基于LabVIEW的3－UPS－1－PS并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計

謝立臣，王海博，顏 亮

(1河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北邯鄲056038;2邯鄲市生產(chǎn)力促進(jìn)中心，河北邯鄲，056002)

并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、剛度大、精度高、負(fù)載能力強(qiáng)、高速性能好、控制簡單等特點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制也有很多成熟方案，如液壓缸驅(qū)動圓柱副、直線電機(jī)驅(qū)動移動副和旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動螺旋副等［1]。結(jié)合并聯(lián)機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外已有很多專家將并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用在汽車薄板件柔性可重構(gòu)夾具中［2]。本文以汽車焊裝線上作為薄板件柔性夾具結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的3－UPS－1－PS并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)為研究對象，研究3－UPS－1－PS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)。

1 3－UPS－1－PS機(jī)構(gòu)模型及控制原理

1.1 機(jī)構(gòu)模型

3－UPS－1－PS并聯(lián)機(jī)構(gòu)由動平臺、靜平臺、3個UPS支鏈(A1B1，A2B2，A3B3)和 1 個 PS約束鏈(A4B4)組成，見圖1。在3個UPS支鏈上分別裝有電機(jī)，電機(jī)帶動UPS支鏈上的滾珠絲杠，絲桿通過球副連接到動平臺，從而實(shí)現(xiàn)動平臺運(yùn)動。

根據(jù)Kutzbach Grubler公式，空間機(jī)構(gòu)自由度M為

式中:n－空間機(jī)構(gòu)的總構(gòu)件數(shù);g－空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副數(shù);fi－第i個運(yùn)動副的自由度數(shù);fq－空間機(jī)構(gòu)的局部自由度數(shù)。

則本并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度M為

其中包括:1個移動自由度，3個轉(zhuǎn)動自由度。

1.2 硬件組成

該控制系統(tǒng)由NI公司的PCI－7354運(yùn)動控制卡、UMI－7774(4軸)多功能數(shù)據(jù)采集卡和松下小慣量全數(shù)字式交流伺服電機(jī)MSMD－04－Z－P－1－U和自帶的驅(qū)動器MBDDT2210組成［3]。系統(tǒng)連接，見圖2。

1.3 控制原理

在動、靜平臺上分別建立動坐標(biāo)系O'－X'Y'Z'和絕對坐標(biāo)系O－XYZ，O'O和支鏈A4B4重合，O'B1作 X'軸，OA1作 X 軸，見圖3。

支鏈AiBi(i=1，2，3)與靜平臺的夾角為φ。r1為動平臺外接圓半徑，即動平臺上外接圓周上的鉸鏈中心到外接圓圓心的鉸鏈中心的距離，r2為經(jīng)平臺外接圓半徑，即靜平臺上外接圓周上的鉸鏈中心到外接圓圓心的鉸鏈中心距離。令{Ci}為動平臺的第i個鉸點(diǎn)在O'－X'Y'Z'中的坐標(biāo)。由于O'點(diǎn)是動點(diǎn)，故{Ci}為相對坐標(biāo)，{Ai}為靜平臺的第i個鉸點(diǎn)在O－XYZ中的坐標(biāo)，即絕對坐標(biāo);{Bi}為動平臺的第i個鉸點(diǎn)在O－XYZ中的坐標(biāo);［R] 為由O'－X'Y'Z'坐標(biāo)系到O－XYZ坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。則

式中:αi－以O(shè)為端點(diǎn)，分別過第i個鉸點(diǎn)和第i－1個鉸點(diǎn)的兩條射線組成的夾角度數(shù)。

由式(1)得

設(shè)動平臺繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度分別為α、β、γ，則移動參考系變換到固定參考系的旋轉(zhuǎn)矩陣［R] 為

用齊次坐標(biāo)矩陣來表示動平臺的位置姿勢矩陣［G] 為

動坐標(biāo)系O'－X'Y'Z'中的任一點(diǎn)［Q] =［x'y'z'] 中為

{P}={PXPYPZ}為動平臺中心O'在固定參考系中的絕對坐標(biāo)，在機(jī)構(gòu)中{P}={0 0 PZ}，由式(2)得

將式(3)寫成向量形式:

