柔性关节机器人（共7篇）
柔性关节机器人 篇1
0 引言
目前, 有关空间机器人系统的动力学分析及智能控制的研究已得到各国科学研究人员的广泛关注, 并已取得了一定的成果。但值得注意的是, 大多数研究都建立在空间机器人系统结构中各分体均为纯刚性体的基本假设上, 并将空间机器人视为一个多刚体系统[1,2,3]。然而, 在实际的空间应用中, 空间机器人的机械臂与装配在关节处驱动该机械臂运动的电机转子之间的连接不可能为绝对刚性。同时, 在空间机器人轻型化的要求下, 带有柔性的机械臂已经得到了越来越广泛的运用。因此, 空间机器人系统实际上为刚-柔性耦合系统, 而具有柔性关节和柔性臂的空间机器人模型为最接近实际的空间机器人模型。值得注意的是, 空间机器人结构中柔性因素的存在是一把“双刃剑”。一方面, 柔性臂能够减轻空间机器人的质量, 降低能量消耗, 使机械臂获得较大的操作空间和较高的工作效率;柔性关节能够吸收空间机器人在运动过程中发生意外碰撞时受到的冲击力, 降低空间机器人的损伤。另一方面, 柔性关节和柔性臂在运动过程中所引起的弹性变形和弹性振动会对系统的控制精度和稳定性造成不利的影响。而随着空间机器人技术朝着轻质、高速、高精度的方向发展, 空间机器人的大位移刚性运动与柔性关节和柔性臂的小位移弹性变形之间的耦合作用已不容忽视, 目前, 有关刚-柔性耦合的空间机器人系统的动力学分析和智能控制方法研究已成为了科学研究的重点, 但是大多数的研究对象为刚性关节-柔性臂空间机器人系统[4,5], 或柔性关节-刚性臂空间机器人系统[6,7]。虽然有少数研究同时考虑了柔性关节和柔性臂对系统的影响, 但是其研究对象主要为地面机器人[8,9,10], 而对柔性关节-柔性臂空间机器人系统的研究仍然比较少见。尤其对于载体自由漂浮的漂浮基空间机器人系统, 该系统呈现出的非线性和强耦合性使得空间机器人的动力学建模过程比固定基的地面机器人更加复杂[11], 进而又使得惯常用于地面机器人的一些控制方法无法直接应用和推广到空间机器人的控制中。因此, 有关漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人的研究难度较大, 同时也更具有挑战性。
基于以上讨论, 本文同时考虑了柔性关节和柔性臂对漂浮基空间机器人系统的影响, 首先利用动量、动量矩守恒关系和拉格朗日-假设模态法建立系统的动力学方程。接着基于奇异摄动法, 将系统分解为“刚性关节-刚性臂”慢变子系统、“柔性关节-刚性臂”快变子系统和“刚性关节-柔性臂”快变子系统, 并分别针对这三个子系统设计相应的控制律来实现系统期望运动轨迹的渐近跟踪和关节、臂弹性振动的抑制。最后通过仿真实验证明所提出的混合控制律的有效性。
1 漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人系统动力学建模
为不失一般性, 考虑如图1所示的双柔性关节、单柔性臂的漂浮基空间机器人系统。该系统由载体B0、刚性臂B1和柔性臂B2组成。Oi (i=1, 2) 为各分体与电机转子连接的关节转动铰。建立惯性坐标系 (OXY) 及各分体Bj (j=0, 1, 2) 的主轴坐标系 (Ojxjyj) 。假设各分体在 (OXY) 平面内作平面运动。
1.1 柔性关节的简化模型
根据Spong所提出的“转子-扭簧系统”简化模型[12]:在小变形的情况下, 柔性关节可简化为一个用来连接电机转子和机械臂的刚度系数为ki的无惯量线性扭转弹簧, 结构如图2所示。此时, 当关节Oi处的电机转子转过角度φi时, 与其相连接的机械臂Bi由于受到扭转弹簧弹性力的作用, 其实际的转动角度为qi=φi-σi, 其中σi为扭转弹簧引起的关节弹性变形偏差角。而关节Oi处电机转子与机械臂之间相互作用的弹性力大小可表示为ki (φi-qi) =kiσi。
1.2 柔性臂的简化模型
假设柔性臂B2为细长杆, 忽略其在运动过程中的剪切变形和转动惯量的影响, 于是可将B2视为Euler-Bemoli梁, 并利用假想模态法[13], 将B2的横向弹性变形v (x2, t) 表示为
式中, n为保留模态数;фi (x2) 为第i阶模态函数;δi (t) 为与фi (x2) 相对应的模态坐标。
本文对前二阶模态进行分析, 于是有:n=2, v (x2, t) =ф1 (x2) δ1 (t) +ф2 (x2) δ2 (t) 。
1.3 系统动力学模型
如图1所示, 令载体B0的质心Oc0与O0重合, 其相对于O的矢径为r0, 刚性臂B1的质心Oc1相对于O的矢径为r1, 柔性臂B2上任意一点相对于O的矢径为r2, 系统总质心C相对于O的矢径为rc。Oc0与O1之间的距离为l0, Oc1与O1之间的距离为d1, Bi的长度为li。B0的质量为m0, B1的质量为m1, B2的线密度为ρ, 电机的质量可忽略不计[12], 于是系统的总质量M=m0+m1+ρl2。B2的抗弯刚度为EI。根据系统几何位置关系和总质心定理, 各分体矢径rj及其一阶导数可分别表示为
式中, ei (i=0, 1, 2) 为系统各分体主轴坐标系xi轴的轴向基矢量;e3为柔性臂B2的主轴坐标系y2轴的轴向基矢量;Rj0、Rj1、Rj2、Rj3、Rj4为系统惯性参数的组合函数。
为不失一般性, 设定漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人系统不受外力作用, 系统相对惯性坐标系 (OXY) 满足动量、动量矩守恒关系。假设系统的初始动量、动量矩为零, 于是系统的动量、动量矩守恒关系可表示为
式中, w0、w1分别为B0、B1的转动角速度矢量;wφi为电机转子的自转角速度矢量;J0为B0的转动惯量;J1为B1的转动惯量;Jφi为关节Oi处电机转子的自转惯量。
柔性关节的存在使得在对漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人系统进行动力学分析时不能再将电机转子与机械臂简化为一整体进行分析, 而需要分别对电机转子的动力学和由载体、刚柔机械臂组成的空间机器人的动力学进行分析。于是, 系统的总动能T为电机转子的动能Tφ和空间机器人的动能Tq之和, 即
忽略宇宙中微弱的重力作用, 系统的总势能U为柔性关节简化扭转弹簧的弹性变形势能Uφ和柔性臂的弯曲应变势能Uq之和, 即
基于以上的讨论, 并结合拉格朗日方程, 可获得载体位置、姿态均不受控的漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人系统完全驱动形式的动力学方程:
