數(shù)控機(jī)床機(jī)械手柔性定位控制方法研究

雷利霞，馬小榮，溫曉榮

(神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西 神木 719300)

0 引言

隨著現(xiàn)代工藝水平的大幅提升與工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)效率與質(zhì)量方面的要求也越來(lái)越高。在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)床行業(yè)是一種先鋒制造業(yè)，能夠?yàn)樵O(shè)備與產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，其工業(yè)水平與國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展走勢(shì)息息相關(guān)。

數(shù)控機(jī)床是一種高靈活性、高速度和高性能的機(jī)床設(shè)備，在近幾十年中獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。機(jī)械手是數(shù)控機(jī)床中的重要裝置，集合了液壓技術(shù)、電氣技術(shù)和機(jī)械技術(shù)，能夠?qū)φ{(diào)當(dāng)前將完工工序使用刀具與下一工序使用刀具，以便快速推進(jìn)下一工序的執(zhí)行。為方便機(jī)械手能夠準(zhǔn)確、迅速地?fù)Q刀，通過(guò)刀庫(kù)對(duì)刀具進(jìn)行存放。要想實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)發(fā)展，首要問(wèn)題就是提高機(jī)械手和刀庫(kù)的穩(wěn)定性。

機(jī)械手柔性定位控制技術(shù)的發(fā)展對(duì)于機(jī)械手穩(wěn)定性、數(shù)控機(jī)床加工效率以及企業(yè)制造和生產(chǎn)自動(dòng)化程度等方面的提升都有很大意義。文獻(xiàn)[1]對(duì)機(jī)械手視覺(jué)定位控制中的圖像處理問(wèn)題進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種用來(lái)定位圖像的NMAK方法；文獻(xiàn)[2]對(duì)加工數(shù)控機(jī)床包裝機(jī)械手的定位控制問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)合預(yù)測(cè)控制和視覺(jué)反饋設(shè)計(jì)了一種定位控制方法。然而在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，以上2種方法存在關(guān)節(jié)定位誤差與整體定位誤差較大的問(wèn)題，因此，本文設(shè)計(jì)一種新的數(shù)控機(jī)床機(jī)械手柔性定位控制方法，以期提高機(jī)械手定位控制精度。

1 數(shù)控機(jī)床機(jī)械手柔性定位控制方法設(shè)計(jì)

1.1 作業(yè)臂運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

數(shù)控機(jī)床實(shí)際操作場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床實(shí)際操作場(chǎng)景

圖1中，數(shù)控機(jī)床機(jī)械手的作業(yè)臂1共有3個(gè)關(guān)節(jié)，其中，第1個(gè)關(guān)節(jié)是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，第2個(gè)關(guān)節(jié)和第3個(gè)關(guān)節(jié)是伸縮關(guān)節(jié)與縱移關(guān)節(jié)。而作業(yè)臂2相比作業(yè)臂1多了1個(gè)橫移關(guān)節(jié)。在柔性條件下，構(gòu)建數(shù)控機(jī)床機(jī)械手的雙作業(yè)臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

對(duì)于作業(yè)臂1來(lái)說(shuō)，在奇臂行走輪中心位置上設(shè)置基坐標(biāo){0}，在套筒中心位置上設(shè)置連桿末端坐標(biāo)系{3}。根據(jù)D-H坐標(biāo)系的實(shí)際規(guī)則[3]，獲取作業(yè)臂1的關(guān)節(jié)實(shí)際坐標(biāo)系分布情況，構(gòu)建作業(yè)臂1的坐標(biāo)系變換矩陣，即

(1)

將作業(yè)臂1的實(shí)際連桿參數(shù)代入式(1)中，獲取作業(yè)臂1的3個(gè)連桿坐標(biāo)系相較于上一個(gè)連桿坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)變換矩陣[5]，即

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(PX,PY，PZ)為作業(yè)臂1關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)的空間實(shí)時(shí)坐標(biāo)；(Δω1,Δd1,Δd2)為關(guān)節(jié)變量的空間坐標(biāo)；γx、γy、γz為機(jī)械手旋轉(zhuǎn)誤差補(bǔ)償定值[7]。

對(duì)于作業(yè)臂2，構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為

(7)