式中:R(Bi)－鉸接點(diǎn)Bi在固定參考系OXYZ中的矢量;R(Ci)－鉸接點(diǎn)Bi在固定參考系O'－X'Y'Z'中的矢量;RP－動平臺中心O'在固定參考系O－XYZ中的矢量。

對式(4)求導(dǎo)得

式中:V(Bi)－鉸鏈點(diǎn)B在固定參考系OXYZ中運(yùn)動速度;W－動平臺角速度;V－動平臺中心O'在固定參考系O－XYZ中的運(yùn)動速度。

將V(Bi)向Li投影，可得到第i根桿的長度變化速率(輸入速度)Li'為

式中:ni－沿第i根桿軸向的單位列向量。即

式中:Vm－動平臺運(yùn)動速度(輸出速度)。J－并聯(lián)機(jī)器人的Jacobian矩陣，即速度傳遞矩陣。

速度傳遞矩陣表示了支鏈與動平臺的速度映射關(guān)系［4－5]，通過 LabVIEW 的公式節(jié)點(diǎn)功能，將映射方程編輯成模塊，在程序中調(diào)用。

在工作中，并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為薄板件柔性夾具的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為了適應(yīng)新車型車身骨架總成組焊，需要調(diào)整其動平臺位姿，以保證安裝在動平臺上的板件夾具能夠很好的夾緊車身板件。3個電機(jī)的單一運(yùn)動精度和協(xié)調(diào)運(yùn)動精度，決定了動平臺位姿調(diào)整精度。為此，在控制系統(tǒng)中安裝反饋裝置，形成閉環(huán)系統(tǒng)，保證動平臺位姿精度，見圖4。

2 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

儀器控制是在儀器和計算機(jī)之間發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。它需要將儀器與計算機(jī)連接起來協(xié)同工作，同時還可以根據(jù)需要延伸和拓展儀器的功能。完整的儀器控制系統(tǒng)除了包括計算機(jī)和儀器外，還必須建立儀器與計算機(jī)的通路以及上層應(yīng)用程序，通路包括總線和針對不同儀器的驅(qū)動程序，上層應(yīng)用程序用于發(fā)送命令、儀器的控制面板顯示以及數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、顯示和存儲等［6－7]。

LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW用于儀器控制開發(fā)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn):支持多種儀器驅(qū)動和總線，提供豐富的接口，支持OPC、ActiveX、DLL調(diào)用和網(wǎng)絡(luò)通信等。本控制系統(tǒng)程序由虛擬儀器LabVIEW進(jìn)行編制。其系統(tǒng)構(gòu)架，見圖5。

3 主要功能模塊介紹

3.1 指令輸出流程

指令輸出程序用于向運(yùn)動控制卡發(fā)送控制命令。當(dāng)伺服系統(tǒng)通電后，程序定時循環(huán)。A1B1，A2B2，A3B3支鏈對應(yīng)的TF數(shù)據(jù)由0變1，支鏈被激活，程序自動尋找對應(yīng)的子VI運(yùn)行，進(jìn)行支鏈控制。根據(jù)需要可以提前在控制參數(shù)界面輸入運(yùn)動速度倍率或加速度倍率，用于控制支鏈運(yùn)動快慢。同時支鏈運(yùn)動還可以在控制界面選擇自動運(yùn)行或者手動運(yùn)行，見圖6。

3.2 限位報警流程

限位報警程序用于接受位置傳感器的反饋信號，判斷支鏈?zhǔn)欠癯?。在A1B1，A2B2，A3B3支鏈的運(yùn)動桿件上裝有限位器，在運(yùn)動過程中，如果運(yùn)動桿件超出規(guī)定位置，傳感器就會發(fā)出反饋信號，TF數(shù)據(jù)由0變1，報警開關(guān)自動打開，報警器開始報警。同時，case結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流通過輸出端子，將報警數(shù)據(jù)進(jìn)行加法運(yùn)算依次累加。

