基于四轴机器人的冲压上下料控制系统设计_刘卜文.pdf

收稿日期：第一作者：刘卜文（），男，山东威海文登人，硕士研究生，研究方向为计算机控制技术。：基于四轴机器人的冲压上下料控制系统设计刘卜文，徐世许，张江辰（青岛大学 自动化学院，山东 青岛）摘要：为提高冲压企业的生产效率，降低企业生产成本，该文设计了一种基于四轴机器人的冲压上下料控制系统。该系统采用“控制器 ”模式，控制器实现机器人的运动控制、轨迹规划等。采用改进 建模法，建立四轴机器人运动学模型并对机器人正逆运动学求解；采用混合多项式插值算法进行轨迹规划，有效降低了机器人上下料过程中产生的振动；设计了人机交互界面，方便调整参数。经过实验测试，在上下料过程中机器人能够快速稳定的完成动作，其中取料点与取料辅助点之间、放料点与放料辅助点之间轨迹近似直线。长时间连续运行机器人没有出现抖动、基座移位现象，符合预期目标。关键词：冲压上下料；建模；机器人运动学；轨迹规划中图分类号：文章编号：（）文献标识码：，（，）：，：；引言为解决招工难、用工贵等问题，制造业企业逐渐开始转型升级。对于冲压行业，企业基数大，中小型企业占比高，大部分企业还采用人工手动上下料的生产模式，这种方式效率低、精度不高，且环境较差，易对人体造成损伤。为此使用机器人代替人工作业，实现产业自动化升级，是中小型冲压加工企业智能化改造的必经之路。该文针对冲压行业发展需求，以关节式四轴机器人为研究对象，设计了冲压上下料机器人控制系统。在关节空间下对机器人进行轨迹规划，采用混合插值算法对关节轨迹进行拟合，并通过 验证算法有效性，保证机器人关节角度、速度、加速度连续光滑，有效降低了机器人上下料过程中产生的振动。有效减少了用工成本、提高了生产效率，为工业仪表与自动化装置 年第 期冲压加工企业自动化升级改造提供了有价值的参考。冲压上下料控制系统硬件设计 系统硬件设计冲压上下料控制系统由 控制器、示教器、伺服驱动器、伺服电机、以及输入输出模块组成。系统采用“控制器 ”的模式，控制器实现机器人的运动控制、轨迹规划等；则负责处理机器人系统中的数字量信号，然后传输给控制器，如冲床启停、真空阀开关等信号，示教器为人机交互界面，用户可通过修改示教器界面上的参数实现对控制器和 内部变量更改；控制器与所有伺服驱动器串联。控制系统硬件结构如图 所示。图 系统硬件结构图 通信方式控制器与 之间采用 协议通信。协议是基于 协议的一种，通过工业以太网实现设备之间的信息交互，与其他传统的 协议不同，在其数据帧中不再含有数据检验位。在实际应用中，做主站，控制器和示教器做从站，由 主动发送信息与控制器和示教器及进行交互。控制器与伺服驱动之间采用 协议通信。通信使用主从式结构，控制器为主站，伺服系统为从站。具体通信过程为：控制器发送下行命令报文（最大长度为 个字节）；发送的报文数据会遍历每个伺服系统，伺服系统在数据帧经过时根据从站号得到本机的命令报文，再将本机的相关数据写入命令帧，并把相应的工作计数器加一，表示数据已经处理过；当最后一个伺服从站处理完命令数据后，会将处理后的数据发回给主站控制器，一次通信至此完成。机器人运动学分析与建模 建模依据改进 法则建立六个连杆坐标系，如图 所示。根据机器人机构可知，机械臂含有四个主动关节，一个随动关节，图中 为随动关节，机器人实际安装位置距离水平面有一定高度，所以将坐标系与坐标系分开建立，将坐标系原点建立在机器人末端执行器安装点。根据坐标系，建立相应的 参数表，如表 所示。依据右手准则确定关节方向正负。图 坐标系示意图表 冲压上下料机器人 参数表 （）（）关节角范围 （）表 中，各 参数的含义如下：表示沿 轴方向，到 之间的距离；表示沿 轴方向，轴旋转到 轴的角度；表示沿着 轴方向，到 测量的距离；表示沿着 轴方向，旋转到 的角度。