3自由度轉(zhuǎn)臂式清洗機(jī)器人一級(jí)臂定位控制

3自由度轉(zhuǎn)臂式清洗機(jī)器人一級(jí)臂定位控制*

潘海鴻1，涂曉曉1，陳琳1，龔建剛1，王盛2，陳劍華2

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004；2.廣西葉茂機(jī)電自動(dòng)化有限責(zé)任公司，南寧530007)

摘要：針對(duì)自主研發(fā)的一種新型3自由度轉(zhuǎn)臂式清洗機(jī)器人,進(jìn)行一級(jí)臂精確定位的控制問(wèn)題的研究。提出控制系統(tǒng)采用“PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制器+中心回轉(zhuǎn)編碼器”的位置閉環(huán)控制方案，并引入回轉(zhuǎn)定位插補(bǔ)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)一級(jí)臂回轉(zhuǎn)定位的控制。構(gòu)建基于PMC6496運(yùn)動(dòng)控制器的3自由度轉(zhuǎn)臂式清洗機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)一級(jí)臂的精確定位控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)臂式清洗機(jī)器人一級(jí)臂的回轉(zhuǎn)定位精度可達(dá)到±1 mm，驗(yàn)證了所提出的控制方案和回轉(zhuǎn)定位插補(bǔ)算法能有效避免回轉(zhuǎn)定位精度差的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)定位；轉(zhuǎn)臂式結(jié)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)控制器；閉環(huán)系統(tǒng)

文章編號(hào)：1001-2265(2015)09-0071-03

收稿日期：2014-11-27

基金項(xiàng)目：*國(guó)家自然科學(xué)

作者簡(jiǎn)介：潘海鴻(1966—)，男，壯族，廣西武鳴人，廣西大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)、機(jī)器人控制技術(shù)，(E-mail)hustphh@163.com；通訊作者：陳琳(1973—)，女，山東青島人，廣西大學(xué)教授，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)、數(shù)字信號(hào)檢測(cè)與處理、伺服電機(jī)控制，(E-mail)gxdxcl@163.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH165;TG659

3-DOF Rotary Arm Cleaning Robot First Rotary Arm Rotation Positioning Control

PAN Hai-hong1， TU Xiao-xiao1， CHEN Lin1， GONG Jian-gang1， WANG Sheng2， CHEN Jian-hua2

(1.College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2.Guangxi Yemao Electromechanical Automation co., LTD, Nanning 530007, China)

Abstract：To solve the first rotary arm control problem of an independent research and development novel 3-DOF rotary arm cleaning robot, a solution adopted "PC + motion controller + center rotary encoder" closed loop position control system is proposed. A full closed loop rotary positioning interpolation algorithm is adopted to control the first rotary arm angle. 3-DOF rotary arm cleaning robot experimental platform is constructed based on PMC6496 motion controller to realize the first rotary arm position control. Experimental results demonstrate 3-DOF rotary arm cleaning robot first arm rotary positioning accuracy is±1mm. It indicates that the proposed closed loop position control solution and rotary positioning interpolation algorithm can effectively avoid the precision problems of poor positioning accuracy.

Key words： rotary positioning; rotary arm structure; motion controller; closed-loop system

0引言

蒸發(fā)罐被廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥等行業(yè)的蒸發(fā)濃縮過(guò)程，其內(nèi)部豎直分布著多達(dá)上萬(wàn)條換熱管。在蒸發(fā)濃縮過(guò)程中換熱管內(nèi)壁極易結(jié)垢，而結(jié)垢會(huì)使其傳熱效率大大降低、能耗增加[1-2]，導(dǎo)致其蒸發(fā)能力下降。因此，為恢復(fù)蒸發(fā)罐正常生產(chǎn)能力，需要對(duì)其進(jìn)行定期清洗除垢[3]。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)蒸發(fā)罐除垢清洗設(shè)備和裝置展開(kāi)相關(guān)研究。馬樂(lè)凡[4]等開(kāi)發(fā)的清洗裝置需人工方式定位清洗換熱管；英國(guó)斯科特[5]公司在中國(guó)市場(chǎng)推出的半自動(dòng)清洗機(jī)需人工方式去同時(shí)定位三個(gè)換熱管，而后進(jìn)行自動(dòng)清洗；農(nóng)譚宏[6]等開(kāi)發(fā)的清洗機(jī)，自動(dòng)定位清洗換熱管，其由于采用固定機(jī)架，僅適用于直徑大小與機(jī)架長(zhǎng)度相匹配的蒸發(fā)罐；鄧忠業(yè)[7]等采用X、Y軸滑軌分區(qū)、換區(qū)方式自動(dòng)定位清洗換熱管，其在不同區(qū)中執(zhí)行清洗任務(wù)時(shí)，需要重復(fù)定位原點(diǎn)，影響設(shè)備的定位精度。

