本发明涉及工业机器人技术领域，具体是一种开放式工业机器人控制器。
背景技术：
近年来，技术进步、市场竞争、劳动力短缺与成本上升等催生自动化需求不断高涨，为了降低成本，提高效率，同时保障产品制造质量，无人化、少人化已成为工业领域不可阻挡的趋势，各个国家都在推动基于cps(cyber-physicalsystems)的智能制造计划，欧洲以德国为代表主推的工业4.0，中国称之为中国制造2025，还有美、日均有类似的国家计划。智能制造离不开机器人，必须要有机器人具备的柔性，作为重要要素，才可能实现智能制造，而机器人柔性的体现，重点看机器人控制器是否具备这样的能力。
面向工业应用的机器人控制器，需提供机器人任务编辑、规划、控制、执行、监控功能，且能与机器人附属或周边设备协同交互。作为机器人实现精准作业的核心控制部件，决定了机器人动作与作业执行处理流程的效率、智能性及多样性，是机器人产品技术先进性的主要决定要素。工业领域应用的机器人以4至6轴机械手为主，这类机器人近年市场竞争激烈，尤其中国市场，各个机器人厂家对产品成本均控制非常严格，以应对激烈竞争，控制器作为核心部件也必须严格控制成本，同时还需提升系统处理能力与扩展性，以应对市场多样需求。当前欧美日主流厂商控制器系统封闭、成本较高，难以满足国内工业机器人市场需求，而当前市场上常见的基于x86体系架构的机器人控制系统，成本高、系统架构僵化，性价比较低。
专利cn03100077就开放式机器人控制器阐述了设计理念，主要基于实时linux系统特性，进行系统软件功能组织结构设计阐述。专利200810161105.x提出的具备示教功能的机器人控制器，其结构封闭，仅能处理6+2型机器人与附加轴控制，多轴扩展能力与多机器人协同能力并不具备，不具备扩展能力。爱普生在其专利cn201010225775.4提出的控制器，仅能控制6轴机器人，其结构封闭，不具备扩展能力。专利cn201110172333.9提出一款开放式控制器，其基于pc+运动控制卡的形式构建，系统结构决定了开发与扩展性能制约较大，且成本较高。专利cn201310052729.9提出一种机器人控制器，该控制器基于arm芯片系统构建，核心处理器需要完成触摸控制屏与机器人驱动控制处理，其性能有限，仅能适用于低端应用。cn201410667272提出一种6自由度并联机器人专用控制器，该控制器针对性较强，对各类构型与多机协同不具备扩展能力。综合来看，面向工业应用的机器人控制系统，对安全性和可靠性要求较高，由于早期技术的延续，目前体系结构灵活性并未得到有效重视。近几年，面向智能制造系统多样化与柔性化要求，对控制系统开放性、可扩展性、控制对象多样性等均提出了较高要求，工业机器人控制系统设计导向必须考虑此类应用需求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种开放式工业机器人控制器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种开放式工业机器人控制器，包括示教编程系统、主控制器、轴驱动板和i/o扩展板，所述示教编程系统内置高端arm芯片，并基于以太网与主控制器采用c/s模式通信，主控制器内置高端dsp芯片，主控制器通过内部总线与机器人的多个轴驱动板通信连接，轴驱动板通过脉冲信号对多路伺服电机进行驱动，轴驱动板内置stm32芯片；所述主控制器上设有以太网接口、数字i/o端口和多路rs485通信端口，主控制器通过rs485通信端口和rs485总线与级联式的i/o扩展板连接，i/o扩展板用以与现场设备或传感器连接。
作为本发明进一步的方案：所述示教编程系统包括彩色触摸屏、模式切换开关、急停按钮、系统控制按键和轴驱动按键，模式切换开关用于在手动控制、程控控制和远程控制三种模式之间进行切换，轴驱动按键用于驱动轴控制板。
作为本发明再进一步的方案：所述主控制器通过开放式网络结构与外接管理监控pc通信，用于为上位管理系统提供本地设备状态的监控与管理。
作为本发明再进一步的方案：所述示教编程系统具有热插拔功能。
作为本发明再进一步的方案：所述示教编程系统上还设有usb接口。
作为本发明再进一步的方案：还包括用于对系统急停安全电路信号与电机抱闸电路信号输入与输出的安全继电器控制板，安全继电器控制板电性连接主控制器和示教编程系统，且安全继电器控制板基于双冗余安全急停电路设计。
急停按下后，可保障可靠的电机驱动关断与抱闸，保障系统使用安全，急停电路支持多路扩展，可分别在控制柜体、操作台现场利于操作的地点进行部署。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)示教编程系统可插拔设计，可支持实现示教编程系统的互换或与多台主控制器连接，实现一机多控；
(2)基于以太网开放式通信方式，机器人主控制器支持远端任务与系统状态监控，便于现场执行系统集中监控部署；
(3)基于以太网实现前端与主控通信方式，为后续人机交互前端灵活扩展与制造现场信息系统互联提供了便利；
