開放式折彎機(jī)器人控制系統(tǒng)及其折彎跟隨技術(shù)研究

金鈺飛，樓佩煌，錢曉明，武 星，吳 斌

JIN Yu-fei,LOU Pei-huang,QIAN Xiao-ming,WU Xing,WU Bin

（南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

0 引言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，鈑金件在機(jī)床、電器、廚具及門業(yè)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，折彎是一種重要的鈑金成形方法。目前，折彎主要采取人工輔助的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。特別是對于大型的工件，通常需要多個(gè)人相互配合才能完成折彎。因此，開發(fā)一種代替人工自動(dòng)完成折彎動(dòng)作的機(jī)器人，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種基于獨(dú)立結(jié)構(gòu)開發(fā)的，采用專用計(jì)算機(jī)、專用操作系統(tǒng)、專用機(jī)器人語言及專用微處理器的封閉式體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，系統(tǒng)的專用性強(qiáng)，通用性差。本文介紹了一種基于計(jì)算機(jī)可編程自動(dòng)化控制器CPAC（Computerized Programmab1e Automation Contro11er，簡稱CPAC)的開放式折彎機(jī)器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用開放式的軟硬件平臺(tái)，具有良好的開放性和擴(kuò)展性，可根據(jù)需求方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展，能適應(yīng)不同工況下的折彎工藝要求。

圖1 折彎機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

1 折彎機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

折彎機(jī)器人是一種“3+3”形式的六自由度直角坐標(biāo)型機(jī)器人，包括X軸、Y軸和Z軸三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸和A軸、B軸及C軸三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸，如圖1所示。直線運(yùn)動(dòng)軸通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪，帶輪旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)同步帶，在同步帶的引導(dǎo)下，沿著導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)。其中，Y軸采用了倍速機(jī)構(gòu)，以增加行程和速度，并縮小整體空間結(jié)構(gòu)。機(jī)器人末端安裝吸盤或者夾爪以抓取工件，在折彎過程中，機(jī)器人末端的吸盤或者夾爪需要和板材一起做跟隨運(yùn)動(dòng)。折彎跟隨的準(zhǔn)確度是決定折彎精度的關(guān)鍵因素。

2 折彎機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

在不同工作條件下，根據(jù)折彎工藝的不同，折彎機(jī)器人必須實(shí)現(xiàn)不同的控制功能和軌跡規(guī)劃，這就要求控制系統(tǒng)具有良好的開放性和擴(kuò)展性。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了如圖2所示的模塊化的硬件結(jié)構(gòu)。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 CPAC自動(dòng)化控制器簡介

本系統(tǒng)采用深圳固高科技有限公司開發(fā)的集嵌入式PC、PLC與運(yùn)動(dòng)控制器為一體的CPACOtoBox-800-TPG系列運(yùn)動(dòng)控制器。它以Inte1標(biāo)準(zhǔn)X86架構(gòu)的CPU和芯片組為系統(tǒng)處理器，采用高性能DSP和FPGA作為運(yùn)動(dòng)控制器處理器，能夠同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)并能進(jìn)行優(yōu)先級的排序，實(shí)現(xiàn)高性能多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制和高速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制以及普通PC機(jī)的所有基本功能。同時(shí)，CPAC以WinCE為系統(tǒng)平臺(tái)，提供了遵循IEC61131-3工業(yè)控制語言編程的組態(tài)軟件OtoStudio，包含任務(wù)配置、硬件配置、遠(yuǎn)程診斷、人機(jī)界面開發(fā)及數(shù)據(jù)采集等模塊。通過模塊化的軟件架構(gòu)，增加了控制系統(tǒng)的開放性、擴(kuò)展性和移植性。

2.2 HMI界面

HMI部件采用型號為GRP2000的手持示教器和GRP-SD-Vxx的HMI發(fā)射模塊。通過Googo1Link總線模式配置手持示教器16 In /16Out的數(shù)字量 IO模塊，用于示教器上的按鈕、LED信號的輸入輸出。OtoStudio提供了人機(jī)界面開發(fā)平臺(tái)，通過將示教器上按鈕按下及彈起的信號進(jìn)行映射，讀取布爾變量的數(shù)據(jù)來獲得人機(jī)交互的結(jié)果。相對于使用Modbus通訊方式進(jìn)行人機(jī)交互，這種方式的傳輸速度更快，信號更穩(wěn)定。

3 折彎機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)折彎機(jī)器人的功能需求以及OtoStudio軟件的基本特點(diǎn)，合理規(guī)劃折彎機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)，使軟件功能模塊化，并追求最大限度的模塊內(nèi)的高內(nèi)聚度和模塊間的低耦合度。圖3為系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)劃分為示教再現(xiàn)模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、系統(tǒng)監(jiān)控模塊、文件管理模塊與人機(jī)交互界面五類主模塊。其中，運(yùn)動(dòng)控制模塊是系統(tǒng)的核心模塊，包括折彎工藝算法、正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)運(yùn)動(dòng)及各軸回零算法等。

圖3 折彎機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)

