陳 威，陳新度

（廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006）

0 引言

汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的研究背景具體如下：我國汽車產業(yè)目前正處于轉型時期，根據調查得來的汽車市場數據顯示，汽車產業(yè)已經結束了發(fā)展的黃金期，出現了發(fā)展速度增幅較慢甚至負增長的狀態(tài)[1]。整體產業(yè)與汽車產品都處于巨變中，而人工智能與綠色新能源的發(fā)展更是對這場巨變起到了助推作用。汽車產業(yè)的發(fā)展中包含多種業(yè)務，其中，零部件是一種十分重要的發(fā)展業(yè)務，而門框作為一種重要的零部件，其生產加工工序也必須走向智能化以迎合整體產業(yè)的發(fā)展現狀。通過打磨機器人進行門框打磨，成為汽車門框生產加工的全新智能工序，是汽車零部件生產加工產業(yè)走向智能化與電子化的發(fā)展結果[2]。汽車門框打磨機器人通常采用主動柔順控制方式，因此其主動柔順控制系統(tǒng)的研發(fā)對于汽車門框打磨機器人的智能化控制有很大意義[3]。國內外對于汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的研究都十分重視，并取得了多樣化的研究成果。其中，國外對于汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的研究起步較早，有學者提出了一種基于伺服控制器的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)，主要基于伺服控制器實現汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的設計。而國內對于汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的研究則相對起步較晚，有學者提出了一種基于D?H 模型的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)，主要通過D?H 模型實現汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的設計。由于在利用以上系統(tǒng)進行汽車門框打磨機器人主動柔順控制時，在機器人負載為60%～90%的情況下存在重復定位精度較低的問題，因此將模糊PID 控制應用于汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的研究中，設計一種基于模糊PID 的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)。

1 設計基于模糊PID 的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)

1.1 設計硬件

1.1.1 設計控制器模塊

基于模糊PID 的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的硬件構成包括控制器模塊、外部設備模塊以及機器人執(zhí)行機構模塊[4]。系統(tǒng)硬件模塊構成具體如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件模塊構成

其中，控制器模塊由控制器與操作臺觸摸屏構成[5]。控制器的選擇型號為西門子P7?PLC1200，具備很強的操作通用性。該控制器的指令集強大、配置靈活，CPU 可以通過用戶程序邏輯實施輸出更改與輸入監(jiān)視，其中，用戶程序包括復雜數學運算、定時、計數、布爾邏輯以及智能設備通信[6]。該控制器的技術參數具體見圖2。

圖2 控制器技術參數

1.1.2 設計外部設備模塊

外部設備模塊由工件夾爪與打磨工具構成[7]。其中，工件夾爪的夾持方式為氣動夾持，具體技術參數如表1 所示。

表1 工件夾爪具體技術參數

而打磨工具需要固定安裝于打磨支架上，具體技術參數如表2 所示[8]。

表2 打磨工具具體技術參數

1.1.3 設計機器人執(zhí)行機構模塊

機器人執(zhí)行機構模塊由機器人執(zhí)行機構、六軸力傳感器與I/O 硬線構成[9]。其中，機器人執(zhí)行機構選擇的型號為RS10C，具體技術參數如表3 所示。

六軸力傳感器能夠獲取三維力矩信息與三維力信息，并對結果進行計算與保存，選擇的型號為CM3314，利用數據接收儀能夠對該傳感器進行數據接收[10]。六軸力傳感器的具體技術參數如表4 所示。

1.2 設計軟件

1.2.1 設計編程模塊

基于模糊PID 的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的軟件構成包括編程模塊、主動柔順控制模塊[11]。編程模塊中包含三種用戶程序，分別為中斷程序、可調用子程序、主程序。其中，中斷程序能夠對程序執(zhí)行的事件進行中斷，中斷執(zhí)行的前后，中斷程序能夠自動恢復和保護程序運行環(huán)境[12]。