針對(duì)上述現(xiàn)有蒸發(fā)罐清洗設(shè)備存在的問(wèn)題：①人工方式定位換熱管；②不適用于直徑大小不同的蒸發(fā)罐；③需換區(qū)重新設(shè)置參考點(diǎn)，重復(fù)定位精度低。為此，提出自主開(kāi)發(fā)3自由度轉(zhuǎn)臂式清洗機(jī)器人。因一級(jí)臂末端采用履帶行走機(jī)構(gòu)，如何解決一級(jí)臂回轉(zhuǎn)定位精度問(wèn)題成為自主開(kāi)發(fā)清洗機(jī)器人的關(guān)鍵問(wèn)題。另外，機(jī)器人清洗過(guò)程中，需要對(duì)換熱管逐一定位，為此對(duì)一級(jí)臂回轉(zhuǎn)定位進(jìn)行研究。

1轉(zhuǎn)臂式清洗機(jī)器人模型

自主研發(fā)的3自由度轉(zhuǎn)臂式清洗機(jī)器人機(jī)械本體[8]結(jié)構(gòu)如圖1所示。因清洗灌表面凹凸不平，清洗機(jī)器人的一級(jí)臂采用履帶行走機(jī)構(gòu)[9]以提高其越障礙能力。同時(shí)，為降低電機(jī)端的負(fù)載力矩，設(shè)計(jì)履帶行走機(jī)構(gòu)置于一級(jí)臂的末端。通過(guò)伺服電機(jī)5驅(qū)動(dòng)履帶行走機(jī)構(gòu)6實(shí)現(xiàn)一級(jí)臂繞中心回轉(zhuǎn)立柱2回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其實(shí)際轉(zhuǎn)角由中心回轉(zhuǎn)編碼器3檢測(cè)。二級(jí)臂8由二級(jí)臂伺服電機(jī)7驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)盤(pán)式送管機(jī)構(gòu)安裝在二級(jí)臂8末端，在一、二級(jí)臂定位后啟動(dòng)水管轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)10進(jìn)行除垢清洗作業(yè)。

1.待洗換熱管 2.中心回轉(zhuǎn)立柱 3.中心回轉(zhuǎn)編碼器 4.一級(jí)臂 5.一級(jí)臂伺服電機(jī) 6.履帶行走機(jī)構(gòu) 7.二級(jí)臂伺服電機(jī) 8.二級(jí)臂 9.水管轉(zhuǎn)盤(pán) 10.水管轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī) 11.高壓水管 12.高壓水噴槍導(dǎo)引頭

圖1轉(zhuǎn)臂式清洗機(jī)器人模型

2閉環(huán)控制方案

針對(duì)所設(shè)計(jì)的清洗機(jī)器人一級(jí)臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出采用“PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制器+中心回轉(zhuǎn)編碼器”構(gòu)成的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)方案(圖2)實(shí)現(xiàn)其回轉(zhuǎn)定位控制(驅(qū)動(dòng)履帶行走機(jī)構(gòu)到正確位置，修正擾動(dòng)偏差的影響)，利用控制器提供的運(yùn)動(dòng)控制功能快速構(gòu)建高性能的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由上位機(jī)控制模塊、通訊模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、執(zhí)行模塊構(gòu)成。上位機(jī)控制模塊由SQL數(shù)據(jù)庫(kù)和上位機(jī)控制系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)角目標(biāo)及插補(bǔ)參數(shù)的存儲(chǔ)，上位機(jī)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)至運(yùn)動(dòng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)一級(jí)臂插補(bǔ)參數(shù)配置、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等控制與人機(jī)交互功能。運(yùn)動(dòng)控制模塊接收上位機(jī)控制模塊下發(fā)的轉(zhuǎn)角目標(biāo)及插補(bǔ)參數(shù)生成指令脈沖。執(zhí)行模塊接收指令脈沖驅(qū)動(dòng)一級(jí)臂按照指定參數(shù)運(yùn)動(dòng)。中心回轉(zhuǎn)編碼器3檢測(cè)一級(jí)臂轉(zhuǎn)角位置信息并反饋回運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成脈沖位置閉環(huán)。

圖2　一級(jí)臂位置閉環(huán)控制方案

3回轉(zhuǎn)定位插補(bǔ)算法

3.1回轉(zhuǎn)定位補(bǔ)償原理

圖3　回轉(zhuǎn)定位補(bǔ)償原理

3.2回轉(zhuǎn)定位插補(bǔ)算法實(shí)現(xiàn)

基于回轉(zhuǎn)定位補(bǔ)償原理的回轉(zhuǎn)定位插補(bǔ)算法詳細(xì)流程見(jiàn)圖4。

圖4　回轉(zhuǎn)定位插補(bǔ)算法

步驟1：插補(bǔ)參數(shù)初始化操作。分別初始化設(shè)置以下各參數(shù)：插補(bǔ)加速度vacc，插補(bǔ)減速度vdec，插補(bǔ)速度vspeed，S型插補(bǔ)速度曲線(xiàn)配置vscurveset，回原點(diǎn)速度vzero，回原點(diǎn)模式[10]置為4，中心回轉(zhuǎn)編碼器置為4倍頻A/B相模式。

步驟2：初始位置初始化操作。執(zhí)行當(dāng)前坐標(biāo)位置清零、中心回轉(zhuǎn)編碼器反饋位置清零初始化操作并讀取目標(biāo)位置。