(4)基于总线扩展轴驱动板的方式，可针对驱动轴数量，灵活扩展，多达15轴的驱动能力，可支持各类型机器人与外部轴结合的工作站应用，甚至双机器人协作控制；
(5)基于嵌入式芯片构建系统，并采用分布式轴驱动控制方式，在降低成本的前提下，不损失性能，且可支持系统重构、配置，满足开放式控制器需求；
(6)满足开放式、智能化的机器人控制系统体系架构平台，基于组件化设计思路，行业应用工艺可灵活扩展，支持厂家自主定义工艺包，形成不同用途导向的机器人控制系统扩展与定制能力；
(7)系统支持点、线、圆弧、样条轨迹示教，s形加减速运动平滑，摆动参数控制灵活直观，系统自带焊接工艺包，可支持用户快速部署搬运、焊接、上下料、打磨等集成应用。
附图说明
图1为一种开放式工业机器人控制器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中，一种开放式工业机器人控制器，包括示教编程系统、主控制器、轴驱动板和i/o扩展板，所述示教编程系统内置高端arm芯片(本实施例采用am3354芯片)，并基于以太网与主控制器采用c/s模式通信，主控制器内置高端dsp芯片，主控制器通过内部总线(本实施例采用can总线)与机器人的多个轴驱动板通信连接，轴驱动板通过脉冲信号对多路伺服电机进行驱动，轴驱动板内置stm32芯片，完成脉冲细分与平滑输出，同时完成伺服状态监控、编码器脉冲信号响应处理，降低主控制器芯片的计算与通信处理负担，保障主控制器多模块任务并发处理的实时性，同时也保障了多路伺服电机驱动与传感信号并行实时处理的可靠执行，主控制器接收轴驱动板采集的编码器信号，完成反馈控制计算，并根据目标轨迹要求与控制律计算结果，发送差分驱动指令至轴驱动板，轴驱动板结合伺服控制循环进行脉冲细分平滑输出；多个轴驱动板可在示教编程系统控制界面进行配置，根据机器人构型与外部轴驱动参数，可任意组合实现各种构型机器人配置，配置数据由示教编程系统下发至主控制器，主控制器根据构型参数，采用对应的运动学与动力学计算，实现控制对象的正向与逆向计算，此种架构，可灵活实现对各类构型与周边电机驱动设备的控制，并且支持可控轴数量裁剪与扩展，直接支持包含机器人或者多轴组合的机器人工作站、特定设备的控制；
所述主控制器上设有以太网接口、数字i/o端口和多路rs485通信端口，主控制器通过rs485通信端口和rs485总线与级联式的i/o扩展板连接，实现8路模拟i/o、16路数字i/o等控制需求，最大支持64路数字i/o，由于i/o扩展板是级联式的，因此若用户仍有更多点的i/o控制需求，仅需进行系统配置，即可扩大资源处理边界，保障任何单点故障不影响急停输入作用，i/o扩展板用以与现场设备或传感器连接。
所述示教编程系统包括彩色触摸屏、模式切换开关、急停按钮、系统控制按键和轴驱动按键，模式切换开关用于在手动控制、程控控制和远程控制三种模式之间进行切换，轴驱动按键用于驱动轴控制板，手动控制模式下，用户可通过轴驱动按键，驱动各受控轴驱动板，到达目标位姿后，可拾取机器人或轴驱动板当前位姿数据，完成程控参数记录，也只有在手动模式下，可完成机器人程控任务示教编程；程控控制模式下，可启动示教编程任务，进行模拟运行检验，以及正常运行控制；远程控制模式下，用户可基于远程io预约信号，激活预约配置任务，程控任务与预约数字输入信号映射关系，需要在示教编程器中进行配置，当预约输入有效时，激活对应配置程控任务，主控将该任务加入待执行队列，程控任务可按照预约信号激活顺序，依次执行，远程控制模式下，尤其适合多工位不同作业任务控制应用，工件装夹更换完毕后，即可预约执行，多工位轮换，高效便捷。
所述主控制器通过开放式网络结构与外接管理监控pc通信，可以通过外接管理监控pc读取主控制器内部状态数据，便于构建现场管理监控网络。
所述示教编程系统具有热插拔功能，可以连接接现场任意一台主控制器，进行主控制器任务管理与编程，即可实现一台示教编程系统管理多台机器人，也可降低成本，同时降低现场示教编程系统意外损坏带来的误工损失。
所述示教编程系统上还设有usb接口，可支持用户读写程控任务文件，便于产线一致作业单元任务复制，以及配置数据拷贝下载。
一种开放式工业机器人控制器，还包括用于对系统急停安全电路信号与电机抱闸电路信号输入与输出的安全继电器控制板，急停按下后，可保障可靠的电机驱动关断与抱闸，保障系统使用安全，急停电路支持多路扩展，可分别在控制柜体、操作台现场利于操作的地点进行部署。
本发明的工作原理是：示教器提供机器人与外围工作台轴系构型配置，用户仅需输入机器人与工作台构型参数配置、电机类型、轴系减速比、关节运动范围、编码器配置等控制参数，以及各轴伺服使能、抱闸等io信号电气特性，即可快速完成控制对象配置，经过简单调试与测试验证，即可开始应用。可配置与可扩展特性支持，可令机器人整机制造商、系统集成商、终端用户根据机器人工作站应用需求，进行灵活定制与调整，可支持产线柔性重组，提高投资效益。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。