其中, φ为由电机转子的转角φ1、φ2组成的向量, φ=[φ1φ2]T∈R2;q为由机械臂的转角q1、q2组成的向量, q=[q1q2]T∈R2;δ为由柔性臂的模态坐标δ1、δ2组成的向量, δ=δ1[δ2]T∈R2;θ=q[0qδ]T∈R5, q0为载体姿态角;δ为柔性关节引起的关节弹性变形偏差角组成的向量, σ=φ-q∈R2;Jφ为电机的对角正定惯量矩阵, Jφ=diag (Jφ1, Jφ2) ∈R2×2;D (θ) 为空间机器人的对称正定惯量矩阵, D (θ) ∈R4×4·;为包含科氏力和离心力的列向量, ;Kφ为柔性关节刚度系数矩阵, Kφ=diag (k1, k2) ∈R2×2;Kδ为柔性臂刚度系数矩阵, Kδ=diag (kδ1, kδ2) ∈R2×2;τ为由关节O1、O2处电机的输出力矩τ1、τ2组成的向量, τ=[τ1τ2]T∈R2。
式 (8) 可分解为电机转子和空间机器人两部分, 即
其中, D11∈R2×2、D12=DT21∈R2×2和D22∈R2×2均为D (θ) ∈R4×4的子矩阵;C1∈R2×1和C2∈R2×1均为C (θ, θ·, qa·) ∈R4的子矩阵。显然, 式 (9) 为电机转子的动力学方程, 式 (10) 为空间机器人的动力学方程。
2 系统动力学奇异摄动分解及控制律设计
柔性关节和柔性臂在运动过程中所引起的弹性变形会影响系统的控制精度, 所引起的弹性振动会影响系统的稳定性。为了克服这些问题, 本文基于奇异摄动法, 将漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人系统分解为表示系统刚性运动部分的慢变子系统和表示系统柔性运动部分的快变子系统, 并分别为子系统设计控制律。其中, 慢变子系统控制律τs用来实现系统期望运动轨迹的渐近跟踪;快变子系统控制律τf用来主动抑制柔性关节和柔性臂的双重弹性振动, 保证系统的稳定性。于是, 系统的总控制律可表示为τ=τs+τf。
2.1“刚性关节-刚性臂”慢变子系统
由于对称、正定惯性矩阵D (θ) 可逆, 于是由式 (9) 、式 (10) 可解得
定义奇异摄动因子ε2=1/min (kδ1, kδ2) , 变量zδ=δ/ε2、zσ=σ/ε2和矩阵。将它们代入式 (11) ~式 (13) , 可得到
为了获得“刚性关节-刚性臂”慢变子系统的动力学方程, 需要消除系统中的柔性变量。于是令ε=0, 则可将式 (14) ~式 (16) 重新写为
式中, C1σ和C2σ分别为消除矩阵C1和C2中有关柔性关节的变量 (即令) 后得到的新矩阵;上横线“-”表示消除有关柔性臂的变量后获得的新矩阵和新变量。
由式 (17) 可解得, 将其代入式 (19) 可得到
再将所求得的zσ和zδ代入式 (18) , 便可得到“刚性关节-刚性臂”慢变子系统的动力学方程:
定义qd=[qd1qd2]T为慢变子系统的期望输出向量, 则其与实际输出向量q之间的输出误差向量, ei=qi-qdi;对时间的一阶导数, 即速度误差向量。
考虑如下的非线性滑模面:
式中, α、β为正常数;p1、u1、p2、u2为正奇数, 且p1>u1, p2>u2。
由式 (22) 可看出, 该非线性滑模超曲面实际上为常规的线性滑模面和终端滑模面的组合和改进。以往研究表明:当系统状态远离平衡点时, 线性滑模的收敛速度优于终端滑模;而当系统状态在平衡点附近时, 终端滑模的收敛速度优于线性滑模。因此, 为了使系统从任意初始状态到达平衡点的过程中能够始终获得较高的收敛速度, 本文将线性滑模面和终端滑模面进行合理结合。同时注意到, 式 (22) 还对线性滑模面进行了改进:如果令p2>u2, 则此时e的指数大于1, 从而进一步加快了远离平衡点的系统状态的收敛速度。
将s对时间求导, 可得
为了消除滑模自身的抖振并提高趋近速度, 选取如下的双幂次趋近律:
式中, si为s的第i个元素。
于是结合式 (23) 和式 (24) 可得到慢变子系统如下的滑模控制律:
定理对式 (21) 所描述的慢变子系统, 滑模控制律式 (25) 可保证:当系统到达滑模面后, 对给定的任意初始状态e (0) , 系统都将保持稳定并在有限时间内到达平衡点。
证明在滑模面上, 令s=0, 则由式 (22) 可得到系统误差的收敛速度表达式:
选取如下形式的Lyapunov函数:
将V对时间求导, 并结合式 (26) 可得
由于α、β为正常数, p1、u1、p2、u2为正奇数, 故。于是由Lyapunov稳定性定理可知:系统渐近稳定。
假设系统误差的初始状态ei (0) >1, 则可将系统从初始状态收敛到达平衡点的过程分为两个阶段。
阶段1:从初始状态收敛到ei (t) =1的过程。此时e的收敛速度主要取决于式 (26) 中的改进线性滑模部分, 即
对式 (29) 两边取积分, 得完成该阶段所用的时间为
阶段2:从ei (t) =1收敛到平衡点的过程。此时e的收敛速度主要取决于式 (26) 中的终端滑模部分, 即
对式 (31) 两边取积分, 得到完成该阶段所用的时间为
注意到, 在求解t1和t2时都分别忽略了式 (26) 中的其中一项, 即采用了小于实际收敛速度的运动速度来计算到达时间, 因此, 系统从初始状态收敛到平衡点的总时间应该为
2.2 快变子系统
由于柔性关节和柔性臂都会引起系统的弹性振动, 而且振动级别不一定相同。因此, 我们考虑将快变子系统再次分解为两个子系统:描述柔性关节引起的系统弹性振动的“柔性关节-刚性臂”快变子系统和描述柔性臂引起的系统弹性振动的“刚性关节-柔性臂”快变子系统。对“柔性关节-刚性臂”快变子系统设计控制律τf1来抑制柔性关节引起的系统弹性振动;对“刚性关节-柔性臂”快变子系统设计控制律τf2来抑制柔性臂引起的系统弹性振动。于是, 快变子系统的总控制律可写为τf=τf1+τf2。
2.2.1“柔性关节-刚性臂”快变子系统
为了获得该子系统的动力学方程, 由上文的分析, 消除式 (14) ~式 (16) 中有关柔性臂的变量, 有
设计如下的基于转角速度差值的反馈控制律:
式中, K2为正定对角矩阵。
于是由式 (37) 可看出该控制律的控制原理如下:根据反馈回的电机转子和机械臂的转动角速度的差值来不断调节参数Kf, 从而保证系统的稳定性。
将式 (37) 代入式 (34) 可得到“柔性关节-刚性臂”快变子系统如下形式的动力学方程:
2.2.2“刚性关节-柔性臂”快变子系统
为了获得“刚性关节-柔性臂”快变子系统的动力学方程, 令系统动力学方程式 (14) ~式 (16) 中φ=q、, 消去系统中有关柔性关节的变量, 可得到
