盧劍偉

(1.常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

液壓傳動(dòng)機(jī)械手在機(jī)床加工自動(dòng)化生產(chǎn)線上代替手工操作，能夠提高加工精度和生產(chǎn)效率，避免操作者受傷的安全隱患。為此利用電液伺服技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人位置的精確控制。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)主要有大臂的抬起運(yùn)動(dòng)、前臂的伸展運(yùn)動(dòng)、手指的打開(kāi)運(yùn)動(dòng)、腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及手腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。5種驅(qū)動(dòng)方式都是液壓驅(qū)動(dòng)，分別由5種電路驅(qū)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)方式為機(jī)械手前臂伸臂環(huán)、手握腰、手腕握臂環(huán)。車間機(jī)械手在工作過(guò)程中很容易發(fā)生碰撞，因此會(huì)產(chǎn)生碰撞，設(shè)計(jì)車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于保證機(jī)械手的正常運(yùn)作有重要意義。

關(guān)于車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)取得了一定研究成果。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于小波變換的車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)增強(qiáng)圖像來(lái)分析監(jiān)控效果，但表現(xiàn)結(jié)果缺乏客觀性；文獻(xiàn)[2]提出了一種基于特征提取的車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確定區(qū)域特征量、灰度值特征和輪廓特征，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。該方法能夠用數(shù)據(jù)形式表達(dá)監(jiān)測(cè)狀態(tài)，但是對(duì)于阻尼系數(shù)的監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)能力較弱；文獻(xiàn)[3]提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)算法的車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，引入立體重構(gòu)技術(shù)得到機(jī)械手運(yùn)行的三維場(chǎng)景圖，從而完成狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)容，以三維圖像的方式展現(xiàn)出來(lái)，但是這種系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式不靈敏，精準(zhǔn)程度較差。

本文針對(duì)電液伺服位置控制系統(tǒng)阻尼小的缺點(diǎn)，采用壓力反饋控制，設(shè)計(jì)了一種新的車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件部分，通過(guò)壓力反饋控制技術(shù)校正阻尼系數(shù)，使系統(tǒng)阻尼比大大提高，并設(shè)置閾值判斷機(jī)械手是否出現(xiàn)碰撞，啟動(dòng)智能防碰撞策略，通過(guò)硬件監(jiān)測(cè)器將防碰撞策略信息傳輸至機(jī)械臂防碰撞開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)位置控制要求，提高了機(jī)械自動(dòng)送料和機(jī)床加工精度。

1 車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)械手的數(shù)控雙動(dòng)拉伸裝置的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1，它主要由拉伸缸、氣缸、壓邊支架、壓板、數(shù)控操作臺(tái)、液壓泵、油箱及冷卻系統(tǒng)等組成。工藝過(guò)程分為下料、拉絲、回料及開(kāi)模共4步[4-5]。操縱員主要負(fù)責(zé)兩臺(tái)拉伸機(jī)之間的工件搬運(yùn)裝卸工作。為適應(yīng)拉矯機(jī)工作頻率的要求，操作者必須快速、準(zhǔn)確地完成裝卸作業(yè)，裝卸作業(yè)時(shí)模具工件要保持一定位置，即操作者必須具有一定的裝料精度[6]。為此，本文設(shè)計(jì)了一種具有一定功能的自動(dòng)調(diào)心裝置。

圖1 機(jī)械手?jǐn)?shù)控雙動(dòng)拉伸裝置結(jié)構(gòu)圖

數(shù)控雙動(dòng)拉伸機(jī)的型號(hào)為 YL160/320A-WG，具體參數(shù)如表1所示。

表1 車間機(jī)械手拉伸機(jī)參數(shù)

拉伸機(jī)生產(chǎn)線三維圖如圖2所示。

圖2 拉伸機(jī)生產(chǎn)線三維圖

雙層拉伸機(jī)由機(jī)械手操作，工件通過(guò)輸送帶輸送，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)[7-8]。

分別設(shè)置避碰1開(kāi)關(guān)和避碰2開(kāi)關(guān)，兩個(gè)機(jī)械手均配置有避碰檢測(cè)開(kāi)關(guān)。檢測(cè)器開(kāi)關(guān)使用中等距離的激光測(cè)距傳感器，檢測(cè)器范圍為200～1 000 mm，有90%的反射率和1 mm的分辨率，在高速輸入端口連接 CNC系統(tǒng)[9]。設(shè)定阻值，如果兩臂之間的距離小于這組值，最小安全距離防撞檢測(cè)開(kāi)關(guān)擁有24 V輸出信號(hào)，檢測(cè) NC系統(tǒng)將立即阻止其他運(yùn)營(yíng)商共享區(qū)域繼續(xù)運(yùn)行，在檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)消失后，機(jī)械手會(huì)自動(dòng)向公用區(qū)域方向移動(dòng)。機(jī)器人的避碰發(fā)射出兩個(gè) PLC控制程序“禁止讀入”和“軸鎖”[10]。