机器人正运动学根据坐标变换法则，由坐标系 变换到坐标系需要经四次运动变换，得到的 相对于 的转换矩阵为：年第 期 工业仪表与自动化装置 （，）（，）（，）（，）（）将 参数代入式（）中，可得 个 转换矩阵，将每个相邻关节的 矩阵按顺序相乘，可得机器人正运动学模型为：（）（）（）（）（）（）其中，表示末端执行器在空间中的位置，表示在空间中的姿态，经计算得到机器人末端执行器在空间中位姿矩阵为：（）（）（）（）（）其中：（）（）（）（）机器人逆运动学对于冲压上下料机器人，正运动学具有唯一解，但逆解会存在多解情况，具有不确定性，需根据具体情况和关节限制确定最终解。逆运动学求解方法包括数值解和封闭解，数值解求出的角度通常为特解，并不能得到所有解，封闭解解法可以给出关节角的具体表达形式，得到的解精度较高，能够得到所有解。冲压上下料机器人结构满足 准则，所以一定存在封闭解。冲压上下料机器人末端姿态始终竖直向下，且末端坐标系相对于基座坐标系只绕 轴旋转，根据以上分析可对机器人逆运动学求解。几何法求关节角度如图 所示。（）求解关节角 根据末端执行器在空间中的姿态 可得：（）解得：（）图 几何法求关节角度示意图 由机器人运动学模型可知、的值可能为零，这里实际求解时要使用 （，）函数进行求解，根据、的正负判断可得唯一解。（）求解关节角 使用几何法求解、，已知机器人末 坐标（，），结合图、图，由几何关系可得：（）（）（）（）显然 有两个解，这里依据关节角范围和最短行程原则保留唯一解。（）求解关节角 观察图 可知 ，与 保留唯一解的原则相同。（）（）求解关节角 机器人基坐标系到末端坐标系的变换矩阵为式（），令（）等于式（），矩阵对应元素相等可得：（）（）（）关节空间轨迹规划关节空间轨迹规划就是在关节空间中对各关节分别进行轨迹插补，首先在笛卡尔空间中获取目标点位姿，运用逆运动学方程反算出所对应的关节值，然后在相邻的两个关节角度之间拟合一条连续且光滑的函数，满足关节位置、速度连续，并保证每个关节运动同步运动到达目标点。关节空间规划的优工业仪表与自动化装置 年第 期点是不会出现奇异点，且计算量远小于笛卡尔空间下的轨迹规划，但是难以保证机器人末端具体的轨迹。冲压上下料机器人在工作中通常只需要指定取料点、放料点和一些辅助点，并不需要特定的运动轨迹，所以关节空间下的轨迹规划更加适用。采用混合插值算法，构造 多项式函数方程，一般要求 和 时刻速度、加速度等于零，和时刻关节角度、速度、加速度连续。此外，关节运动过程中每个关节的位置、速度、加速度不能超过限制值。设 多项式函数的通式为：（）（）（）（）其中，（）、（）、（）分别代表各段五次多项式轨迹函数，共有 个未知系数，因此需要构造 个参数方程。根据始末位置、速度、加速度、加加速度可得 个已知条件，拼接点位置、速度、加速度、加加速度连续可得 个条件，两处拼接点关节值相等共构造 个方程。设机器人从取料点运动到放料点的时间为 ，具体插值点对应的关节角度如表 所示。借助 对混合插值算法进行了仿真，关节角度、速度、加速度曲线仿真结果以及机械臂末端轨迹变化如图 所示。表 插值点数据插值点关节 角度（）关节 角度（）关节 角度（）关节 角度（）图 各关节角度、速度、加速度及末端轨迹 控制系统软件设计机器人控制系统软件部分包括初始化模块、通信模块、逻辑控制模块、运动控制模块、示教模块。初始化模块是指对机器人 参数、零点位置、机器人类型等进行初始化设置；通信模块是指机器人控制器与、伺服系统之间的通信，实现伺服状态、机器人关节角度实时反馈；模块负责与控制器 年第 期 工业仪表与自动化装置实现冲压信号交互；运动控制模块通过控制器对机器人的运动轨迹进行控制，实现机器人点到点、直线、圆弧插补等操作；示教模块包括人机交互、轨迹回放等功能，配合其他模块使用，降低机器人的使用难度；报警模块主要用于机器人动作过程中发生的异常，提供报警提醒和急停保护。冲压机器人控制系统软件总体框图如图 所示。图 控制系统软件总体框图 配置及通信程序 通信程序通过 协议与控制器进行通信，作为客户端主动发送数据请求，控制器作为服务器进行数据应答。由于控制器中不同类型变量地址不同，对数据的读写操作也不同，且客户端一次只能与单个服务器进行通信，采用轮询的方式分时间段对不同变量地址进行操作。