由式 (39) 可解得, 并将其代入式 (40) 、式 (41) , 整理后可得
引入快变时标tf=t/ε及边界层修正项。因为在快变系统中d于是结合式 (43) , 并令ε=0, 可得到“刚性关节-柔性臂”快变子系统如下形式的动力学方程:
由于式 (44) 为线性完全能控系统, 因此, 本文采用线性二次型最优控制器 (LQR) 来将系统状态ζ调节到零, 从而抑制柔性臂引起的系统弹性振动。若选取最优控制的性能泛函为 (Qf∈R4×4为对称正定常值矩阵, Rf∈R2×2为对称半正定常值矩阵) , 则可将LQR控制器设计为如下形式:
式中, P为Ricatti方程 (-PAf-AfTP+PBfRf-1BfTP-Qf=0) 的唯一解。
综上, 式 (21) 、式 (38) 和式 (44) 描述的即为漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人系统的奇异摄动模型。而式 (25) 、式 (37) 和式 (45) 分别为各子系统的控制律。
3 仿真算例
利用本文提出的慢变子系统的滑模控制律 (式 (25) ) 、快变子系统的速度差值反馈控制律 (式 (37) ) 及LQR控制器 (式 (45) ) 对图1所示的作平面运动的漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人系统进行数值仿真实验。系统的惯性参数为:l0=1.5m, l1=3m, l2=2.5m, d1=2m, m0=40kg, m1=2kg, J0=34.17kg·m2, J1=3kg·m2, Ja1=Ja2=0.53kg·m2, ρ=1kg/m, EI=300N·m2, Kφ=diag (200, 200) 。假设空间机器人的机械臂转角期望运动轨迹为qd1=0.5π (0.1t-0.5sin (0.2πt) /π) , qd2=0.5π (1-0.1t+0.5sin (0.2πt) /π) 。仿真初始值:q0 (0) =0, q (0) =0[.05 1.6]Trad, φ (0) =0[.05 1.6]Trad。仿真时间:t=10s。为了对比, 采用常规的线性滑模面与本文提出的非线性滑模面式 (22) 进行比较。仿真结果如图3~图8所示。其中, 图3为空间机器人的机械臂转角运动的轨迹跟踪对比图, 虚线表示采用基于线性滑模面的控制方法得到的空间机器人的机械臂转角qc的运动轨迹, 实线表示采用基于本文提出的非线性滑模面的控制方法得到的空间机器人的机械臂转角q的运动轨迹;点线表示空间机器人的机械臂期望转角qd的运动轨迹。图4所示为柔性关节引起的关节弹性变形偏差角。图5所示为关闭“柔性关节-刚性臂”快变系统控制律τf1后关节弹性变形偏差角。图6所示为柔性臂模态坐标变量δ的变化曲线。图7所示为柔性臂末端变形曲线。图8所示为关闭“刚性关节-柔性臂”快变子系统控制律τf2后柔性臂模态坐标变量δ的变化曲线。
从图3可看出, 本文所提出的混合控制方法能保证空间机器人的机械臂转角的运动精确且稳定地跟踪上期望运动轨迹, 保证了控制系统的精度和稳定性。而且与常规的基于线性滑模面的控制方法比较来看, 本文提出的基于非线性滑模面的控制方法的趋近速度得到了提高。从图4可看出, 柔性关节所引起的关节弹性变形偏差角σ虽然不为零, 但是被限制在一个非常小的范围内, 足以保证系统的控制精度。而从图5可看出, 当关闭τf1后关节弹性变形偏差迅速变大, 从而证明了τf1对抑制柔性关节引起的系统弹性振动的有效性。从图6和图7可看出, 柔性臂的振动得到了有效的抑制, 柔性臂末端的变形也很小。而从图8可看出, 当关闭τf2后柔性臂的二阶模态在3.5s的时候就变得很大, 进而仿真失效, 这说明此时柔性臂的振动无法得到抑制, 从而证明了τf2对抑制柔性臂的振动的有效性。
4 结束语
在考虑漂浮基空间机器人系统的机械臂和关节都存在柔性的情况下, 本文利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日-假设模态法建立了漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人的动力学模型, 并基于奇异摄动法提出了由控制系统运动的非线性滑模控制、抑制关节柔性振动的速度差值反馈控制和抑制臂柔性振动的LQR控制组成的混合控制律。仿真实验表明, 所提出的混合控制律能够补偿系统的关节转角弹性变形偏差, 保证空间机器人快速、精确、稳定地完成期望运动轨迹的渐近跟踪, 且能够有效地抑制柔性关节和柔性臂引起的系统弹性振动, 保证系统的稳定性, 体现了该混合控制律的良好控制品质。
柔性关节机器人 篇2
对于空间机器人的研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9],过去人们常常将其视为多刚体系统.然而实际应用中许多空间机器人均具有柔性,例如,空间机器人系统中机械臂的关节铰的链接难以达到绝对刚性,这将对整个系统控制的稳定性和精确度产生影响.因此对具有柔性效应的空间机器人的研究就具有十分重要的现实意义.目前具有柔性关节的机器人系统已经受到各国研究人员的重视,但大部分都是针对地面柔性关节机器人系统的研究.与地面机器人不同,柔性关节空间机器人系统具有非线性和强耦合性,因此地面机器人的控制方法难以直接应用于空间机器人中.而且由于系统惯性参数常常难以精确测量,造成了空间机器人的动力学模型往往具有不确定性.针对上述问题,文献[10]采用鲁棒控制方法对自由漂浮空间机器人系统进行控制,成功地解决了参数不确定的问题,但需要对系统动力学方程进行线性化处理;文献[11]采用自适应反演滑模控制方法对空间机器人进行轨迹跟踪控制,但未考虑关节柔性的情况;文献[12]对具有柔性关节的空间机器人进行模糊滑模控制,但针对的是系统参数已知的空间机器人系统.
本文利用拉格朗日第二类方法并结合系统动量、动量矩守恒关系建立了柔性关节空间机器人的动力学方程.首先为使奇异摄动技术能够应用于具有柔性关节的系统中,采用关节柔性补偿来等效提高系统的刚度;再利用奇异摄动理论,针对系统参数不确定的情况设计了带有干扰观测器的漂浮基柔性关节空间机器人关节空间期望轨迹跟踪的退步自适应滑模控制方案,利用干扰观测器来降低参数不确定对系统准确性的影响,通过退步自适应滑模控制来保证系统期望轨迹的跟踪.所提出来的控制方案不需对系统惯性参数线性化处理,结构简单,并且实现了系统关节运动的准确跟踪.系统数值仿真证明了该方法的有效性.
1系统动力学建模
如图1所示,对于载体位置、姿态均不受控的漂浮基柔性关节空间机器人,其满足动量守恒和动量矩守恒关系.