機(jī)械臂1號(hào)防撞檢測(cè)信號(hào)報(bào)警“0911”，報(bào)警響應(yīng)為“未讀”或“未進(jìn)給”；機(jī)械臂2水平軸的軸鎖信號(hào)同時(shí)激活“傳送鎖”，禁止移動(dòng)雙臂到公共區(qū)域。機(jī)械臂防碰撞開(kāi)關(guān)如圖3所示。

圖3 機(jī)械臂防碰撞開(kāi)關(guān)

在機(jī)械臂外安裝防碰撞開(kāi)關(guān)后，引入監(jiān)測(cè)器，監(jiān)測(cè)機(jī)械手內(nèi)部參數(shù)。使用JCQ1工作監(jiān)測(cè)器，與機(jī)械手串聯(lián)，監(jiān)測(cè)設(shè)備電流的變化及操作者動(dòng)作的次數(shù)，根據(jù)電流的變化判斷操作者是否需要更換監(jiān)測(cè)器[11]。

本文選用的監(jiān)測(cè)器是一種新型監(jiān)測(cè)器，具有監(jiān)測(cè)機(jī)械手的工作狀態(tài)、動(dòng)作次數(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)報(bào)警功能，具有靈敏度高、精度高、可靠性好、流量大、適用電壓范圍寬、顯示清晰明顯、結(jié)構(gòu)輕巧合理、外形美觀等特點(diǎn)。除此之外，監(jiān)測(cè)器密封良好，易于安裝，尤其適合超高壓，大容量，頻繁動(dòng)作的電力系統(tǒng)機(jī)械手[12]。監(jiān)測(cè)器串聯(lián)電路如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)器串聯(lián)電路圖

2 基于壓力反饋控制的車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械手的智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件，設(shè)計(jì)軟件部分，監(jiān)測(cè)機(jī)械手液壓元件內(nèi)部參數(shù)。通過(guò)監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)機(jī)械手內(nèi)部的液壓缸內(nèi)部最大負(fù)載和液壓缸速度，根據(jù)最大液壓缸來(lái)判斷機(jī)械手所受到的壓力，基于壓力反饋控制原理計(jì)算對(duì)機(jī)械手的工作頻率及阻尼系數(shù)，并將機(jī)械手的工作阻尼提升到0.6～1.2之間，以實(shí)現(xiàn)壓力反饋伺服位置控制器精準(zhǔn)運(yùn)行，據(jù)此得到液壓缸來(lái)判斷機(jī)械手的流量[13]，設(shè)定閾值判斷機(jī)械手是否出現(xiàn)碰撞，并相應(yīng)啟動(dòng)智能防碰撞策略，完成基于壓力反饋控制的車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

液壓系統(tǒng)是以線性往復(fù)或搖擺作為作動(dòng)器，將液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、特別適合直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、應(yīng)用范圍廣[14]。液壓缸按作用方式可分為單作用液壓缸和雙作用液壓缸[15]。

依據(jù)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，將機(jī)械臂的液壓執(zhí)行器分為液壓缸和液壓馬達(dá)。其中，機(jī)械手雙動(dòng)式液壓缸和臂架單活塞桿雙動(dòng)式液壓缸，以及雙動(dòng)式液壓缸液壓馬達(dá)，工作壓力和最大流量是機(jī)械手液壓傳動(dòng)元件的主要參數(shù)。基于壓力反饋控制的車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)程序如圖5所示。

圖5 基于壓力反饋控制車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)程序

利用監(jiān)測(cè)器確定機(jī)械手內(nèi)部的液壓缸參數(shù)，分析工作負(fù)載FR，根據(jù)分析結(jié)果判斷液壓缸的活塞直徑，計(jì)算公式如式(1)所示：

FR=FL+Ff+Fg

(1)

其中:FR表示機(jī)械手液壓缸的工作負(fù)載；FL表示機(jī)械手內(nèi)部負(fù)載和自重產(chǎn)生的負(fù)載；Ff表示當(dāng)機(jī)械手為滿負(fù)載狀況時(shí)，機(jī)械手啟動(dòng)產(chǎn)生的靜摩擦力；Fg表示當(dāng)機(jī)械手承擔(dān)全部負(fù)載啟動(dòng)時(shí)受到的慣性力。

根據(jù)機(jī)械手的工作負(fù)載和機(jī)械手的額定壓力得到液壓缸的有效面積，計(jì)算公式為：

(2)