表3 機器人執(zhí)行機構具體技術參數

表4 六軸力傳感器的具體技術參數

可調用子程序是一種用戶指令集合，可供用戶自由選擇。子程序的應用需要根據實際要求進行判斷，只有其他程序對子程序進行調用時子程序才會執(zhí)行[13]。其他程序能夠反復調用子程序，既可以對程序代碼進行簡化，還可以節(jié)省掃描時間，為整個程序賦予更加嚴謹的架構。主程序是用戶程序中最重要的構成部分，各用戶程序中僅有一個主程序。在主程序內，根據用戶需求，能夠隨時對必要的中斷程序與子程序進行調用[14]。主程序發(fā)出的命令能夠對整個用戶程序進行控制，其模式為循環(huán)執(zhí)行模式。

1.2.2 設計主動柔順控制模塊

基于模糊PID 設計的主動柔順控制模塊，其使用的模糊PID 控制器具體如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制器

在主動柔順控制模塊中，通過PTP 軟件進行PID 參數的調整。該軟件能夠通過對響應特性曲線進行采集來改變微分參數、積分、比例，以獲得更好的閉環(huán)穩(wěn)態(tài)特性，以及改變加速度前饋增益與速度前饋增益，以獲得更精準的跟隨結果[15]。

2 主動柔順控制實驗測試

2.1 實驗設計

為驗證設計的基于模糊PID 的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的性能，對其進行實驗測試。在實驗中使用的汽車門框打磨機器人為6 軸機器人，具備4 種坐標系，包括關節(jié)坐標系、直角坐標系、工具坐標系、用戶坐標系，具體如圖4 所示。

圖4 汽車門框打磨機器人坐標系

實驗汽車門框打磨機器人的工作流程具體如下：通過人工方式把汽車門框的待打磨工件置于上料線上，通過控制器控制機器人對未打磨工件進行抓取并對打磨頭進行啟動，之后實驗汽車門框打磨機器人根據設定的打磨軌跡打磨汽車門框零件。完成打磨后，實驗汽車門框打磨機器人將打磨零件移至下料臺上并停止打磨頭的工作。循環(huán)往復地進行汽車門框零件打磨作業(yè)。打磨時實驗汽車門框打磨機器人的傾角為15°～30°。

利用基于模糊PID 的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)對實驗汽車門框打磨機器人進行汽車門框打磨的主動柔順控制。在實驗中，汽車門框打磨機器人的實際打磨過程包含22 組坐標點，其中，關鍵坐標點共7 組，具體如表5 所示。

表5 實驗關鍵坐標點

獲取機器人負載為60%～90%情況下的重復定位精度作為該系統(tǒng)的實驗數據。為避免本次實驗結果過于單一、缺乏對比性，將原有的兩種系統(tǒng)作為實驗中的對比系統(tǒng)，包括基于伺服控制器、基于D?H 模型的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)。同樣利用這兩種系統(tǒng)進行實驗汽車門框打磨機器人的汽車門框打磨的主動柔順控制。獲取機器人負載為60%～90%情況下的重復定位精度作為對比實驗數據。

2.2 實驗結果分析

在機器人負載為60%～75%的情況下，基于模糊PID 的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)與基于伺服控制器、基于D?H 模型的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的重復定位精度實驗對比數據具體如表6 所示。根據表6 的重復定位精度實驗對比數據可知，在機器人負載為60%～75%的情況下，基于模糊PID的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的重復定位精度高于基于伺服控制器、基于D?H 模型的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的精度。

在機器人負載為76%～90%的情況下，基于模糊PID 的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)與基于伺服控制器、基于D?H 模型的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的重復定位精度實驗對比數據具體如表7 所示。根據表7 的重復定位精度實驗對比數據可知，在機器人負載為76%～90%的情況下，基于模糊PID的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的重復定位精度高于基于伺服控制器、基于D?H 模型的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)的精度。

表6 重復定位精度實驗對比數據（一） %

表7 重復定位精度實驗對比數據（二） %

3 結語

由于在利用原有系統(tǒng)進行汽車門框打磨機器人主動柔順控制時，在機器人負載為60%～90%的情況下存在重復定位精度較低的問題，因此設計一款基于模糊PID 的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)。基于模糊PID 的汽車門框打磨機器人主動柔順控制系統(tǒng)實現了重復定位精度的提升，對于汽車零部件生產加工產業(yè)走向智能化與電子化有很大意義。