选取单次通信时间为 ，通信总周期为 。编写轮询程序，使用标志位轮询方式对控制器地址进行分次读写，轮询程序示意图如图 所示。图 轮询程序示意图 与控制器进行通信时，需要检测控制器当前状态，以保证通信正常。心跳信号由控制器产生，数据类型为，存储在特殊寄存器中，对应映射地址为。控制器正常工作时 中的数据会在 到 之间反复变换，若控制器发生异常则 中的数据保持 或 不变，当 端检测超时后，认为控制器连接异常，程序报警。心跳检测程序如图 所示。图 心跳检测程序 上下料作业对于冲压工艺，作业文件包括冲压作业文件和复位作业文件，冲压作业文件是实现机器人自动上下料动作，复位作业文件是发生急停后，将机械臂复位到工作原点。作业文件中的运动指令包括关节插补、直线插补、点到点运动等。当运行中发生错误时，作业文件自动停止运行。配合拆垛机、冲床机器人上下料作业流程图如图 所示。图 上下料作业流程图（下转第 页）工业仪表与自动化装置 年第 期综上所述，移动式标准表法气体流量标准装置采用弹簧减震杆和气囊减震系统，可以对整体装置及装置所采用的标准表起到很好的保护作用，保证移动式标准表法气体流量标准装置整体性能稳定可靠，标准表性能稳定可靠。参考文献：计量标准考核规范：北京：中国计量出版社，标准表法流量标准装置：北京：中国计量出版社，侯学青，李斌，姚蜜，等 现场服务型标准表法气体流量标准装置的研制 计算机测控与控制，（）：黄向阳，李长武，张东飞，等 双罗茨标准表法气体流量标准装置的研究 工业计量，（）：古义明，张汉周，陈文达，等 临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置主要性能研究 中国计量，：闫海明 标准表法涡轮流量计误差评定方法 计量测试与技术，（）：闫海明，张文涛，李国祥 期间核查在标准表法流量标准装置的应用 工业计量，（）：国明昌，侯庆强 流量计核查技术在天然气流量计检定中的应用 计量技术，：国明昌，李锴，钱星，等 关于天然气流量标准装置期间核查方法的讨论 工业计量，（）：韩冰 音速喷嘴对气体罗茨流量计计量结果的影响 流体测量与控制，（）：张东 气体容积式流量计测量结果的不确定度分析 科技风，：（上接第 页）结语该文设计了一个基于四轴机器人的冲压上下料控制系统，采用改进 建模法，建立了四轴机器人运动学模型并对其正逆运动学进行求解，通过 软件对其进行仿真分析；在关节空间下对机器人进行轨迹规划 ，并发现关节空间的轨迹规划在上下料过程中更加适用。经过测试，在上下料过程中机器人能够快速稳定地完成动作，其中取料点与取料辅助点之间、放料点与放料辅助点之间轨迹近似直线。长时间连续运行机器人没有出现抖动、基座移位现象，符合预期目标。参考文献：王守城，王熙，段俊勇，等 基于 的冲床上下料机械手运动学分析 机械设计与制造工程，（）：胡馨予，胡毅，韩梁，等 自驱动关节臂坐标测量机轨迹规划与仿真 工具技术，（）：云善起 基于 的 机器人控制系统设计 青岛：青岛大学，王涛，潘博，付宜利，等 基于 和 的微创手术机器人 华中科技大学学报（自然科学版），（）：郑博涛 基于 的打磨轨迹拟合与仿真研究 机械工程师，（）：丁泽华，董虎，王见，等 五自由度混联机构运动学及工作空间分析 东华大学学报（自然科学版），（）：王玉梅，杨洪鑫，黄赛帅，等 双臂机器人的运动学分析与运动控制 工业控制计算机，（）：余亮，张龙，王鹏 局部闭链码垛机器人运动学分析及轨迹规划 机床与液压，（）：张剑，郑亚辉，钱红飙 大型探月机械臂运动学分析 工程机械，（）：林孟豪，张蕾，李鹏飞，等 基于复杂轨迹的分段式机械臂轨迹规划 西安工程大学学报，（）：曹阳，丁一岷 基于双目视觉的机械臂位姿估计及目标自动定位系统 电子设计工程，（）：（上接第 页），（），：李致金，武鹏，乔治，等 基于机器视觉的机器人工件定位系统 组合机床与自动化加工技术，（）：权宁，徐志鹏 基于视觉的工业机器人码垛系统设计与分析 包