基于模糊PID 的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 威，陳新度

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的研究背景具體如下：我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)目前正處于轉(zhuǎn)型時(shí)期，根據(jù)調(diào)查得來(lái)的汽車(chē)市場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)結(jié)束了發(fā)展的黃金期，出現(xiàn)了發(fā)展速度增幅較慢甚至負(fù)增長(zhǎng)的狀態(tài)[1]。整體產(chǎn)業(yè)與汽車(chē)產(chǎn)品都處于巨變中，而人工智能與綠色新能源的發(fā)展更是對(duì)這場(chǎng)巨變起到了助推作用。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中包含多種業(yè)務(wù)，其中，零部件是一種十分重要的發(fā)展業(yè)務(wù)，而門(mén)框作為一種重要的零部件，其生產(chǎn)加工工序也必須走向智能化以迎合整體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。通過(guò)打磨機(jī)器人進(jìn)行門(mén)框打磨，成為汽車(chē)門(mén)框生產(chǎn)加工的全新智能工序，是汽車(chē)零部件生產(chǎn)加工產(chǎn)業(yè)走向智能化與電子化的發(fā)展結(jié)果[2]。汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人通常采用主動(dòng)柔順控制方式，因此其主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)于汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人的智能化控制有很大意義[3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的研究都十分重視，并取得了多樣化的研究成果。其中，國(guó)外對(duì)于汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的研究起步較早，有學(xué)者提出了一種基于伺服控制器的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)，主要基于伺服控制器實(shí)現(xiàn)汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而國(guó)內(nèi)對(duì)于汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的研究則相對(duì)起步較晚，有學(xué)者提出了一種基于D?H 模型的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)，主要通過(guò)D?H 模型實(shí)現(xiàn)汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于在利用以上系統(tǒng)進(jìn)行汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制時(shí)，在機(jī)器人負(fù)載為60%～90%的情況下存在重復(fù)定位精度較低的問(wèn)題，因此將模糊PID 控制應(yīng)用于汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的研究中，設(shè)計(jì)一種基于模糊PID 的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)基于模糊PID 的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)

1.1 設(shè)計(jì)硬件

1.1.1 設(shè)計(jì)控制器模塊

基于模糊PID 的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成包括控制器模塊、外部設(shè)備模塊以及機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊[4]。系統(tǒng)硬件模塊構(gòu)成具體如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件模塊構(gòu)成

其中，控制器模塊由控制器與操作臺(tái)觸摸屏構(gòu)成[5]?？刂破鞯倪x擇型號(hào)為西門(mén)子P7?PLC1200，具備很強(qiáng)的操作通用性。該控制器的指令集強(qiáng)大、配置靈活，CPU 可以通過(guò)用戶程序邏輯實(shí)施輸出更改與輸入監(jiān)視，其中，用戶程序包括復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、布爾邏輯以及智能設(shè)備通信[6]。該控制器的技術(shù)參數(shù)具體見(jiàn)圖2。

圖2 控制器技術(shù)參數(shù)

1.1.2 設(shè)計(jì)外部設(shè)備模塊

外部設(shè)備模塊由工件夾爪與打磨工具構(gòu)成[7]。其中，工件夾爪的夾持方式為氣動(dòng)夾持，具體技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 工件夾爪具體技術(shù)參數(shù)

而打磨工具需要固定安裝于打磨支架上，具體技術(shù)參數(shù)如表2 所示[8]。

表2 打磨工具具體技術(shù)參數(shù)

1.1.3 設(shè)計(jì)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊

機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊由機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)、六軸力傳感器與I/O 硬線構(gòu)成[9]。其中，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇的型號(hào)為RS10C，具體技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

六軸力傳感器能夠獲取三維力矩信息與三維力信息，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算與保存，選擇的型號(hào)為CM3314，利用數(shù)據(jù)接收儀能夠?qū)υ搨鞲衅鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)接收[10]。六軸力傳感器的具體技術(shù)參數(shù)如表4 所示。

1.2 設(shè)計(jì)軟件

1.2.1 設(shè)計(jì)編程模塊

基于模糊PID 的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的軟件構(gòu)成包括編程模塊、主動(dòng)柔順控制模塊[11]。編程模塊中包含三種用戶程序，分別為中斷程序、可調(diào)用子程序、主程序。其中，中斷程序能夠?qū)Τ绦驁?zhí)行的事件進(jìn)行中斷，中斷執(zhí)行的前后，中斷程序能夠自動(dòng)恢復(fù)和保護(hù)程序運(yùn)行環(huán)境[12]。

表3 機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)具體技術(shù)參數(shù)

表4 六軸力傳感器的具體技術(shù)參數(shù)