结合拉格朗日方程可导出系统动力学方程
式中,q=[θ0,θ1,…,θn]T,θ=[θ1,θ2,…,θn]T为机械臂各连杆转角的列向量;θm=[θm1,θm2,…,θmm]T为各关节驱动电机转角列向量;M(q)∈Rn×n为系统正定、对称的惯性矩阵;为包含离心力和科氏力的列向量;τ∈Rn×[1]为系统的关节控制力矩;Jm=diag(Jm1,Jm2,,Jmn)为驱动电机对称、正定惯量矩阵;Km=…diag(Km1,Km2,…,Kmn)为柔性关节的简化线性弹簧的刚度矩阵;τm∈Rn×[1]为电机的驱动力矩.
2 基于关节柔性补偿器的奇异摄动分解
由于传统的奇异摄动技术仅适用于弱关节柔性的系统中,特引进关节柔性补偿器来等效降低系统关节的柔性,便于奇异摄动技术的应用.
定义关节驱动电机的控制律为
式中,Kz∈Rn×n为待定参数矩阵;τz∈Rn×[1]为新的控制量;τc∈Rn×[1]为待引入的关节柔性补偿器.
将式(2)代入式(1c)中,结合式(1b),可得
令
其中,Kc∈Rn×n为正定、对角柔性补偿矩阵,其满足Kz=I+Kc,I∈Rn×n为单位阵.
将式(4)代入式(3)中,有
其中,Kf=KmKz.由式(5)可知,经过柔性补偿τc后可等效提高系统刚度.
基于奇异摄动理论,可以将新引入的控制量τz分解为两个子控制量进行设计,即
其中,τzs是针对慢变系统设计的控制力列向量;τzf是针对快变系统设计的控制力列向量.
3 控制器设计
3.1 快变系统控制器设计
定义奇异摄动因子α,使满足:Kf=Ka/α[2],其中,Ka∈Rn×n为正定对角常值矩阵.
将式(6)代入式(5)中,可得
为确保快变系统的稳定性,设计快变系统的控制律为:,代入式(7)中,可得
其中,Ks∈Rn×n的选取应保证系统式(8)的稳定性.
此时若令α→0且θm≈θ,,则可获得相应的慢变子系统.结合式(1a)和式(8)可得
式中,Me(q)∈Rn×n为慢变系统的正定惯性矩阵,其满足:为当简化后得到的列向量.
3.2 慢变系统控制器设计
在建模过程中,由于系统惯性参数常常难以精确测量,从而导致建模存在误差,所建立的动力学方程可表示为
其中,为估计的系统正定的惯性矩阵;为估计的包含有离心力和科氏力的列向量;d∈Rn×[1]为系统模型误差,其满足
此时如果直接采用退步自适应滑模控制,由于存在系统建模误差,系统将无法准确地完成相应的关节运动任务.为减小模型误差对系统的影响,提高系统控制精度,在进行控制器设计时,首先将使用干扰观测器对d进行误差观测补偿;再进行退步自适应滑模控制设计,从而保证系统各关节能够快速跟踪到期望轨迹.
3.2.1 干扰观测器的设计
根据实际所建立的系统动力学方程,本文所采用的干扰观测器具有以下形式[13]
式中,为误差d的估计值,为增益矩阵.
定义干扰观测器的观测误差D为
假设模型误差d的变化相对于观测器的动态特性是缓慢的,即=0.对式(12)进行求导,可得
由此得到观测器误差系统的动态方程为
因此,通过设计矩阵,可使观测器的观测误差按指数收敛.采用干扰观测器对模型误差d进行估计补偿后,系统误差就由d变为D,使系统总误差变小,原系统动力学方程可表示为
式中,τsD为观测器进行补偿后系统所需的力矩,其满足.
3.2.2 退步自适应滑模设计
根据退步设计控制方法的思想,结合滑模控制与自适应控制方法,对式(15)表示的系统进行控制器设计,具体可分为两个步骤.
假设系统的期望轨迹为
式中,θid分别表示机械臂关节铰转角θi的期望值.步骤1引入辅助变量
对式(17)进行求导,可得
取虚拟变量ur=c1e,其中c1∈Rn×n为对称、正定的常值矩阵.定义
选取如下的李雅普诺夫函数
对式(20)进行求导,有
由式(21)可知,若Z1=0,则可看做是系统轨迹误差向量e的二次型函数,且.为此进行下一步设计.
步骤2对式(19)进行求导,结合式(15)有
由于系统建模误差D难以估计上界,为了避免估计误差D的上界,对D进行自适应补偿.定义为观测误差D的估计值,则估计误差上限为
式中,D*为误差上界,有‖D*‖≥‖D‖.
选取如下的李雅普诺夫函数
式(24)中η为一正常数,σ为系统的切换函数,其定义为
其中,c2∈Rn×n为对称、正定常值矩阵.
对式(25)求导,结合式(22),有
对式(24)求导,结合式(21)和式(26),可得
设计如下退步自适应滑模控制器为
同时,设计误差控制的自适应律为
式中,φ∈Rn×n为对称、正定矩阵,kv为正常数.
将式(28)、式(29)代入式(27)中,可得
取
有
设;z=[e Z1]T,则式(30)可写成
通过适当选取常值矩阵c1,c2和φ,可保证F为正定矩阵,从而保证.通过上述退步自适应滑模控制器的设计,使得系统满足李雅普诺夫稳定性条件,e和z1以指数形式渐进稳定.
因此综合上述研究结果,在漂浮基柔性关节空间机器人系统中采用相应的快变子控制律,并对慢变子系统采用式(28)的退步自适应滑模控制律,对于误差控制采用式(29)的自适应律即可保证整个系统各关节铰准确跟踪到期望轨迹中.
4 仿真算例
以平面运动的两杆漂浮基柔性关节空间机器人系统为例.假设系统模型的真实参数分别为
进行仿真时,估计的模型参数分别为
其余参数相同.
设空间机械臂系统各关节铰的关节空间的期望运动轨迹分别为
仿真时所选的相应参数分别为
系统运动的初始值为
图2为开启干扰观测器和柔性补偿时空间机械臂各关节铰的空间轨迹误差跟踪图,其中实线表示关节1的轨迹误差,虚线表示关节2的轨迹误差;图3为关闭干扰观测器时空间机器人各关节铰的轨迹误差图;图4为关闭柔性补偿时空间机器人各关节铰的轨迹误差图.由图2到图4可知,经过柔性补偿和非线性干扰观测补偿后可保证各关节铰准确稳定地跟踪系统的期望轨迹.
