3自由度轉(zhuǎn)臂式清洗機器人一級臂定位控制*

潘海鴻1，涂曉曉1，陳琳1，龔建剛1，王盛2，陳劍華2

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧530004；2.廣西葉茂機電自動化有限責任公司，南寧530007)

摘要：針對自主研發(fā)的一種新型3自由度轉(zhuǎn)臂式清洗機器人,進行一級臂精確定位的控制問題的研究。提出控制系統(tǒng)采用“PC機+運動控制器+中心回轉(zhuǎn)編碼器”的位置閉環(huán)控制方案，并引入回轉(zhuǎn)定位插補算法實現(xiàn)對一級臂回轉(zhuǎn)定位的控制。構(gòu)建基于PMC6496運動控制器的3自由度轉(zhuǎn)臂式清洗機器人實驗平臺實現(xiàn)一級臂的精確定位控制，實驗結(jié)果表明轉(zhuǎn)臂式清洗機器人一級臂的回轉(zhuǎn)定位精度可達到±1 mm，驗證了所提出的控制方案和回轉(zhuǎn)定位插補算法能有效避免回轉(zhuǎn)定位精度差的問題。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)定位；轉(zhuǎn)臂式結(jié)構(gòu)；運動控制器；閉環(huán)系統(tǒng)

文章編號：1001-2265(2015)09-0071-03

收稿日期：2014-11-27

基金項目：*國家自然科學

作者簡介：潘海鴻(1966—)，男，壯族，廣西武鳴人，廣西大學教授，博士生導師，博士，研究方向為數(shù)控技術(shù)、機器人控制技術(shù)，(E-mail)hustphh@163.com；通訊作者：陳琳(1973—)，女，山東青島人，廣西大學教授，研究方向為數(shù)控技術(shù)、數(shù)字信號檢測與處理、伺服電機控制，(E-mail)gxdxcl@163.com。

中圖分類號：TH165;TG659

3-DOF Rotary Arm Cleaning Robot First Rotary Arm Rotation Positioning Control

PAN Hai-hong1， TU Xiao-xiao1， CHEN Lin1， GONG Jian-gang1， WANG Sheng2， CHEN Jian-hua2

(1.College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2.Guangxi Yemao Electromechanical Automation co., LTD, Nanning 530007, China)

Abstract：To solve the first rotary arm control problem of an independent research and development novel 3-DOF rotary arm cleaning robot, a solution adopted "PC + motion controller + center rotary encoder" closed loop position control system is proposed. A full closed loop rotary positioning interpolation algorithm is adopted to control the first rotary arm angle. 3-DOF rotary arm cleaning robot experimental platform is constructed based on PMC6496 motion controller to realize the first rotary arm position control. Experimental results demonstrate 3-DOF rotary arm cleaning robot first arm rotary positioning accuracy is±1mm. It indicates that the proposed closed loop position control solution and rotary positioning interpolation algorithm can effectively avoid the precision problems of poor positioning accuracy.

Key words： rotary positioning; rotary arm structure; motion controller; closed-loop system

0引言

蒸發(fā)罐被廣泛應用于食品、化工、醫(yī)藥等行業(yè)的蒸發(fā)濃縮過程，其內(nèi)部豎直分布著多達上萬條換熱管。在蒸發(fā)濃縮過程中換熱管內(nèi)壁極易結(jié)垢，而結(jié)垢會使其傳熱效率大大降低、能耗增加[1-2]，導致其蒸發(fā)能力下降。因此，為恢復蒸發(fā)罐正常生產(chǎn)能力，需要對其進行定期清洗除垢[3]。

目前國內(nèi)外針對蒸發(fā)罐除垢清洗設備和裝置展開相關(guān)研究。馬樂凡[4]等開發(fā)的清洗裝置需人工方式定位清洗換熱管；英國斯科特[5]公司在中國市場推出的半自動清洗機需人工方式去同時定位三個換熱管，而后進行自動清洗；農(nóng)譚宏[6]等開發(fā)的清洗機，自動定位清洗換熱管，其由于采用固定機架，僅適用于直徑大小與機架長度相匹配的蒸發(fā)罐；鄧忠業(yè)[7]等采用X、Y軸滑軌分區(qū)、換區(qū)方式自動定位清洗換熱管，其在不同區(qū)中執(zhí)行清洗任務時，需要重復定位原點，影響設備的定位精度。

