打磨机器人控制系统设计研究

打磨机器人控制系统设计研究

摘要:为解决卫生陶瓷行业中的干胚打磨粉尘浓度高,噪声大,工作环境比较恶劣,影响工人的身体健康的问题,设计并开发了一套基于6轴工业机器人的自动打磨系统。通过设计机器人末端的力控法兰打磨机构,基于Labview开发了打磨机器人末端力控法兰的上位机软件,与工业机器人通讯,运用PID控制系统,进行恒力打磨实验,结果表明:打磨机器人可以控制输出相对平稳的接触力,验证了力控法兰设计的可行性,满足了卫生陶瓷打磨对接触力控制的需求。

关键词:机器人;力控法兰;自动打磨;控制系统

0引言

随着机器人技术的快速发展,在生产生活中越来越多的机器人被用来替代人工从事高强度、高频率的沉重劳动,在众多行业中的卫生陶瓷行业是一个属于劳动作业非常密集的行业,因此卫生陶瓷行业适合进行转型升级为机械化以及自动化的生产作业形式。卫生陶瓷行业中的卫生陶瓷干坯打磨工艺,常规的人工传统手动打磨特点为打磨的质量效果不稳定,所加工过的卫生陶瓷产品具有较差均一性,而且人工作业效率低,生产成本高[1-2]。针对卫生陶瓷的特点,本文对工业机器人末端的力控法兰机构进行了结构本体设计,开发了力控法兰上位机软件,能实时监控打磨过程,提高生产效率,改善从业者的工作环境。

1系统总体技术方案

1.1系统设计要求

(1)系统的工作模式。设计两种工作模式:自动控制,半自动控制。(2)工业机器人与力控法兰协调配合对卫浴陶瓷表面恒力打磨[3],按照所设定的路径,工序自动打磨,具有自我诊断功能,上位机有相应的提示故障报警等功能。(3)上位机软件能实时监控,打磨数据保存,报表生成等功能。

1.2系统结构设计

根据卫生陶瓷工件打磨工况需求,设计卫生陶瓷的打磨机器人系统如图1所示。该系统是通过上位机控制器、力控法兰、工业机器人、空压机、打磨机和工位转台等重要器件构成。6轴工业机器人作为整个系统的载体,对打磨机进行轨迹控制;工位转台为了实现打磨卫生陶瓷的复杂曲面,使用机器人附加轴实现控制;力控法兰能够控制打磨作业时的接触压力;上位机提供力控系统控制器、人机交互和轨迹离线编程的功能。根据系统应具备的功能并结合工作流程设计系统的体系结构[2],系统总体工作流程如图2所示,该控制系统主要分为硬件控制系统和打磨软件系统。各部分完成的功能主要有:硬件控制系统:主要完成在打磨过程中,工业机器人、压力传感器和姿态传感器等的协调动作;打磨软件系统:完成自动编程生成打磨路径代码,仿真验证打磨轨迹并根据压力传感器和姿态传感器反馈进行实时调整以获得最佳的工艺参数。

