基于力傳感器的工業(yè)機(jī)器人力控試驗(yàn)系統(tǒng)的研制

夏添　喻鎮(zhèn)濤　王金亮　石見白　袁輝

摘 要：隨著工業(yè)機(jī)器人在汽車零部件等相關(guān)試驗(yàn)中的應(yīng)用不斷深入，單純使用位置控制的工業(yè)機(jī)器人已無法滿足某些汽車零部件試驗(yàn)中控制力和監(jiān)測(cè)力的應(yīng)用要求。本文研制了一種基于力傳感器的機(jī)器人力控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以IRB4600機(jī)器人為平臺(tái)，由三分力傳感器、力傳感器放大器、模擬量輸入端子模塊、DeviceNet總線耦合器和工控機(jī)等組成。該系統(tǒng)具有力閉環(huán)控制和監(jiān)測(cè)功能，根據(jù)力值的反饋可以調(diào)節(jié)機(jī)器人的姿態(tài)來達(dá)到試驗(yàn)要求。通過座椅強(qiáng)度耐久試驗(yàn)的結(jié)果分析，表明該系統(tǒng)可以滿足機(jī)器人力控制方面汽車零部件試驗(yàn)的需求。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；力控制；三分力傳感器；LabVIEW軟件

中圖分類號(hào)：U467.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2016）06-0098-04

Abstract： With thorough application of industrial robots in the automotive components test， the industrial robots using position control have been unable to meet the application requirements of the monitoring force in some automobile components test. The industrial robot force control system based on force sensor has been developed in this paper. The system is based on the platform of IRB4600 robot ，using the three-dimensional force transducer、force transducer amplifier、analog input terminal module、DeviceNet bus coupler and industrial control computer etc. According to the feedback fore，the system having the function of force closed-loop control and monitoring can adjust the attitude of the robot to meet the test requirements.The result of seat strength durability test shows that the system can meet the requirement of the test of automobile components in robot force control.

Key Words： Industrial robot； Force control； Three-dimensional force transducer； LabVIEW soft

1 引言

近年來，中國汽車工業(yè)發(fā)展迅速，市場(chǎng)規(guī)模、生產(chǎn)規(guī)模迅速擴(kuò)大，汽車工業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。汽車廠家越來越重視汽車的零部件質(zhì)量，隨著質(zhì)量的重視，汽車零部件的試驗(yàn)種類越來越多，試驗(yàn)方法越來越難。汽車發(fā)展的這段時(shí)間，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展也非常迅猛。工業(yè)機(jī)器人具有工作效率高、穩(wěn)定可靠、重復(fù)精度好、動(dòng)作靈活等優(yōu)勢(shì)[1]，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到拓展，所能夠完成的工作日趨復(fù)雜，特別應(yīng)用于汽車制造和汽車試驗(yàn)中。

眾所周知，機(jī)器人在空間中的運(yùn)動(dòng)總體概況起來可以分為兩種形式：一種是機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)不受任何形式的約束，對(duì)這種運(yùn)動(dòng)可以采取純位置進(jìn)行控制。如傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中運(yùn)用最廣泛的噴漆，弧焊這些不與環(huán)境物體相接觸的運(yùn)動(dòng)。另一種是機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)受到空間的約束，這種形式的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)隨著科技的發(fā)展已經(jīng)越來越多的運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。這種作業(yè)都會(huì)發(fā)生機(jī)器人和環(huán)境的交互作用，把這種作用力稱作是接觸力，即機(jī)器人具有力控功能[2]。機(jī)器人通過力傳感器與外界環(huán)境進(jìn)行交互，從而調(diào)整機(jī)器人的位置姿態(tài)來滿足要求。

現(xiàn)在很多汽車零部件試驗(yàn)不僅需要走既定的軌跡，還需要記錄軌跡過程中的力，例如換擋機(jī)構(gòu)耐久試驗(yàn)中要監(jiān)測(cè)換檔力，汽車座椅強(qiáng)度耐久試驗(yàn)要求用假臀模型以一定范圍的垂直力擠壓座椅等試驗(yàn)。因此具有力控的機(jī)器人[3]才能完成上述試驗(yàn)。