柔性关节机器人 篇3
1.1 工业机器人的概念
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。
1.2 工业机器人的特征
工业机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,是工业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
2 我国工业机器人辅助柔性生产的内容、应用和新发展
2.1 我国工业机器人辅助柔性生产的内容
自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。在中国,工业机器人的真正使用到现在已经二十多年了,从1980年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运、切削加工、堆垛等机器人,其中一些已实现了规模应用。
2.2 我国工业机器人辅助柔性生产的应用和新发展
(1)机器人是进行零缺陷生产的重要部件
在切削加工中,过程自动化不仅与机床本身有关,而且也与连接机床的前后生产装置有关。工业机器人能够适合所有的操作工序,能解决诸如传送、质量检验、剔除有缺陷的工件、机床上下料、更换刀具、实际的加工操作、清洗和工件堆垛等任务。
现代工业机器人是一种可自由编程、十分精确和多功能的高效设备。如果给工业机器人装上传感器,手爪系统,集成的数字图象处理设备和智能过程控制软件,它可以为完成各种不同的任务进行编程。因此,对于完成同一个任务,机器人要比专用设备具有更高的柔性。机器人无需装备止动、定位、装夹和辅助等装置,因此,它可以使整个设备设计得很紧凑,对于投资者和企业家来说,其优点在于投资比较少,以及能以简单化的企业内部物料供给而充分利用空间和缩短生产时间。在产品换型和生产调整时,可以缩短准备时间和停机时间,可以较快地重新恢复生产,这也符合准时制生产。
借助于数字图形处理,机器人可以根据形状、大小、姿态和颜色对在传送带上无次序运送的工件进行可靠的识别,这样,机器人用它的手爪随时可以可靠地抓取和操作工件。而用成像系统装备的机器人还可以完成更多的任务。它可以用来识别有缺陷的或错误的工件,把这种工件从生产过程链中取出,说得更确切些,就是把它们或者作为废料处理或者对它们再进行加工,由此确保只有无缺陷的工件才能继续进行加工。所以,工业机器人是进行零缺陷生产的重要部件,如果人们从事相同或类似的操作,那么需要高度地集中注意力。但是,对在工件的机械加工中,工业机器人能够精巧和有效地解决加工过程自动化于这种重复性的工作。当工作场所的温度条件愈不适合,周围环境的噪声愈大,粉尘愈多或存在的危险性愈大,那么这种负面效果的影响就愈大。机器人即使在特别恶劣的环境条件下,它总是能以始终不变的可靠性和质量进行工作,所以,对工作场所合乎人道的要求,这也是采用工业机器人进行辅助自动化的重要理由。
可靠性和利用率是机床和设备最重要的特征参数。就这些参数而言,机器人完全可以令人信服。在定期维护的情况下,在机器人上首次出现故障的平均间隔时间(称之为MTBF-平均无故障时间)显然超过65000小时,这意味着在一年365天,每天24小时连续运行的情况下,差不多在7.5年后才发生一次故障,这种很高的可靠性和利用率是切削加工过程自动化中愈来愈多的采用工业机器人的重要原因。
(2)可进行复杂零件的切削加工和堆垛
来自德国阿尔岑瑙(Alzenau)的ISA自动化系统公司,其重要的业务是从事于研究机器人辅助的磨削和抛光系统。机床和设备的主要使用者是家具、汽车及附件等工业以及铸造厂从事铸件清理的磨工和抛光作业工。特别是对于小批量多品种产品的生产,在这里采用机器人的解决方案有着突出的优点。它可以省掉回转工作台较长的准备时间,总的来说,是提高了磨削加工的质量。手工作业的磨工,在最好的情况下最初加工十个零件是精确的,随后工作注意力会下降。而机器人则相反,它可以确保始终不变的质量。此外,需要的人也较少。
ISA公司采用机器人进行辅助加工,当进行磨削时,它可以以5.5k W的驱动功率传递到接触轮,进行抛光时,驱动功率甚至可达到11k W。然而,人们用手动方式以这样的力和速度进行加工是不可能实现的。ISA公司采用了ABB公司的工业机器人来装备其设备,这些机器人的型号为IRB2400,IRB4400和改进型的IRB6400。由于其紧凑的结构,可以用来构成作业空间十分精简的机器人单元。企业可以用它来改装用户现有的主要设备。例如在对家具部件进行精整加工时,甚至可在5台加工机床的中央设置一台机器人,机器人抓取待加工的工件并将其送到每一台设备上。对于加工几何形状复杂的扶手进一步开发了机器人系统。为了实现加工机床所需的不同定向,ISA公司是将每台机床安装在机床自己的一台回转工作台上。而回转工作台就起到机器人的第7个坐标轴的作用。这样,ISA公司在一台加工单元上,以包括三台磨床和二台抛光机在内的十台机床的配置,通过工业机器人完成扶手的综合加工,从毛坯件直到具有光泽表面的成品件,最后又自动将成品件进行堆垛。
(3)工业机器人在中国汽车制造领域应用最广泛
目前,中国的汽车工业取得了迅猛的发展,自动化柔性生产线在汽车制造业得到了广泛应用,工业机器人是制造业中主要的柔性自动化设备,大量应用于汽车冲压、焊装、涂装等几大汽车制造工艺领域。ABB工业机器人凭借其先进的软、硬件控制技术,过硬的产品质量,丰富的工程经验,全面高效的售后服务赢得了上海大众、北京奔驰、海南马自达、保定长城汽车等客户的支持,在其几大工艺车间大量采用ABB工业机器人,从而大幅度提高了生产效率和产品质量,提高了企业竞争力。
1)汽车白车身领域是工业机器人使用最多的领域,通常包括几十、上百台(套)各种型号机器人,广泛应用于搬运、涂胶、滚边、点焊、激光检测等工艺。
ABB最新推出的安装在柔性平台上的快速集成标准化模块的车身装配线,具有以下优点:标准化解决方案减少订货和交货时间,保证质量前提下最大的柔性设计,对于通用设备容易使用,提供固定资产利用率。
2)白车身线机器人的选型(ABB IRB6600系列)。
IRB6620是专为点焊工艺开发的敏捷点焊机器人(Agile spot welder),IRB 6620 2.2/150性能如下:强力手腕,可抓取大型工件;负载150kg/延伸范围2.2m;重量仅900kg,没有平衡汽缸;腕防护IP67,1~3轴IP54;节省安装空间;可以倾斜和倒吊安装;可以安装在生产线下方,像爬行者。
3)白车身生产线应用案例。