2硬件设计

工业机器人的末端与力控装置上法兰连接,力控装置下连接法兰可内置安装姿态传感器[5],下连接法兰用于安装接触力反馈的压力传感器和气动打磨机。为了使装置具有很好的快速的控制和调节接触力的能力,采用气动控制方式,气缸作为驱动元件。整个力控法兰包括:上下连接法兰、顶板、底板、固定支撑板、精密导向机构滚珠花键导轨、气缸、比例调压阀、直线位移传感器和姿态传感器。卫生陶瓷打磨机器人系统的控制由两个方面组成:打磨机器人的轨迹姿态运动控制以及打磨机和工件之间的接触力控制。打磨机器人轨迹控制通过在计算机离线编程软件中搭建场景,导入卫生陶瓷的工件模型,按照加工工艺进行轨迹规划和设计,操作仿真来验证打磨轨迹和状态,后置生成机器人可执行的程序代码。机器人按照导入的代码运行,完成对打磨机相对于卫生陶瓷的连续轨迹运动控制。打磨机器人的轨迹姿态运动控制是为了实现机器人6轴末端能够跟踪预期规划的打磨轨迹和姿态[6-7],以及速度和加速度。打磨接触力通过上位机软件控制器设置,工业机器人控制器按照导入的打磨路径轨迹驱动工业机器人运行到指定的位置姿态[8],力控法兰搭载着的打磨工具和工件进行接触,比例调压阀集成的压力传感器实时反馈气缸中的气压,通过控制器的PID控制算法给定控制量来控制比例调压阀,对输出的气压进行调节。当接触力偏小时,比例调节阀进气口打开向气缸腔内进气以增加压力;当接触力偏大时,气缸腔内的气压超过设定气压时,比例调节阀排气口打开,通过气管向外排气以减小压力。从而使得打磨接触力趋于目标值并保持稳定,同时压力传感器反馈打磨工具和工件之间的接触压力。从而实现打磨机和工件之间的接触力保持恒定或者能够跟踪目标力。本装置采用气动控制方式,气动控制原理如图4所示,整个气动系统通过空压机、储气罐、比例调压阀与气缸等组成。下连接法兰安装接的压力传感器可以将接触压力反馈给上位机,通过PID控制,实现接触恒力控制[9]。PID控制原理如图5所示。气缸活塞杆连接有浮动接头,用来消除加工精度不够带来的误差。滚珠花键导轨的花键轴自由端设置有减震缓冲板,用于防止冲击。

3人机交互界面设计与实验平台

搭建基于Labview的力控法兰软件平台,力控法兰使用数据采集卡采集的数据传送给上位机。通过Labview设计力控法兰的软件测控平台,该测控平台主要有信号采集模块、输出模块、控制模块和软件控制操作界面等部分。在力控法兰系统工作运行的时候,上位机需要实时采集系统输出的数据,主要为气压、位移、压力以及姿态传感器信号。力控法兰的控制操作界面如图6所示,该界面包含有压力值设定模块,用于设置打磨接触力的目标值。压力报警模块用于实际接触力超过目标设定压力的上下限值就会报警并停止工作[10]。位置倾角参数显示模块可以实时显示力控法兰的位移和倾角的状态。接触压力曲线显示模块能够实时的显示力控法兰输出的接触压力,用于观测其力控效果。根据以上介绍的硬件设备,进行实验平台的搭建。上位机对力控法兰运行控制和性能指标监视。力控法兰通过三联件减压阀设定为的0.7MPa。工位转台用于调节工件的角度,从而能够适应不同曲面的打磨。在卫生陶瓷打磨机器人实验平台中,工位转台能够实现4个工位的打磨,实验平台主要由工业机器人、控制器、上位机、力控法兰等组成。工位转台的运动由机器人的附加轴实现控制,需要对其进行配置。最后搭建成如图7所示的卫生陶瓷打磨机器人实验平台。

4实验

为了验证力控法兰在实际打磨作业中的工作效果,同时分析其接触力控制的鲁棒性,依靠搭建的实验平台,开展力控法兰的输出接触力控制研究。在实验中,使打磨机与卫生陶瓷正上方表面法向接触,通过RobotArt离线编程软件进行程序编译,并导入工业机器人中运行一条轨迹,设置数据采集卡的采集周期是50ms。预设目标接触力为20N,图8为力控法兰的接触力输出曲线,在PID控制系统下的力控法兰实际输出接触力在目标值的±2N范围内上下波动,波动幅度比较小,输出接触力相对平稳,实现了打磨机器人恒力控制。

5结论

本文设计了搭载于工业机器人的力控法兰用于打磨作业,设计了卫生陶瓷打磨机器人的硬件与软件平台,搭建了基于Labview的上位机软件控制器,依靠搭建的实验平台,运用PID控制系统对打磨机器人的输出接触力控制研究。经实验验证,本系统运行稳定可靠,实现了对卫生陶瓷的恒力打磨,完成了卫生陶瓷打磨工作,有效提高打磨效率。

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作者:刘祚时 吉协福 姜鸿雅 单位:江西理工大学