本文就是基于上述現(xiàn)狀，研制了機(jī)器人力控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以IRB4600機(jī)器人為平臺(tái)，利用三分力傳感器、力傳感器放大器、模擬量輸入端子模塊、DeviceNet總線耦合器和工控機(jī)等設(shè)備研制了具有力控閉環(huán)的工業(yè)機(jī)器人力控試驗(yàn)系統(tǒng)?；谠撓到y(tǒng)完成了座椅強(qiáng)度耐久試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果分析，該系統(tǒng)完全可以滿足機(jī)器人力控制方面試驗(yàn)的需求。

2 系統(tǒng)的研制需求和工作原理

2.1 系統(tǒng)的研制需求

現(xiàn)有ABB機(jī)器人都只能進(jìn)行純位置控制，可以用于軌跡類試驗(yàn)例如車門開閉耐久試驗(yàn)，然而一些零部件試驗(yàn)在進(jìn)行既定軌跡時(shí)候需要控制力或監(jiān)測(cè)力，例如模擬人體進(jìn)出座椅試驗(yàn)[4]要求三維假人模型水平滑入座椅并陷入座椅邊翼和靠背邊翼各約25mm，三維假人模型旋轉(zhuǎn)30°使得模型后部內(nèi)側(cè)先進(jìn)入，直到模型中心線和座椅中心線對(duì)齊，模型陷入座椅直到載荷為445N后，模型約以30°和445N載荷蠕動(dòng)靠背，然后模型以445N載荷停留在座椅直到一半移出座椅，以4.5次/min重復(fù)上述過程15000次?；谏鲜鲂枨?，只有把力控制引入到工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中來，使得機(jī)器人能夠?qū)ν饨缌Ξa(chǎn)生適時(shí)的反饋并且對(duì)產(chǎn)生的力進(jìn)行調(diào)整，才能使得機(jī)器人具有力控功能，滿足試驗(yàn)的要求。

2.2 系統(tǒng)的工作原理

將力傳感器集成到機(jī)器人控制中，就可以使得機(jī)器人具有力控功能。將力控制加入機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，主要涉及到力信號(hào)的傳遞過程和力的處理過程。該系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，它包含兩個(gè)過程：a）力信號(hào)的傳遞過程：機(jī)器人末端的ME力傳感器K3D120將力信號(hào)通過FC-GSV-11H力傳感器放大器進(jìn)入倍福KL3001輸入模塊，KL3001輸入模板通過倍福BK5250總線耦合器與機(jī)器人控制器進(jìn)行DeviceNet通訊，機(jī)器人控制器獲得實(shí)際力。同時(shí)機(jī)器人控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet與上位機(jī)的監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行通訊，讓力值以圖形形式在上位機(jī)上顯示；b）力信號(hào)的處理過程：在試驗(yàn)運(yùn)行中，機(jī)器人控制器接受到實(shí)際力值，機(jī)器人的試驗(yàn)程序?qū)?shí)際力值與目標(biāo)力進(jìn)行比較，在下個(gè)周期調(diào)節(jié)機(jī)器人位置姿態(tài)來到達(dá)力的目標(biāo)值，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的力控功能。

3 系統(tǒng)的研制

3.1 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)如圖2所示，主要包括型號(hào)為IRB4600的ABB機(jī)器人、三分力傳感器、力傳感器放大器、模擬量輸入端子模塊、DeviceNet總線耦合器、PLC和工控機(jī)等設(shè)備。三分力傳感器安裝在機(jī)器人第六軸法蘭盤上，用來測(cè)量在傳感器坐標(biāo)系下x、y、z三方向所受的力。三分力傳感器、力傳感器放大器和模擬量輸入端子模塊都安裝在機(jī)器人控制器里面。PLC、工控機(jī)和一些電器元件安裝在定制的控制柜里面。

3.2 軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分包括機(jī)器人示教器的人機(jī)交互界面和工控機(jī)上的信號(hào)圖形顯示界面等兩部分組成。