作为世界级的汽车工厂,北京奔驰-戴姆勒·克莱斯勒汽车有限公司(以下简称“BBDC”)新工厂采用了ABB领先的机器人技术解决方案的柔性车身生产线系统,用于生产面向中国市场的克莱斯勒300C型、欧蓝德以及拥有每小时40辆生产能力的奔驰E级轿车。在BBDC新工厂的装焊车间,ABB公司承担了生产线的主设计和制造工程,建立了一套高自动化、高效率、高精度的,适合多种车型不同生产特点的柔性化生产系统,如图1所示。在新装焊车间的3个不同的区域——车身分总成装焊生产作业区、车身主装焊生产作业区、车身门盖生产作业区,BBDC采用的是由41台ABB机器人组建的工作站,提供包括机器人点焊、弧焊、搬运、冲孔、涂胶、卷边、铆接等处理过程,全面实现了BBDC生产过程的自动化。为了满足BBDC在极短的时间内完成高质量工作的需求,ABB利用了全球技术资源,充分发挥资源共享,高效攻克技术难关,向BBDC提交了一份融合了法国柔性装配专家的工程设计理念、ABB美国卷边技术与ABB白车身中国团队项目管理的满意答卷。
ABB向BBDC在主装焊生产线上的5个关键工位上提供了全自动机器人操作系统,凭借其准确的定位、高精度的焊接及冲孔能力、稳定的质量,出色地完成了人工难以操作的焊接工作,提高了生产效率、产品质量、空间利用率,并且有效降低了制造成本,为BBDC带来了极大的市场竞争优势。
摘要：在中国,工业机器人的真正使用到现在已经二十多年了,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运、切削加工、堆垛等机器人,其中一些已实现了规模应用。使得我国工业机器人辅助柔性生产得到了新发展。
关键词：概念与特征,内容,应用和新发展
参考文献
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柔性关节机器人 篇4
采掘设备截齿在高冲击、高应力、高磨损条件下, 在截肩处受到很大的弯矩和剪切力, 所以截齿的齿体易出现破损状态。基于煤矿生产中大量截齿磨损、破损的实际, 通过弧焊机器人再制造技术获得性能满足使用要求的截齿, 从而实现报废截齿被修复再利用。
反求工程是对已有实物原型进行数据测量、拟合、重构CAD模型的一种技术, 是截齿再制造模型建立的基础[1]。采用分层/堆积方式实现重要破损零件维修再制造是目前研究的热点问题之一, 柔性化、自动化、智能化的再制造技术是未来再制造工程发展的方向。在基于精密焊接方法制造金属零件的研究方面, 国内外都开展了相关工作, 如英国的诺丁汉大学、澳大利亚的威龙宫 (Wollongong) 大学等。西安交通大学机械学院的先进制造研究所进行了等离子弧焊直接金属成形技术的研究工作[2], 华中科技大学材料学院进行了基于焊接机器人的三维快速成形的方法研究等[3]。
本文着重介绍采掘设备截齿机器人柔性再制造三维模型建立的基础-反求工程。
1 截齿三维信息数据的预处理
实际测量结果不可避免存在一定误差, 如果直接用这些数据进行拟合及重构, 势必会造成曲面不满足精度要求, 因此, 需要对拟合曲面进行处理[4]:
1.1 数据插补
对于一些测量不到的区域, 其数据只能通过插补的方法来补齐。截齿种类很多, 结构不同, 如图1所示的截齿, 85%以上是由于截齿体头部过早磨损而失效。针对这种类型的破损截齿, 需要较多的截齿体头部的三维信息。
1.2 数据平滑
测量结果存在误差, 部分点是不准确的, 除去不在曲面的点, 使截齿曲面趋于平滑。
2 曲面重构
根据曲面拓扑的形式不同, 曲面构造可分为两种方法[5]:
2.1 以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方法
2.2是以非均匀有理B样条曲线、曲面为基础的矩形域参数曲面拟合方法, 即NURBS法, 目前大都采用这种方法, 本文也采用这种方法。
对于u向k次, v向l次的NURBS曲面定义为[4]
一般情况下, 分两个步骤利用NURBS进行曲面插值, 首先, 沿着u向对每个切片上的数据, 把它们换算成带权的型值点, 再按照B样条曲线的边界条件及反算公式, 求出控制点, 然后再把这些控制点看做v向按照B样条曲线的边界条件及反算公式进行反算, 求得矩阵点, 构成控制网络。
在反算过程中, 应用重节点条件, 使特征多边形的首末顶点满足型值点首末端点的插值条件, 边界条件取为自由端点条件, 节点矢量按照累计弦长法计算。得到控制网格后, 就可以利用定义式, 进行曲面重构。
3 截齿三维模型
通过空间点数据得到截齿曲面模型后, 就可将其导入三维造型软件中, 得到截齿的三维实体模型, 截齿的种类不同, 结构不一, 其中一种截齿三维模型如图1所示, 图2为其STL模型。
4 结束语
本文主要是对缺损的截齿进行三维结构建模, 然后与完整的采掘及截齿进行对比, 建立截齿的再制造模型, 为后续的弧焊机器人柔性再制造过程奠定了一定的基础。
参考文献
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[4]郭迎福, 李兵, 等.激光扫描点云数据的NURBS曲面重构技术研究[J].湖南科技大学学报, 2006, 21 (3) :31-32.
柔性关节机器人 篇5
关键词：自由漂浮柔性双臂空间机器人,动力学,分数阶控制
空间机器人的研究已经取得了很大的进展,文献[1]对“Robonaut2”在太空中的活动进行了介绍,文献[2]研究了一种刚性空间机器人的控制,文献[3]研究了一种空间机械臂操作目标的有效算法。由于分数阶控制器不仅继承了传统整数阶控制器的优点,而且对系统参数的变化不敏感,具有更灵活的结构和更强的鲁棒性,已经在机器人领域得到了应用,文献[4]用分数阶控制器对两个机器人进行位置和力的控制研究,文献[5]对两个合作机器人的分数阶控制进行了研究,文献[6]用基于遗传算法的分数阶控制器对机器人进行轨迹控制研究。对于更具应用价值的自由漂浮柔性双臂空间机器人的动力学控制问题是今后研究的一个重点方向,本文采用分数阶控制方法提高系统的动态响应和抗干扰能力。
1自由漂浮柔性双臂空间机器人闭链系统的动力学方程
不考虑太阳能帆板的影响,假定末端执行器与目标相连,系统各部分均在XOY平面内运动,本体和目标坐标系原点分别置于其质心,4个柔性连杆的坐标系由D—H惯例建立。柔性连杆只考虑横向振动,采用简支梁模型,基于假设模态法描述其弹性形变:
根据D′Alembert-Lagrange原理,自由漂浮柔性双臂空间机器人的动力学方程为:
其中:M1,M2,M3,M4,M5,M6为质量矩阵,C1,C2,C3,C4,C5为阻力矩阵,C6为柔性连杆刚度矩阵, θ=[θ3,θ4,θ5,θ6]T为4个连杆的关节角,Q=[Q31,Q32,Q41,Q42,Q51,Q52,Q61,Q62]T为柔性连杆弹性变形广义坐标向量,Xp=[xp,yp,θp]T为本体坐标, F=[F7x,F7y,N7,F8x,F8y,N8]T为右臂和左臂末端执行器在X和Y方向的作用力与转矩, J为末端执行器相对于关节坐标系雅可比矩阵, τ=[τ3,τ4,τ5,τ6]T为4个连杆驱动力矩。