針對上述現(xiàn)有蒸發(fā)罐清洗設備存在的問題：①人工方式定位換熱管；②不適用于直徑大小不同的蒸發(fā)罐；③需換區(qū)重新設置參考點，重復定位精度低。為此，提出自主開發(fā)3自由度轉(zhuǎn)臂式清洗機器人。因一級臂末端采用履帶行走機構(gòu)，如何解決一級臂回轉(zhuǎn)定位精度問題成為自主開發(fā)清洗機器人的關(guān)鍵問題。另外，機器人清洗過程中，需要對換熱管逐一定位，為此對一級臂回轉(zhuǎn)定位進行研究。

1轉(zhuǎn)臂式清洗機器人模型

自主研發(fā)的3自由度轉(zhuǎn)臂式清洗機器人機械本體[8]結(jié)構(gòu)如圖1所示。因清洗灌表面凹凸不平，清洗機器人的一級臂采用履帶行走機構(gòu)[9]以提高其越障礙能力。同時，為降低電機端的負載力矩，設計履帶行走機構(gòu)置于一級臂的末端。通過伺服電機5驅(qū)動履帶行走機構(gòu)6實現(xiàn)一級臂繞中心回轉(zhuǎn)立柱2回轉(zhuǎn)運動，其實際轉(zhuǎn)角由中心回轉(zhuǎn)編碼器3檢測。二級臂8由二級臂伺服電機7驅(qū)動。轉(zhuǎn)盤式送管機構(gòu)安裝在二級臂8末端，在一、二級臂定位后啟動水管轉(zhuǎn)盤電機10進行除垢清洗作業(yè)。

1.待洗換熱管 2.中心回轉(zhuǎn)立柱 3.中心回轉(zhuǎn)編碼器 4.一級臂 5.一級臂伺服電機 6.履帶行走機構(gòu) 7.二級臂伺服電機 8.二級臂 9.水管轉(zhuǎn)盤 10.水管轉(zhuǎn)盤電機 11.高壓水管 12.高壓水噴槍導引頭

圖1轉(zhuǎn)臂式清洗機器人模型

2閉環(huán)控制方案

針對所設計的清洗機器人一級臂的結(jié)構(gòu)特點，提出采用“PC機+運動控制器+中心回轉(zhuǎn)編碼器”構(gòu)成的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)方案(圖2)實現(xiàn)其回轉(zhuǎn)定位控制(驅(qū)動履帶行走機構(gòu)到正確位置，修正擾動偏差的影響)，利用控制器提供的運動控制功能快速構(gòu)建高性能的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由上位機控制模塊、通訊模塊、運動控制模塊、執(zhí)行模塊構(gòu)成。上位機控制模塊由SQL數(shù)據(jù)庫和上位機控制系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)庫負責轉(zhuǎn)角目標及插補參數(shù)的存儲，上位機控制系統(tǒng)負責發(fā)送運動控制參數(shù)至運動控制模塊，實現(xiàn)一級臂插補參數(shù)配置、運行狀態(tài)監(jiān)測等控制與人機交互功能。運動控制模塊接收上位機控制模塊下發(fā)的轉(zhuǎn)角目標及插補參數(shù)生成指令脈沖。執(zhí)行模塊接收指令脈沖驅(qū)動一級臂按照指定參數(shù)運動。中心回轉(zhuǎn)編碼器3檢測一級臂轉(zhuǎn)角位置信息并反饋回運動控制器構(gòu)成脈沖位置閉環(huán)。

圖2　一級臂位置閉環(huán)控制方案

3回轉(zhuǎn)定位插補算法

3.1回轉(zhuǎn)定位補償原理

圖3　回轉(zhuǎn)定位補償原理

3.2回轉(zhuǎn)定位插補算法實現(xiàn)

基于回轉(zhuǎn)定位補償原理的回轉(zhuǎn)定位插補算法詳細流程見圖4。

圖4　回轉(zhuǎn)定位插補算法

步驟1：插補參數(shù)初始化操作。分別初始化設置以下各參數(shù)：插補加速度vacc，插補減速度vdec，插補速度vspeed，S型插補速度曲線配置vscurveset，回原點速度vzero，回原點模式[10]置為4，中心回轉(zhuǎn)編碼器置為4倍頻A/B相模式。