折彎工藝算法是折彎機(jī)器人相對于通用機(jī)器人特有的運(yùn)動(dòng)控制算法，包括折彎跟隨算法、板材翻邊算法、包邊板材聯(lián)動(dòng)算法以及板材定位算法等。其中，折彎跟隨算法是折彎工藝算法的核心部分。

圖4 折彎跟隨模型

1）折彎跟隨的基本原理

折彎跟隨算法是指折彎機(jī)上模從夾緊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下死點(diǎn)過程中，機(jī)器人的末端執(zhí)行器（吸盤架、夾鉗等）托住工件，防止額外的變形。如圖4所示，在折彎變形過程中，機(jī)器人末端運(yùn)行的速度、軌跡與工件上夾持點(diǎn)（或吸料點(diǎn)）保持基本一致，這就要求YZA軸的運(yùn)行軌跡和實(shí)時(shí)速度滿足彎曲變形的坐標(biāo)變化。

2）折彎跟隨的幾何模型

折彎跟隨的幾何模型如圖5所示，板材的一端有夾爪，當(dāng)夾爪夾住板材時(shí)，通過Y軸、Z軸和A軸的運(yùn)動(dòng)，使夾爪與板材的相對位置保持不變。圖中，在板材中性層與夾爪平面的交點(diǎn)處建立YZA坐標(biāo)系，其中，V代表下模槽寬，L 代表夾爪上坐標(biāo)系原點(diǎn)到折彎中心線的距離，α代表折彎角度，β代表板材傾斜角，△y、△z、△A分別為Y軸、Z軸、A軸的相對位移。將折彎機(jī)夾緊點(diǎn)對應(yīng)機(jī)器人的位置作為折彎基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算任意折彎角度對應(yīng)折彎機(jī)器人YZA軸相應(yīng)的坐標(biāo)變化和運(yùn)動(dòng)速度。

圖5 折彎跟隨幾何模型

（1）由角度和長度的相互關(guān)系，可得：

（2）由于中性層的內(nèi)圓弧對計(jì)算結(jié)果影響較小，可將其忽略不計(jì)，于是得到如下△y、△z、△A的計(jì)算結(jié)果：

3）折彎角度測量裝置設(shè)計(jì)

在式(1)～式(3)中，均有未知數(shù)α，為求得α的實(shí)時(shí)數(shù)值，設(shè)計(jì)了如圖6所示的測量裝置。

圖6 折彎角度測量裝置

所設(shè)計(jì)的測量裝置采用了Novotechnik的接觸式直線位移傳感器，其測量的基本原理是通過相對直線位移轉(zhuǎn)化折彎角度。具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

（1）將角度不同、高度相同的Y型硬質(zhì)合金架平齊放置，兩者通過直線位移傳感器固定，Y型架上端通過彈簧與外殼相連。測量裝置整體嵌于折彎機(jī)上模中。

（2）當(dāng)折彎機(jī)處于夾緊點(diǎn)時(shí)，測量裝置與上模共同與板材接觸，并處于同一水平面上。隨著板材折彎角度的變化，角度不同的兩個(gè)Y型架上升的位移出現(xiàn)偏差△L。

（3）通過數(shù)學(xué)模型，將直線位移偏差△L轉(zhuǎn)化為折彎角度α。設(shè)Y型架的接觸點(diǎn)到中心線的距離為L1和L2，均為測量裝置的固有參數(shù)。得到△L的計(jì)算公式：

其中，△L可通過讀取直線位移傳感器得到，反求α：

將式(4)帶入式(1)～式(3)，可得到任意折彎角度對應(yīng)YZA軸相對于折彎基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)變化。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，板材上沒有夾爪滑動(dòng)的痕跡，并且，板材沒有出現(xiàn)其他的變形。這就證明折彎跟隨動(dòng)作與板材變形過程基本一致，跟隨準(zhǔn)確度較高。

4 系統(tǒng)軟硬件資源的配置

系統(tǒng)的硬件資源包括數(shù)字量輸入輸出資源(DI/DO)、編碼器計(jì)數(shù)資源(ENCODER)、脈沖輸出資源(STEP)和電壓輸出資源(DAC)等，軟件資源包括規(guī)劃器資源（PROFILE）和伺服控制器資源（CONTROL），并通過軸資源(AXIS)將軟硬件資源進(jìn)行組合，如圖7所示。在OtoStudio軟件內(nèi)部的PLC配置中進(jìn)行各個(gè)資源基本屬性的配置，并生成配置文件加載于不同工程中。

圖7 軟硬件資源配置

5 結(jié)束語

本文在計(jì)算機(jī)可編程控制器（CPAC）平臺(tái)上開發(fā)了開放式折彎機(jī)器人控制系統(tǒng)。以CPAC作為硬件平臺(tái)，通過脈沖方式控制伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)掃描周期達(dá)到100μs。采用了分層模塊化的軟件體系結(jié)構(gòu)，對各個(gè)軟件模塊的進(jìn)行了描述。針對不同折彎工況要求，完成了折彎跟隨、折彎聯(lián)動(dòng)、板料翻面等不同折彎工藝算法的集成，并對折彎跟隨的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述。實(shí)踐證明，所設(shè)計(jì)的折彎機(jī)器人控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能完善，并具有良好的擴(kuò)展性和開放性。

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