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)
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)。
1.1.1 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。
1.2.1 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]。
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)。
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) %
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。