步驟2：初始位置初始化操作。執(zhí)行當前坐標位置清零、中心回轉(zhuǎn)編碼器反饋位置清零初始化操作并讀取目標位置。

步驟3：輸出插補控制量。根據(jù)目標位置與中心回轉(zhuǎn)編碼器反饋位置的偏差e輸出插補控制量，調(diào)用[CONTI_ENTER]指令進入連續(xù)插補模式[10]執(zhí)行連續(xù)插補運動。

步驟4：程序執(zhí)行條件判斷。

(1)判斷程序條件1：中心編碼器反饋位置≠目標位置？若二者相等，插補定位運動結(jié)束；否則判斷程序條件2。

(2)判斷程序條件2：中心回轉(zhuǎn)編碼器反饋位置≤目標位置？行走過程中履帶打滑或擾動偏差，使得中心回轉(zhuǎn)編碼器反饋位置小于目標位置將使得程序進入連接點①；否則外界因素的影響導致中心編碼器反饋位置大于目標位置時程序進入連接點③。

步驟5：

步驟6：插補定位運動結(jié)束。當中心回轉(zhuǎn)編碼器反饋位置等于目標位置時，插補定位運動結(jié)束。

4實驗驗證

4.1實驗驗證平臺

為驗證所提出的控制系統(tǒng)方案和回轉(zhuǎn)定位插補算法的有效性及定位精度，搭建基于PMC6496運動控制器的實驗平臺：IPPC-150C工業(yè)平板電腦、PMC6496運動控制器、ACM604V60交流伺服電機及驅(qū)動器、中心回轉(zhuǎn)編碼器ERN-120和機械本體?；赩isual Studio 2012開發(fā)環(huán)境開發(fā)上位機控制系統(tǒng)，依據(jù)圖4算法流程編制相應的回轉(zhuǎn)定位插補程序，由控制器實現(xiàn)對一級臂的控制與管理。

4.2回轉(zhuǎn)定位精度測試

回轉(zhuǎn)定位測試：根據(jù)圖4算法流程圖，初始化vacc=20000脈沖/秒，vdec=20000脈沖/秒，vspeed=40000脈沖/秒，vscurveset=0.5，vzero=15000脈沖/秒，執(zhí)行一級臂回原點動作；執(zhí)行回轉(zhuǎn)定位插補程序定位到設定目標位置，調(diào)整百分表到測量正確位置后，重復執(zhí)行回原點與回轉(zhuǎn)定位插補程序10次，測試并記錄在相同的插補參數(shù)、不同目標位置下定位測試數(shù)據(jù)，如圖5。分別設定目標位置為±1000脈沖進行定位，測試數(shù)據(jù)見表1、表2。

目標位置+1000脈沖時最大定位精度誤差f為0.68mm，修正后f ′在±0.56mm內(nèi)；目標位置-1000脈沖時最大定位精度誤差f為0.90mm，修正后f ′在±0.69mm，如圖6。綜上分析可知所提出的方案能夠?qū)崿F(xiàn)一級臂精確回轉(zhuǎn)定位，其精度在±1mm。

表1　目標點位+1000脈沖測試數(shù)據(jù)(單位：mm)

表2　目標點位-1000脈沖測試數(shù)據(jù)(單位：mm)

圖5　回轉(zhuǎn)定位實驗驗證

圖6　回轉(zhuǎn)定位精度

5結(jié)論

以自主開發(fā)的3自由度轉(zhuǎn)臂式清洗機器人一級臂為研究對象，根據(jù)一級臂特殊的機械結(jié)構(gòu)，提出特有的閉環(huán)控制系統(tǒng)方案，并進行回轉(zhuǎn)定位補算法的研究。實驗結(jié)果表明該算法根據(jù)中心回轉(zhuǎn)編碼器能實時修正補償目標值，實現(xiàn)一級臂回轉(zhuǎn)定位精度為±1 mm，證實所提出的閉環(huán)控制系統(tǒng)方案和回轉(zhuǎn)定位插補算法能夠保證一級臂回轉(zhuǎn)定位精度。

本文中只考慮了在固定的插補參數(shù)時一級臂回轉(zhuǎn)定位精度，今后將深入討論在不同的插補參數(shù)下的回轉(zhuǎn)定位精度，進行插補參數(shù)優(yōu)化。另外，將在此基礎上對一、二級臂協(xié)同定位展開研究，從而實現(xiàn)該轉(zhuǎn)臂式清洗機器人在實際中的應用。

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(編輯李秀敏)