(Ax，Bx，Cx)為橫移關(guān)節(jié)伺服控制坐標(biāo)；Jm、Tm、Fm為橫移關(guān)節(jié)等效擾動(dòng)標(biāo)稱值[8]。

1.2 抓手氣動(dòng)定位控制

根據(jù)構(gòu)建的作業(yè)臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)機(jī)械手抓手實(shí)施氣動(dòng)定位控制，設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)于刀庫(kù)控制系統(tǒng)的抓手氣動(dòng)定位控制系統(tǒng)硬件與控制程序。

本文設(shè)計(jì)的抓手氣動(dòng)定位控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成包括超聲波傳感器、氣體回路控制模塊、感應(yīng)開(kāi)關(guān)和輸入模擬量控制板。其中，超聲波傳感器的設(shè)計(jì)具體如下：所設(shè)計(jì)的傳感器是一種電容式微型傳感器，將環(huán)氧樹(shù)脂敷銅薄板作為傳感器基底和下電極，選擇的薄板厚度是1.5 mm，其中敷銅層的實(shí)際厚度為15 μm。為降低寄生電容對(duì)傳感器性能的影響，對(duì)敷銅層實(shí)施圖形化處理，只留出引線和下電極部分[9]。在基底上進(jìn)行聚酯薄膜的粘貼，將其作為空腔支撐。壓實(shí)粘貼的聚酯薄膜，使其厚度均勻，將其最終厚度控制在25 μm左右。在粘貼的聚酯薄膜上對(duì)空腔孔徑進(jìn)行制作，并在孔徑中固定鋁膜作為振動(dòng)薄膜[10]。在振動(dòng)薄膜和基底上引出傳感器的2個(gè)工作電極，完成傳感器的制作。

將多個(gè)超聲波傳感器分別放置在抓手的各部分，利用其進(jìn)行超聲波傳感器測(cè)距定位。

氣體回路控制模塊主要基于I/O匹配技術(shù)與氣體回路控制技術(shù)設(shè)計(jì)一種氣體回路控制器。設(shè)計(jì)的氣體回路控制器具體由Ovation 控制系統(tǒng)、氣體回路控制卡、輸入輸出 I/O控制卡、CPU 控制卡、閃存卡、隨機(jī)儲(chǔ)存卡以及網(wǎng)絡(luò)控制卡構(gòu)成。

感應(yīng)開(kāi)關(guān)選用型號(hào)為BAW012-PF68-84的感應(yīng)開(kāi)關(guān)，其最大輸出電流可達(dá)10 mA，具備線性放大功能[11]，抗干擾性強(qiáng)。

輸入模擬量控制板根據(jù)感應(yīng)開(kāi)關(guān)的輸出電流范圍來(lái)選擇，比較后選擇西門(mén)子SM443型的輸入模擬量控制板，通過(guò)該控制板對(duì)電流輸入信號(hào)進(jìn)行接收[12]。

設(shè)計(jì)的控制程序?yàn)镻LC精定位控制程序，能夠?qū)ψナ謿鈩?dòng)信號(hào)進(jìn)行接收，當(dāng)接收到信號(hào)后，通過(guò)PLC對(duì)定位程序塊進(jìn)行調(diào)用，定位程序塊會(huì)對(duì)感應(yīng)開(kāi)關(guān)經(jīng)輸入模擬量控制板轉(zhuǎn)換后的值進(jìn)行讀取并對(duì)二者差值進(jìn)行比較，從而對(duì)抓手定位位置進(jìn)行確定。通過(guò)執(zhí)行程序塊對(duì)抓手停止運(yùn)轉(zhuǎn)的命令進(jìn)行執(zhí)行，接著使抓手執(zhí)行還刀或取刀的動(dòng)作。

1.3 其余部件的定位控制

機(jī)械手的手臂各關(guān)節(jié)及基座等位置使用的定位控制系統(tǒng)為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)與PLC定位控制系統(tǒng)。在該定位控制系統(tǒng)中，硬件選用光編碼器、分周處理器和伺服驅(qū)動(dòng)器，軟件程序通過(guò)PLC編制。