機(jī)器人的人機(jī)交互界面由ABB公司提供的圖形化語言工具ScreenMaker編寫的。圖形化語言工具ScreenMaker提供現(xiàn)成圖形，我們只需設(shè)置相應(yīng)控件的屬性即可完成相應(yīng)控件的功能，不需要關(guān)心底層的程序，便于上手。機(jī)器人的人機(jī)交互界面如圖3所示，它由壓力參數(shù)設(shè)定、機(jī)器人狀態(tài)和校準(zhǔn)三個(gè)功能模塊組成。壓力參數(shù)設(shè)定界面如圖4所示，它的功能主要是顯示三分力傳感器的力信號(hào)的實(shí)際值、設(shè)定的保護(hù)值和容差值以及試驗(yàn)開始前對(duì)力信號(hào)進(jìn)行置零的功能。機(jī)器人狀態(tài)界面如圖5所示，它的功能主要是設(shè)置試驗(yàn)次數(shù)、試驗(yàn)載荷、力控偏移值等試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，同時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。校準(zhǔn)界面如圖6所示，它的功能主要是對(duì)三分力每個(gè)方向的力進(jìn)行標(biāo)定，以后換傳感器可以很方便的進(jìn)行標(biāo)定。

工控機(jī)上的信號(hào)圖形顯示界面主要功能是力信號(hào)的圖形顯示和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境[5]，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。它是一種用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，可用來非常方便地創(chuàng)建用戶所需界面。鑒于LabVIEW這些優(yōu)點(diǎn)，信號(hào)圖形顯示界面主要是采用是現(xiàn)在主流的圖形編程語言LabVIEW編寫而成的。信號(hào)圖形顯示界面如圖7所示，在LabVIEW軟件的前面板利用現(xiàn)成的控件設(shè)計(jì)了力信號(hào)圖形和采集存儲(chǔ)顯示界面。該界面主要包括三個(gè)方向力的實(shí)時(shí)顯示大小、試驗(yàn)運(yùn)行的次數(shù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能。前面板中控件的功能實(shí)現(xiàn)是需要在流程圖中利用圖形化源代碼進(jìn)行編寫實(shí)現(xiàn)的。信號(hào)圖形顯示界面中圖形顯示模塊功能的流程圖程序如圖8所示：

4 系統(tǒng)的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，我們利用機(jī)器人力控系統(tǒng)進(jìn)行汽車座椅強(qiáng)度試驗(yàn)。汽車座椅強(qiáng)度試驗(yàn)的要求是座椅的坐墊受100N-300N的上下往復(fù)載荷，循環(huán)次數(shù)為10萬次。機(jī)器人力控系統(tǒng)進(jìn)行座椅強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)如圖9所示：

圖10為自行研制基于力傳感器的機(jī)器人力控系統(tǒng)對(duì)座椅進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)的過程中實(shí)時(shí)繪制的力值曲線圖。由于座椅表面有一定水平角度，因此三分力傳感器x和y方向會(huì)受一定的力，從力值曲線圖可知，三分力傳感器x和y方向所受的力值很小，不影響座椅受力情況，同時(shí)可知三分力傳感器z方向所受力值符合試驗(yàn)要求。因此，機(jī)器人力控系統(tǒng)滿足座椅強(qiáng)度試驗(yàn)的要求。

5 結(jié)論

本文通過力傳感器將力控制引入到工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中來，使得機(jī)器人能夠?qū)ν饨缌Ξa(chǎn)生適時(shí)的反饋并且對(duì)產(chǎn)生的力進(jìn)行調(diào)整，使得以位置控制的機(jī)器人具有力控功能。本文利用該系統(tǒng)進(jìn)行了座椅強(qiáng)度耐久試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果分析，該系統(tǒng)完全可以滿足座椅的試驗(yàn)要求，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。該系統(tǒng)還完成了一些監(jiān)測(cè)換檔力的換擋機(jī)構(gòu)耐久試驗(yàn)、汽車鈑金件的剛度試驗(yàn)和車內(nèi)儀表板總成的零部件剛度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可靠。該系統(tǒng)在汽車零部件力控試驗(yàn)中具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

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