步驟3：輸出插補(bǔ)控制量。根據(jù)目標(biāo)位置與中心回轉(zhuǎn)編碼器反饋位置的偏差e輸出插補(bǔ)控制量，調(diào)用[CONTI_ENTER]指令進(jìn)入連續(xù)插補(bǔ)模式[10]執(zhí)行連續(xù)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。

步驟4：程序執(zhí)行條件判斷。

(1)判斷程序條件1：中心編碼器反饋位置≠目標(biāo)位置？若二者相等，插補(bǔ)定位運(yùn)動(dòng)結(jié)束；否則判斷程序條件2。

(2)判斷程序條件2：中心回轉(zhuǎn)編碼器反饋位置≤目標(biāo)位置？行走過(guò)程中履帶打滑或擾動(dòng)偏差，使得中心回轉(zhuǎn)編碼器反饋位置小于目標(biāo)位置將使得程序進(jìn)入連接點(diǎn)①；否則外界因素的影響導(dǎo)致中心編碼器反饋位置大于目標(biāo)位置時(shí)程序進(jìn)入連接點(diǎn)③。

步驟5：

步驟6：插補(bǔ)定位運(yùn)動(dòng)結(jié)束。當(dāng)中心回轉(zhuǎn)編碼器反饋位置等于目標(biāo)位置時(shí)，插補(bǔ)定位運(yùn)動(dòng)結(jié)束。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)

為驗(yàn)證所提出的控制系統(tǒng)方案和回轉(zhuǎn)定位插補(bǔ)算法的有效性及定位精度，搭建基于PMC6496運(yùn)動(dòng)控制器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：IPPC-150C工業(yè)平板電腦、PMC6496運(yùn)動(dòng)控制器、ACM604V60交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、中心回轉(zhuǎn)編碼器ERN-120和機(jī)械本體?；赩isual Studio 2012開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)上位機(jī)控制系統(tǒng)，依據(jù)圖4算法流程編制相應(yīng)的回轉(zhuǎn)定位插補(bǔ)程序，由控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)一級(jí)臂的控制與管理。

4.2回轉(zhuǎn)定位精度測(cè)試

回轉(zhuǎn)定位測(cè)試：根據(jù)圖4算法流程圖，初始化vacc=20000脈沖/秒，vdec=20000脈沖/秒，vspeed=40000脈沖/秒，vscurveset=0.5，vzero=15000脈沖/秒，執(zhí)行一級(jí)臂回原點(diǎn)動(dòng)作；執(zhí)行回轉(zhuǎn)定位插補(bǔ)程序定位到設(shè)定目標(biāo)位置，調(diào)整百分表到測(cè)量正確位置后，重復(fù)執(zhí)行回原點(diǎn)與回轉(zhuǎn)定位插補(bǔ)程序10次，測(cè)試并記錄在相同的插補(bǔ)參數(shù)、不同目標(biāo)位置下定位測(cè)試數(shù)據(jù)，如圖5。分別設(shè)定目標(biāo)位置為±1000脈沖進(jìn)行定位，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

目標(biāo)位置+1000脈沖時(shí)最大定位精度誤差f為0.68mm，修正后f ′在±0.56mm內(nèi)；目標(biāo)位置-1000脈沖時(shí)最大定位精度誤差f為0.90mm，修正后f ′在±0.69mm，如圖6。綜上分析可知所提出的方案能夠?qū)崿F(xiàn)一級(jí)臂精確回轉(zhuǎn)定位，其精度在±1mm。

表1　目標(biāo)點(diǎn)位+1000脈沖測(cè)試數(shù)據(jù)(單位：mm)

表2　目標(biāo)點(diǎn)位-1000脈沖測(cè)試數(shù)據(jù)(單位：mm)

圖5　回轉(zhuǎn)定位實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖6　回轉(zhuǎn)定位精度

5結(jié)論

以自主開(kāi)發(fā)的3自由度轉(zhuǎn)臂式清洗機(jī)器人一級(jí)臂為研究對(duì)象，根據(jù)一級(jí)臂特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提出特有的閉環(huán)控制系統(tǒng)方案，并進(jìn)行回轉(zhuǎn)定位補(bǔ)算法的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法根據(jù)中心回轉(zhuǎn)編碼器能實(shí)時(shí)修正補(bǔ)償目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)一級(jí)臂回轉(zhuǎn)定位精度為±1 mm，證實(shí)所提出的閉環(huán)控制系統(tǒng)方案和回轉(zhuǎn)定位插補(bǔ)算法能夠保證一級(jí)臂回轉(zhuǎn)定位精度。

本文中只考慮了在固定的插補(bǔ)參數(shù)時(shí)一級(jí)臂回轉(zhuǎn)定位精度，今后將深入討論在不同的插補(bǔ)參數(shù)下的回轉(zhuǎn)定位精度，進(jìn)行插補(bǔ)參數(shù)優(yōu)化。另外，將在此基礎(chǔ)上對(duì)一、二級(jí)臂協(xié)同定位展開(kāi)研究，從而實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)臂式清洗機(jī)器人在實(shí)際中的應(yīng)用。

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(編輯李秀敏)