光編碼器的構(gòu)成設(shè)計(jì)具體為：信號(hào)處理電路、接收元件、發(fā)光元件、碼盤(pán)和旋轉(zhuǎn)軸，通過(guò)光編碼器能夠形成信號(hào)反饋，實(shí)現(xiàn)伺服電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制。

分周處理器用于信號(hào)的分周處理，選用的分處理器型號(hào)為DAA23-5E。

伺服驅(qū)動(dòng)器選用EtherCAT32總線伺服驅(qū)動(dòng)器，采用FPGA+DSP體系結(jié)構(gòu)，能夠加快數(shù)據(jù)的采集與處理速度，具有豐富的模擬量與數(shù)字量接口。

通過(guò)PLC編制的軟件程序?yàn)镻LC脈沖串輸出程序。通過(guò)該程序能夠?qū)LC輸出的PTO脈沖頻率與個(gè)數(shù)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手其余部位的定位控制。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在圖1所示的數(shù)控機(jī)床上通過(guò)某機(jī)械手對(duì)本文方法進(jìn)行性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中的機(jī)械手型號(hào)為QH-2型數(shù)控機(jī)械手，數(shù)控機(jī)床與機(jī)械手的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 數(shù)控機(jī)床與機(jī)械手的技術(shù)指標(biāo)

對(duì)該機(jī)械手進(jìn)行柔性定位控制，對(duì)本文方法的性能進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試項(xiàng)目包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)定位效果、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、伸縮關(guān)節(jié)、縱移關(guān)節(jié)的變量值相對(duì)誤差以及X、Y、Z這3個(gè)方向的平均定位誤差。

2.2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)定位效果測(cè)試

測(cè)試機(jī)械手2個(gè)作業(yè)臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)定位效果，也就是對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的定位變量值進(jìn)行測(cè)試，并將其與理想定位變量進(jìn)行比較，測(cè)試設(shè)計(jì)方法對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的定位控制效果。結(jié)果如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的定位變量值測(cè)試結(jié)果

由圖2可知，通過(guò)本文方法進(jìn)行柔性定位控制后，機(jī)械手2個(gè)作業(yè)臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)定位變量值與其定位理想值十分接近，整體差異不超過(guò)0.3°，說(shuō)明本文方法的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)定位控制效果較好。

2.3 關(guān)節(jié)角度誤差測(cè)試

測(cè)試機(jī)械手2個(gè)作業(yè)臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、伸縮關(guān)節(jié)和縱移關(guān)節(jié)在柔性定位控制中的角度定位變量值相對(duì)誤差，也就是對(duì)各關(guān)節(jié)的定位精度進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果如圖3所示。

圖3 關(guān)節(jié)角度誤差測(cè)試結(jié)果

由圖3可知，2個(gè)作業(yè)臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、伸縮關(guān)節(jié)和縱移關(guān)節(jié)在柔性定位控制中的角度定位變量值相對(duì)誤差都較小。其中，作業(yè)臂1的定位變量值相對(duì)誤差最高不超過(guò)0.5°；作業(yè)臂2的定位變量值相對(duì)誤差最高不超過(guò)0.4°，說(shuō)明本文方法各關(guān)節(jié)角度的定位精度都較高。

2.4 3個(gè)方向的平均定位誤差測(cè)試

利用本文方法進(jìn)行柔性定位控制后，測(cè)試機(jī)械手在X、Y、Z這3個(gè)方向的平均定位誤差，結(jié)果如表2所示。

表2 平均定位誤差測(cè)試結(jié)果

由表2可知，作業(yè)臂1在X、Y、Z這3個(gè)方向的平均定位誤差較低，平均定位誤差為52.805 mm；作業(yè)臂2在X、Y、Z這3個(gè)方向的平均定位誤差也較低，平均定位誤差為58.055 mm，說(shuō)明本文方法的機(jī)械手定位誤差整體較小。

3 結(jié)束語(yǔ)

研究數(shù)控機(jī)床機(jī)械手柔性定位控制問(wèn)題對(duì)于增強(qiáng)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化程度，提升數(shù)控機(jī)床作業(yè)效率來(lái)說(shuō)，有著重要的應(yīng)用價(jià)值與理論意義。在本文的研究中實(shí)現(xiàn)了作業(yè)臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與在柔性條件下機(jī)械手的準(zhǔn)確定位控制，取得了一定研究成果。