其中:p代表機(jī)械手液壓缸的額定壓力；A代表機(jī)械手液壓缸的有效面積(mm2)。

根據(jù)式(2)得到液壓缸的直徑：

(3)

為了精準(zhǔn)控制車間機(jī)械手的工作路徑，精準(zhǔn)獲取壓力反饋數(shù)據(jù)，在電液伺服智能位置控制環(huán)境中建立數(shù)學(xué)模型，控制電流與系統(tǒng)命令的發(fā)布精準(zhǔn)度，伺服的電流控制公式如式(4)所示：

iz=kqi-knp

(4)

式中，iz代表電流負(fù)載，kq在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的電流增益，i代表控制電流，kn代表壓力反饋增益，p代表負(fù)載壓力。

本文系統(tǒng)主要基于壓力反饋控制實(shí)現(xiàn)車間機(jī)械手的智能防碰撞監(jiān)測(cè)技術(shù)，機(jī)械手的工作液壓阻尼在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中容易產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，由于阻尼數(shù)值較小，常常使正常的實(shí)驗(yàn)環(huán)境達(dá)不到實(shí)驗(yàn)仿真標(biāo)準(zhǔn)，因此需要在壓力反饋技術(shù)下將機(jī)械手的工作阻尼提升到0.6～1.2之間，滿足實(shí)驗(yàn)過(guò)程中機(jī)械手監(jiān)測(cè)控制對(duì)阻尼的需求程度，壓力反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)提升阻尼系數(shù)的原理如圖6所示。

圖6 壓力反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理圖

由圖6可知，壓力反饋控制提升機(jī)械手的工作阻尼主要是通過(guò)壓力傳感器對(duì)機(jī)械手的阻尼產(chǎn)生位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)并上傳，在壓力反饋增益器位置設(shè)置數(shù)據(jù)輸出端口，作為壓力反饋控制的阻尼控制核心。本文應(yīng)用壓力反饋技術(shù)對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，使阻尼系數(shù)實(shí)時(shí)達(dá)到滿足實(shí)驗(yàn)正常運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)值，壓力反饋伺服位置控制器的正常工作頻率為ω1，阻尼系數(shù)為ζ1，阻尼增益器的增益系數(shù)為K，則阻尼的增益實(shí)現(xiàn)公式如式(5)所示：

(5)

(6)

式中,x、y分別代表機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)阻力，A代表阻尼增益器的初始阻尼與增益阻尼比，βe代表增益器倍數(shù)。公式中的增益器初始增益值是人為設(shè)置的，一般需要將阻尼數(shù)值設(shè)定在0.2～0.7之間才能夠滿足增益器后續(xù)對(duì)阻尼的持續(xù)增益，壓力傳感器反饋系數(shù)的阻尼增益程度如表2所示。

表2 阻尼系數(shù)增益程度表

根據(jù)式(5)、(6)及表2確定壓力反饋伺服位置控制器的工作頻率及阻尼系數(shù)，由此獲取精準(zhǔn)的壓力反饋數(shù)據(jù)，得到機(jī)械手內(nèi)部液壓缸的最大流量：

(7)

其中:qmax表示最大流量。設(shè)定閾值，分析最大流量與閾值對(duì)比，如果最大流量超過(guò)閾值，則代表出現(xiàn)碰撞，需要啟動(dòng)防碰撞策略；如果最大流量小于閾值，則代表未出現(xiàn)碰撞。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，以文獻(xiàn)[1-3]方法作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比4種系統(tǒng)下的相關(guān)數(shù)據(jù)或內(nèi)容，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性與穩(wěn)定性。

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟及方法

實(shí)驗(yàn)中首先確定實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定性與統(tǒng)一性，避免因環(huán)境因素造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差，本文系統(tǒng)中車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)環(huán)境需要在電液伺服的智能位置控制下進(jìn)行，應(yīng)用硬件設(shè)計(jì)中的部分硬件，再應(yīng)用伺服液壓缸作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)力組織、智能傳感器作為實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)組織、伺服放大器作為實(shí)驗(yàn)電流輸出控制組織，實(shí)驗(yàn)中電液伺服智能位置控制原理如圖7所示。

圖7 電液伺服智能位置控制原理圖

結(jié)合壓力反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)后的實(shí)驗(yàn)參數(shù)環(huán)境，對(duì)不同系數(shù)的阻尼系統(tǒng)進(jìn)行控制信號(hào)仿真，設(shè)定機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)仿真時(shí)間在5 s內(nèi)，獲取不同時(shí)間范圍內(nèi)的曲線值，阻尼系數(shù)確定在0.5時(shí)，壓力反饋系數(shù)在機(jī)械手運(yùn)行3 s時(shí)的響應(yīng)曲線如圖8所示。

