处提前关胶。

4.3 起点校正
图形的形状在编程的时候就已经固定下来了，但是图形的整体相对位置还没有定下来。被点胶的工件是放置在加工平台上的。由于安装误差，肯定不可能每次都放置在同一个地方。因此示教盒必须要有起点校正的功能。在每次加工前重新校正一下起点，使工件和胶头的轨迹吻合。

4.4 其他工艺和特点
 多种基本图形：孤立点、直线、折线、圆弧、整圆、半椭圆、整椭圆。
 3维空间图形连续插补：可实现三维图形连续插补轨迹运动。
 平台适应性：小到几毫米，大到几十米的平台均可直接使用。
 复位重新定位坐标系：在故障时或误差累积到一定程度时，通过简单的机械复位可以重新定位到以前的坐标系。定位精度0.01mm。
 循环加工：实现同一个图形自动反复加工。可以设置循环加工次数和循环加工时间间隔。
 急停：使驱动器断电立即停止机械运动。
 分步加工功能：可加工完一段图形后自动暂停，按键后继续加工下一段图形。
 加工中可插入吹气点：吹气点会给吹气设备一个IO信号，把粘滞的胶水拉丝吹断。
 流水线接口：使点胶机可装配在流水线上与流水线配合操作加工。
 多IO控制：同时控制多个胶头，使它们分别实现不同的功能。
 激光、点焊同类设备通用性：把出胶控制器换成激光头或焊头，进行简单改动即可。

5 结束语
本示教编程器已成功应用于乐创自动化技术有限公司开发的点胶机器人控制系统FS30中，作为人机交互的关键环节，它可以使人更轻松地与机器人交流，让机器人根据人的意志来工作，避免了用冗长复杂的代码指令等来控制机器人。
在未来，示教编程器将会越来越广泛的应用在各个工业领域。极大的方便人与机器之间的交流，把机器人的功能发挥到最大的程度。