结合系统动量守恒,假设初始总动量为零:
其中:Xt=[xt,yt,θt]T为目标的坐标。
根据Newton-Euler公式,目标的动力学方程为:
其中:M(Xt)为目标的惯性矩阵,
其中:Fi=[Fi7x,Fi7y,Ni7,Fi8x,Fi8y,Ni8]T表示右臂和左臂末端执行器在X和Y方向的内力与内力矩。
假定末端执行器与目标间无相对运动,
经过复杂的推导可得自由漂浮柔性双臂空间机器人闭链系统的动力学方程为:
其中:A1,A2,A3,A4,A5是系数矩阵。
2自由漂浮柔性双臂空间机器人闭链系统的动力学分数阶控制
分数阶PIλDμ控制器[7]的微分方程为u(t)=Kpe(t)+KiD-λe(t)+KdDμe(t),传递函数为G(s)=Kp+Kis-λ+Kdsμ。由于λ,μ可以是任意的实数,常规的PID控制器为分数阶控制器的特例,针对被控对象的特性,选择不同的λ,μ值,可以获得最佳控制效果。
Oustaloup 算法[8]可以实现整数阶系统对Laplace算子的近似拟合,其本质是一种多级整数阶滤波器串联的频域近似方法。因此任意函数f(t)的分数阶数值微积分相当于f(t)经该滤波器后的输出。
在闭链系统的动力学方程中,对目标位置和末端执行器内力分别进行控制,控制律为:
τ=τp+τi。
对目标位置控制采用计算力矩法和分数阶控制方法进行对比,控制律分别为:
其中:X
不考虑转矩,对末端执行器内力控制采用积分法和分数阶控制方法进行对比,控制律分别为:
τi1=JTf(F
τi2=JTf(F
其中:F
3分数阶控制仿真结果与分析
自由漂浮柔性双臂空间机器人本体和目标的质量分别为200 kg, 20 kg,4个连杆质量均为5 kg,本体的质心到左右臂第一关节的连线与平台坐标系X正方向轴的角度分别为0.622 1 πrad,0.378 9 πrad,本体质心到双臂第一关节的距离均为0.538 5 m,目标质心到双臂末端执行器抓持点的距离均为0.1 m,4个连杆长度均为1 m,本体和目标以及柔性连杆的转动惯量分别为15 kg·m2, 0.133 3 kg·m2 ,1.666 6 kg·m2,弹性模量为150 N/m2。
本体的初始位姿为(1,1,-0.25π),目标的初始位姿为(2.633 5,2.633 5,-0.25π),假设目标期望轨迹为[2.6+0.1cos(2t),2.6+0.1sin(2t),-0.25π+0.1cost],连杆3和4的关节初始转角均为0,连杆5和连杆6的关节初始转角均为0.277 4,Kp=50E3,Kd=25E3,E3∈R3×3,其中E3为单位矩阵。仿真时间5 s,仿真结果如图2。
从图1中可以看出选取适当的控制参数可以使目标经过1 s的仿真后逐渐跟踪到期望的轨迹,表明系统模型是合理有效的。
自由漂浮柔性双臂空间机器人所处的环境特殊,在闭链系统的动力学方程中增加建模误差d1为0.1sign(dθ);振动影响d2为0.000 1sign(dQ);外部干扰d3为[2cos(2t);2cos(2t);2cos(2t);2cos(2t)]。假设末端执行器期望的内力与转矩为F
当增加系统建模误差和外界干扰,参数发生变化的情况下,对比图2和图3仿真曲线可以看出整数阶控制方法控制目标位置不稳定,在3.5 s到4.5 s之间出现较大误差,而分数阶控制目标位置响应更快,误差更小,抗干扰能力更强。
末端执行器内力控制仿真结果如图4。
当增加系统建模误差和外界干扰,参数发生变化的情况下,对比图4和图5仿真曲线可以看出整数阶控制方法控制右臂末端执行器的内力出现较大的震荡,而分数阶控制误差很小,控制效果比整数阶具有更好的鲁棒性,对比图6和图7仿真曲线可以看出整数阶控制方法控制左臂末端执行器的内力出现轻微的震荡,而分数阶控制器受外部扰动的影响很小,比常规控制器更能有效的控制左臂末端执行器的内力。
4结论
本文所用方法对自由漂浮柔性双臂空间机器人动力学控制效果比普通的PID控制方法有明显的改善,能够克服外部扰动的影响。仿真结果表明,该方法使控制系统的动态响应性能得到了改善,抗干扰能力得到了提高,鲁棒性得到了增强。
参考文献
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柔性关节机器人 篇6
随着工业机器人技术的不断成熟,越来越多的焊接机器人应用到白车身生产中,其柔性化生产程度直接对现场生产节拍提升、设备利用率、生产能力提升有着关键性影响。驾驶室地板纵梁是白车身重要的承载件,本文以某重型汽车集团车身厂装焊车间重卡驾驶室纵梁弧焊机器人工作站——新增产品切换、满足新车型生产的柔性化改进为例,进行分析说明。
1、弧焊机器人工作站系统构成
该弧焊机器人工作站由瑞典ABB公司IRB1400系列机器人及其配套的S4CPlus机器人控制系统、焊接夹具、焊接系统等构成。
焊接产品放置在机器人本体左右各一套焊接夹具上,焊接夹具固定在辅助运动的变位机上,焊接系统采用日本Panasonic YM-500 IGBT焊机,变位机动作、夹具动作人机交换界面及工作站安全装置均由三菱Q系列PLC进行控制。
2、影响柔性化生产问题
该弧焊机器人工作站自投产以来一直焊接重卡驾驶室地板左右纵梁,其焊接质量稳定、工作效率较手工电弧焊有较大优势,操作人员只需在变位机外装配好产品,机器人与其集成的PLC控制变位机动作共同完成焊接工作。但随着重卡产品更新升级换代,原弧焊机器人工作站产品设计单一的缺陷显现,对现有新增的双后悬车型、中长车型无法进行生产。
3、系统改进方案分析
3.1 机器人程序架构改进
机器人后台程序利用RAPID语言,采用嵌套式结构框架进行编写,原有机器人主程序里有3个一级子程序,对应左、右纵梁焊接子程序及焊接完成后的清枪子程序,焊接一级子程序又根据变位机位置不同,进行6个焊接二级子程序调用。
由于主程序中没有针对不同产品焊接的程序调用,因此需在原主程序架构下新增不同产品对应的子程序,将原有的二级子程序降级为三级并新增部分三级子程序满足新产品的焊接需求。
3.2 产品选择
在操作面板上加装“产品选择”旋扭,PLC收到产品选择输入信号后,将信号输出传递至机器人上已完成定义IO模块中,使机器人在主程序中调用不同产品对应的焊接子程序。
3.3 变位机夹具适应性
在焊接过程中,变位机夹具依据程序设定转动到不同位置,使机器人达到焊接最佳姿态。变位机位置是通过三菱定位模块、伺服放大器、伺服电机及编码器进行定位控制。
分析新产品结构,发现可以在不增加变位机夹具气缸的基础上,通过修改控制变位机夹具PLC程序,使其满足新产品使用要求。
4、系统改进措施
4.1 增加产品选择按钮、完成外围信号引入
将操作面板上加装的“产品选择”旋扭信号接入到三菱Q系列PLC的QX40输入模块中,通过PLC程序完成产品信号互锁,并在PLC输出模块QY10中得到三个输出产品信号。
4.2 增加机器人I/O信号及夹具控制修改