圖8 壓力反饋系數(shù)在機(jī)械手運(yùn)行3 s時(shí)的響應(yīng)曲線圖

由圖8可知，在系統(tǒng)運(yùn)行的1 s內(nèi)，壓力反饋系數(shù)的響應(yīng)曲線輸出在0.2 s后輸出穩(wěn)定，符合機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)需求，能夠滿足實(shí)驗(yàn)的正常運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)中需要將壓力信號(hào)通過(guò)多種方式向機(jī)械手的智能監(jiān)測(cè)中傳達(dá)，每種壓力反饋數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)不同途徑的傳輸方式而改變壓力反饋結(jié)果，為了確保實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)一致性，本實(shí)驗(yàn)引用沖擊器的油壓數(shù)值作為壓力反饋標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，與其他形式下的壓力反饋信號(hào)使用同種處理方法。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過(guò)程中由于車間環(huán)境的復(fù)雜將會(huì)導(dǎo)致干擾性信號(hào)從系統(tǒng)的內(nèi)部傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)器中，可能會(huì)造成壓力反饋的數(shù)據(jù)沖擊，極大地方便了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析過(guò)程。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)4種系統(tǒng)的車間智能機(jī)械手防碰撞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度進(jìn)行對(duì)比，首先對(duì)監(jiān)測(cè)器開(kāi)關(guān)的初始數(shù)據(jù)格式化處理，通過(guò)監(jiān)測(cè)器對(duì)機(jī)械手的壓力數(shù)據(jù)計(jì)算而獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，4種文獻(xiàn)下系統(tǒng)的對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖9 4種文獻(xiàn)下系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度對(duì)比結(jié)果

沖擊性能的變化幅度越大，證明該系統(tǒng)的車間智能機(jī)械手防碰撞數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度越低，反之則證明該系統(tǒng)的車間智能機(jī)械手防碰撞數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度越高。根據(jù)圖9中的數(shù)據(jù)可知，在參數(shù)不變的情況下，各個(gè)系統(tǒng)中的機(jī)械手防碰撞相關(guān)數(shù)據(jù)與沖擊器的頻率相關(guān)，本文系統(tǒng)設(shè)定的壓力反饋數(shù)據(jù)在3.0～4.0 MPa之間，沖擊幅度變化在±50 J以內(nèi)，精準(zhǔn)度相對(duì)于其他三種方法最高，文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的幅度變化分別在±100 J內(nèi)、±200 J內(nèi)、±150 J內(nèi)，受沖擊器的影響較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)程度較差。由于本文設(shè)計(jì)的壓力反饋控制技術(shù)能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度進(jìn)行參數(shù)比較，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)阻尼系數(shù)，因此能夠得到準(zhǔn)確的機(jī)械手防碰撞相關(guān)數(shù)據(jù)。

為體現(xiàn)不同系統(tǒng)的車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)效果，將4種系統(tǒng)下的機(jī)械手智能防碰撞效果進(jìn)行對(duì)比，共設(shè)置10次檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)設(shè)置100個(gè)機(jī)械手碰撞故障，得到防碰撞監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比結(jié)果如圖10所示。

圖10 4種系統(tǒng)下的防碰撞監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比圖

通過(guò)圖10可知，在10次機(jī)械手防碰撞監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)的防碰撞控制準(zhǔn)確率平均值為81%，文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)的防碰撞控制準(zhǔn)確率平均值為86%，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的防碰撞控制準(zhǔn)確率平均值為77%，而本文系統(tǒng)的防碰撞控制準(zhǔn)確率平均值為95%，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)阻尼系數(shù)的控制程度較強(qiáng)，在機(jī)械手防碰撞開(kāi)關(guān)中安裝監(jiān)測(cè)器用來(lái)監(jiān)測(cè)壓力反饋數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)械手的工作負(fù)壓以及動(dòng)力流量等系數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上設(shè)定閾值制定防碰撞策略，能夠有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械手防碰撞監(jiān)測(cè)，提升機(jī)械手防碰撞控制精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于壓力反饋控制的車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)通過(guò)機(jī)械臂防碰撞開(kāi)關(guān)及防碰撞監(jiān)測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)防碰撞策略的控制，軟件部分通過(guò)壓力反饋控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械手碰撞判斷，并設(shè)置相應(yīng)防碰撞策略，傳輸給硬件模塊，實(shí)現(xiàn)車間機(jī)械手智能防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠有效提升機(jī)械手防碰撞數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)防碰撞精準(zhǔn)控制。