可調(diào)用子程序是一種用戶指令集合，可供用戶自由選擇。子程序的應(yīng)用需要根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行判斷，只有其他程序?qū)ψ映绦蜻M(jìn)行調(diào)用時(shí)子程序才會(huì)執(zhí)行[13]。其他程序能夠反復(fù)調(diào)用子程序，既可以對(duì)程序代碼進(jìn)行簡(jiǎn)化，還可以節(jié)省掃描時(shí)間，為整個(gè)程序賦予更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募軜?gòu)。主程序是用戶程序中最重要的構(gòu)成部分，各用戶程序中僅有一個(gè)主程序。在主程序內(nèi)，根據(jù)用戶需求，能夠隨時(shí)對(duì)必要的中斷程序與子程序進(jìn)行調(diào)用[14]。主程序發(fā)出的命令能夠?qū)φ麄€(gè)用戶程序進(jìn)行控制，其模式為循環(huán)執(zhí)行模式。

1.2.2 設(shè)計(jì)主動(dòng)柔順控制模塊

基于模糊PID 設(shè)計(jì)的主動(dòng)柔順控制模塊，其使用的模糊PID 控制器具體如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制器

在主動(dòng)柔順控制模塊中，通過(guò)PTP 軟件進(jìn)行PID 參數(shù)的調(diào)整。該軟件能夠通過(guò)對(duì)響應(yīng)特性曲線進(jìn)行采集來(lái)改變微分參數(shù)、積分、比例，以獲得更好的閉環(huán)穩(wěn)態(tài)特性，以及改變加速度前饋增益與速度前饋增益，以獲得更精準(zhǔn)的跟隨結(jié)果[15]。

2 主動(dòng)柔順控制實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于模糊PID 的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的性能，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)中使用的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人為6 軸機(jī)器人，具備4 種坐標(biāo)系，包括關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、用戶坐標(biāo)系，具體如圖4 所示。

圖4 汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人坐標(biāo)系

實(shí)驗(yàn)汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人的工作流程具體如下：通過(guò)人工方式把汽車(chē)門(mén)框的待打磨工件置于上料線上，通過(guò)控制器控制機(jī)器人對(duì)未打磨工件進(jìn)行抓取并對(duì)打磨頭進(jìn)行啟動(dòng)，之后實(shí)驗(yàn)汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人根據(jù)設(shè)定的打磨軌跡打磨汽車(chē)門(mén)框零件。完成打磨后，實(shí)驗(yàn)汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人將打磨零件移至下料臺(tái)上并停止打磨頭的工作。循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行汽車(chē)門(mén)框零件打磨作業(yè)。打磨時(shí)實(shí)驗(yàn)汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人的傾角為15°～30°。

利用基于模糊PID 的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人進(jìn)行汽車(chē)門(mén)框打磨的主動(dòng)柔順控制。在實(shí)驗(yàn)中，汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人的實(shí)際打磨過(guò)程包含22 組坐標(biāo)點(diǎn)，其中，關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)共7 組，具體如表5 所示。

表5 實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)

獲取機(jī)器人負(fù)載為60%～90%情況下的重復(fù)定位精度作為該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為避免本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果過(guò)于單一、缺乏對(duì)比性，將原有的兩種系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)中的對(duì)比系統(tǒng)，包括基于伺服控制器、基于D?H 模型的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)。同樣利用這兩種系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人的汽車(chē)門(mén)框打磨的主動(dòng)柔順控制。獲取機(jī)器人負(fù)載為60%～90%情況下的重復(fù)定位精度作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在機(jī)器人負(fù)載為60%～75%的情況下，基于模糊PID 的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)與基于伺服控制器、基于D?H 模型的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)具體如表6 所示。根據(jù)表6 的重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)可知，在機(jī)器人負(fù)載為60%～75%的情況下，基于模糊PID的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的重復(fù)定位精度高于基于伺服控制器、基于D?H 模型的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的精度。

在機(jī)器人負(fù)載為76%～90%的情況下，基于模糊PID 的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)與基于伺服控制器、基于D?H 模型的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)具體如表7 所示。根據(jù)表7 的重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)可知，在機(jī)器人負(fù)載為76%～90%的情況下，基于模糊PID的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的重復(fù)定位精度高于基于伺服控制器、基于D?H 模型的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的精度。

表6 重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)（一） %

表7 重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)（二） %

3 結(jié)語(yǔ)

由于在利用原有系統(tǒng)進(jìn)行汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制時(shí)，在機(jī)器人負(fù)載為60%～90%的情況下存在重復(fù)定位精度較低的問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)一款基于模糊PID 的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)?；谀：齈ID 的汽車(chē)門(mén)框打磨機(jī)器人主動(dòng)柔順控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了重復(fù)定位精度的提升，對(duì)于汽車(chē)零部件生產(chǎn)加工產(chǎn)業(yè)走向智能化與電子化有很大意義。