由于公共端不同,将PLC输出点经中间继电器后,连接到机器人控制柜现场总线I/O板DSQC327A中,并通过示教器,进入系统参数窗口后完成信号定义、添加。
确认夹具气缸动作,针对不同车型的左、右夹具控制PLC程序进行修改。
4.3 修改机器人程序框架并进行示教
查看主程序main逻辑控制,利用PLC输出的车型信号,在a1、a2子程序中增加IF/THEN的车型逻辑判断。同时针对不同车型增加二、三级程序。
以双后悬车型为例:新增二级程序left＿weld＿double,right＿weld＿double,分别对应左、右夹具机器人焊接程序;在变位机位置相同、焊缝相同的情况下,调用原程序,在焊缝需要改变的变位机1、5、8、12位置,新增三级子程序jdouble＿1,jdouble＿5,jdouble＿8,jdouble＿12。并对新增加的子程序,进行焊缝示教。
5、结语
通过本次技术改进,有效的解决了弧焊站新增产品导致的无法连续生产问题,对纵梁弧焊机器人工作站从外围信号引入、夹具动作控制、内部信号交接到程序框架修改、机器人示教等进行了一系列的改造,有效的完成了三种产品焊接的无缝切换,有效的提升了弧焊机器人工作站柔性生产节拍。也为以后类似设备改造提供了较好的案例。
参考文献
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柔性关节机器人 篇7
随着科学技术的进步、人工成本的上涨、市场环境的改变,自动化已成为机械制造行业必然发展趋势之一[1]。在企业中开发柔性制造单元、应用自动化技术、实现加工对象的自动生产,可提高企业的工作效率、增加企业的经济效益、提升企业的市场竞争力,使企业能够更好地适应当今社会的发展需求,具有普遍的社会意义[2]。在此背景下,设计研发一款小型柔性制造单元。
1 柔性制造单元的结构组成
柔性制造单元主要由数控车床、工业机器人、料架三部分组成如图1所示。
数控车床采用南京翼马数控机床有限公司生产的CK0625,配置翼马自主研发的数控系统。车床采用液压卡盘、气动防护门。卡盘上装有2个感应开关,用于发出卡盘夹紧到位信号、卡盘松开到位信号。防护门上装有2个感应开关,用于发出机床门关闭到位信号、机床门打开到位信号。
工业机器人采用广州数控设备有限公司生产的GR-C系列机器人,由机器人本体、控制柜和示教盒三部分通过电缆线连接而成。该机器人可在本机基础上增加机械元件和电气元件,通过指令编程实现相应的动作功能。根据这一特征,在机器人腕部配置2个手爪,1号手爪用于抓取和放置毛坯,2号手爪用于抓取和放置成品。手爪的打开闭合由气动阀控制,每个手爪上装有2个感应开关,用于发出手爪夹紧到位信号、手爪松开到位信号。
料架采用不锈钢型材自主设计制造,倾斜放置,有助于圆柱形工件依靠自重整齐排列。机器人从料架下端取毛坯、上端放成品。料架上下两端均开有槽口,保证手爪取毛坯、放成品时不会发生碰撞[3]。
2 柔性制造单元的电气控制
2.1 工作过程规划
根据数控车床和工业机器人的工作特征,对柔性制造单元中的自动上下料过程进行规划,具体流程如图2所示。
2.2 电气原理图绘制
根据动作控制要求,需要机器人PLC输入端子9个,具体为:手爪1松开到位信号、手爪1抓紧到位信号、手爪2松开到位信号、手爪2抓紧到位信号、卡盘松开到位信号、卡盘夹紧到位信号、机床门打开到位信号、机床门关闭到位信号、机床准备就绪信号。需要机器人PLC输出端子6个,具体为:气阀控制继电器2个、卡盘控制继电器1个、机床门控制继电器1个、循环启动控制继电器1个、备用1个。其电气原理图如图3所示。
同时需要机床PLC输入端子7个,具体为:卡盘松紧信号、机床门打开关闭信号、循环启动信号、机床门打开到位信号、机床门关闭到位信号、备用信号2个。需要机床PLC输出端子1个,具体为:工件加工完成后机床准备就绪继电器。其电气原理图如图4所示。
2.3 数控车床与机器人通讯设计
为了使数控车床和工业机器人之间的信号实现有效通讯传输,柔性制造单元采用一种安全可靠、准确快速的输入/输出通讯模式。使用屏蔽信号电缆将数控车床PLC中相应的I/O点和工业机器人PLC中相应的I/O点进行连接,屏蔽信号电缆可避免信号之间相互干扰,保证传输的稳定性。
整个系统每完成一个动作或运行完一段程序,会有信号与数控系统或机器人控制器实现连接传输。比如当数控车床气动门打开到位后,感应开关SQ7闭合,中间继电器KA8线圈得电,常开触点闭合,机器人PLC的X2.6输入点和机床PLC的B14输入点信号有效,即通知机器人控制器和数控系统当前气动门已经打开到位,可进行下一步动作或执行下一段程序。
2.4 机器人程序编制
根据自动上下料逻辑流程,编制相对应的机器人控制程序,主要步骤如下:
1)机器人移动至初始位置:MOVJ P0,V20,Z0;
2)机器人1号手爪取毛坯:
3)机器人移动至数控机床门前,等待机床加工完成后开门:
4)机器人2号手爪取成品:
5)机器人1号手爪放毛坯:
6)机器人移出机床,机床门关闭加工:
7)机器人2号手爪放成品:
8)机器人移动至初始位置,循环工作:
程序中所定义的输入输出信号见表1。
3 柔性制造单元的工作流程
通过柔性制造单位工作流程的规划、电气原理图的绘制与接线、机器人程序的编制与调试,机器人系统和数控系统之间的信号实现了相互连接及传输。其具体工作过程描述如下:若数控车床处于正常运行状态,则启动工业机器人→机器人移动至料架位置,1号手爪取毛坯(图5)→机器人取出毛坯移动至机床门前,等待机床加工完成,机床门打开→待机床门打开到位后,机器人伸入机床内部,2号手爪取成品(图6)→2个手爪交换位置,1号手爪放毛坯(图7)→机器人离开机床,机床门关闭,开始加工工件→机器人移动至料架位置,2号手爪放成品(图8)。依此循环。
4 结语
经过接线、编程及调试,该柔性制造单元实现了生产过程中上料、加工、下料的自动化和无人化,且满足一系列技术要求[4]。如机器人上料、下料动作准确到位,不会碰撞机床和料架;在断电、断气等异常情况下,机器人手爪保持夹紧状态,保证工件不会松开或脱落;机器人始终在运动范围内移动,不会超程等。总之,该设备可减轻工人的劳动强度,提高车间的生产效率和自动化水平,为企业带来良好的经济效益,且具有很好的推广价值。
摘要：为适应社会的发展需求,提高企业的生产效率,在现有工业机器人和数控车床的基础上,设计研发一款小型柔性制造单元。使用机器人为车床完成上下料,实现了生产过程中上料、加工、下料的自动化和无人化。阐述了柔性制造单元的结构组成、电气控制方式、以及详细工作流程。运行结果表明,该设备结构简单,便于调试,具有良好的实用价值和经济效益。
关键词：工业机器人,数控车床,柔性制造单元,设计
参考文献
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