機(jī)構(gòu)超出限位，報警器自動報警并且斷電停止機(jī)構(gòu)運(yùn)動。按住操作界面釋放按鈕、超出限位支鏈對應(yīng)的操作按鈕，手動向相反方向移動，可進(jìn)行復(fù)位，報警系統(tǒng)此時停止報警，報警計數(shù)器自動進(jìn)行記錄，見圖7。

3.3 人機(jī)交互流程

人機(jī)交換界面用于設(shè)置工作需要得初始參數(shù)，程序運(yùn)行后，初始參數(shù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，硬件系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖信號，伺服系統(tǒng)通過將脈沖信號放大控制電機(jī)。電機(jī)帶動絲桿，使動平臺位姿達(dá)到夾具需要的角度。人機(jī)交換界面上包括自動運(yùn)行、手動運(yùn)行、速度倍率調(diào)節(jié)按鈕和運(yùn)行結(jié)果監(jiān)控顯示屏，界面上的 X、Y、Z軸按鈕，分別對應(yīng) A1B1，A2B2，A3B3支鏈，見圖 8。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

采用本系統(tǒng)軟件對3－UPS－1－PS并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制仿真實(shí)驗(yàn)。首先，運(yùn)行Max程序，檢測運(yùn)動控制卡。然后，打開交互界面的啟動按鈕，輸入速度和加速度參數(shù)。最后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕［8－10]。系統(tǒng)流程見圖9。

為了驗(yàn)證在LabVIEW系統(tǒng)控制下，并聯(lián)機(jī)構(gòu)能夠按照實(shí)際工作情況，在規(guī)定的運(yùn)動空間內(nèi)，靈活、速度的達(dá)到目標(biāo)位姿，通過讓A1B1支鏈運(yùn)動，使動平臺傾斜30°，觀察動平臺完成實(shí)驗(yàn)過程中，其輸出速度曲線，見圖10。經(jīng)過試驗(yàn)，動平臺在達(dá)到預(yù)定結(jié)果后，速度符合工作要求。)通過實(shí)驗(yàn)可證明LabVIEW系統(tǒng)控制下軟硬件的可行性。

5 結(jié)束語

仿真實(shí)驗(yàn)表明，基于LabVIEW的3－UPS－1－PS并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立和聯(lián)動的控制方式，動平臺輸出速度平穩(wěn)，可靠。為了完善對動平臺的控制，需要提高系統(tǒng)精度。動平臺的位置精度和誤差修正將是下一步研究方向，最終目標(biāo)是提高機(jī)構(gòu)的控制精度。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):操作簡單，界面友好，操作人員可以對運(yùn)動參數(shù)一目了然。

［1] 郭大杰，沈衛(wèi)平，胡挺.基于LabVIEW的3－PRRRR移動并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)［J] .機(jī)電工程，2010，27(8):49－51.

［2] 于洪健.基于并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的汽車薄板件柔性裝配夾具研究［D] .哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［3] 郭慶鼎，孫宣標(biāo).現(xiàn)代永磁電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)［M] .北京:中國電力出版社，2006.

［4] 于淑政，馮繼剛，崔國華，等.3UPS－1S并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析［J] .河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，28(3):97 －99.

［5] 徐立軍，何 穎.模糊PID控制結(jié)構(gòu)分析［J] .河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，29(2):71 －74.

［6] 尹一鳴.基于LabVIEW的過程控制實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計［D] .合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

［7] 劉 溯.1T3R并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計及其實(shí)驗(yàn)裝置研制［D] .重慶:重慶大學(xué)，2006.

［8] 王 南，張莉婷，郝莉紅.空間3－UPU/UPU機(jī)構(gòu)的剛度分析［J] .河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，29(3):85－87.

［9] 叢爽，李澤湘.實(shí)用運(yùn)動控制技術(shù)［M] .北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［10] 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計從入門到精通［M] .北京:清華大學(xué)出版社，2007.