徐建明 韓 波

(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 杭州 310023)

0 引言

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主要支柱,我國(guó)是一個(gè)制造大國(guó),但不是一個(gè)制造強(qiáng)國(guó)。我國(guó)于2015 年正式提出“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略,戰(zhàn)略的核心是“智能制造”[1-2]。在實(shí)際生產(chǎn)制造中,大多數(shù)的點(diǎn)膠工作都是由人工手動(dòng)完成的,手工點(diǎn)膠會(huì)占用很多的人力和時(shí)間且不能保證點(diǎn)膠的質(zhì)量。為了提高點(diǎn)膠的工藝水平和生產(chǎn)效率,對(duì)點(diǎn)膠機(jī)器人進(jìn)行研究是非常必要的[3-4]。

按照自由度進(jìn)行分類,點(diǎn)膠機(jī)有三軸、四軸和五軸3 種。三軸點(diǎn)膠機(jī)的結(jié)構(gòu)由X、Y、Z 3 個(gè)移動(dòng)軸組成,四軸點(diǎn)膠機(jī)除了3 個(gè)移動(dòng)軸之外多了一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸,五軸點(diǎn)膠機(jī)由3 個(gè)移動(dòng)軸和2 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸組成。目前,對(duì)三軸和四軸點(diǎn)膠機(jī)的研究比較多,文獻(xiàn)[5]研究了一種應(yīng)用于半導(dǎo)體元器件的三軸點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng),文獻(xiàn)[6]使用伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四軸點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng),文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)的四自由度點(diǎn)膠直角坐標(biāo)機(jī)器人。但是,三軸和四軸點(diǎn)膠機(jī)不能任意調(diào)整姿態(tài),無(wú)法完成復(fù)雜的軌跡,所以五軸點(diǎn)膠機(jī)成為研究的熱點(diǎn)。

機(jī)器人的控制系統(tǒng)一般是基于PLC(programmable logic controller)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的,PLC 從硬件結(jié)構(gòu)上可以分為硬PLC 和軟PLC。硬PLC 是由專用的集成芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC 指令的執(zhí)行,而軟PLC 是將PLC 的控制功能封裝在軟件內(nèi),運(yùn)行于工控機(jī)或者嵌入式控制器中[8-10]。傳統(tǒng)的硬PLC 因其可靠性在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,如文獻(xiàn)[11]采用三菱FX2N-64MT 研制了一套應(yīng)用于飛機(jī)鋁合金自動(dòng)制孔的機(jī)器人控制系統(tǒng),文獻(xiàn)[12]基于松下FPXC60T 設(shè)計(jì)了全自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)。但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,硬PLC 通用性和兼容性差的問(wèn)題愈發(fā)明顯,而軟PLC 兼具PC 的開(kāi)放性和PLC 的可靠性[13-15],所以軟PLC 已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)的最佳方式。目前,軟PLC 開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要有3S 公司的CODESYS 和BECKHOFF 公司的TwinCAT。

綜上所述,本文采用開(kāi)放性和擴(kuò)展性更好的軟PLC 開(kāi)發(fā)方案,以3S 公司的CODESYS 作為控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),使用工控機(jī)作為硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)出五軸點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了G代碼讀取及解析、正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)變換和PVT(position velocity time)插補(bǔ)等功能,同時(shí)設(shè)計(jì)了可視化界面,用于控制點(diǎn)膠機(jī)的運(yùn)動(dòng)和監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)。最后以曲面屏手機(jī)模型為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,使用開(kāi)發(fā)的五軸點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行曲面點(diǎn)膠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中,刀軸矢量能夠始終重合于曲面法向量,點(diǎn)膠速度可以保持恒定,手機(jī)模型上的膠點(diǎn)具有均勻性和一致性,能夠滿足曲面屏手機(jī)點(diǎn)膠的工藝要求,表明所設(shè)計(jì)的五軸點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

五軸點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)使用一主多從的控制模式,主站為基于X86 處理器和Windows 操作系統(tǒng)的工控機(jī),從站為伺服驅(qū)動(dòng)器和總線耦合器,主站和從站、從站和從站之間使用EtherCAT 總線進(jìn)行通信,控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。工控機(jī)會(huì)在每個(gè)通信周期給伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送目標(biāo)位置、目標(biāo)速度和控制字,伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)且上傳實(shí)際位置、實(shí)際速度和狀態(tài)字到工控機(jī),從而實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)控制?？偩€耦合器接收工控機(jī)的命令并控制I/O 模塊,從而控制噴射閥的出膠動(dòng)作。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

本文使用CODESYS 軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)五軸點(diǎn)膠機(jī)的控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖如圖2 所示。整個(gè)設(shè)計(jì)流程共分為4 步,第1 步是設(shè)計(jì)正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)功能塊,實(shí)現(xiàn)工具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系之間的變換。第2 步是設(shè)計(jì)PVT 插補(bǔ)功能塊,將離散的位置點(diǎn)擬合成光滑的軌跡曲線。第3 步是設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)控制。第4 步是設(shè)計(jì)可視化界面,用于監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)和下發(fā)控制指令。

圖2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

2 運(yùn)動(dòng)控制功能塊設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)功能塊設(shè)計(jì)

Denavit-Hartenberg(DH)參數(shù)法是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的經(jīng)典方法,機(jī)器人的每個(gè)連桿可以用4 個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)來(lái)描述,其中2 個(gè)參數(shù)用于描述連桿本身,另外2 個(gè)參數(shù)用于描述連桿之間的連接關(guān)系[16-19]。對(duì)于五軸點(diǎn)膠機(jī),找出各關(guān)節(jié)軸并標(biāo)出這些軸線的延長(zhǎng)線。找出關(guān)節(jié)軸i 和i +1 之間的公垂線或者關(guān)節(jié)軸i 和i +1 的交點(diǎn),以關(guān)節(jié)軸i 和i +1 的交點(diǎn)或者公垂線與關(guān)節(jié)軸i 的交點(diǎn)作為連桿坐標(biāo)系{i} 的原點(diǎn)。規(guī)定Zi軸沿關(guān)節(jié)軸i 的指向,Xi軸沿公垂線的指向,如果關(guān)節(jié)軸i 和i+1 相交,則Xi軸垂直于關(guān)節(jié)軸i 和i +1 所在的平面,按照右手定則確定Yi軸。以此步驟建立坐標(biāo)系,可以得到如圖3所示的五軸點(diǎn)膠機(jī)連桿坐標(biāo)系分布圖。

圖3 連桿坐標(biāo)系分布圖

根據(jù)連桿坐標(biāo)系分布圖可以推導(dǎo)出五軸點(diǎn)膠機(jī)的DH 參數(shù),DH 參數(shù)表如表1 所示,其中ai-1表示連桿長(zhǎng)度,αi-1表示連桿扭轉(zhuǎn)角,di表示連桿偏距,θi表示關(guān)節(jié)角。

表1 DH 參數(shù)表

已知連桿坐標(biāo)系變換矩陣ii-1T 的一般表達(dá)式為(sθ 表示sinθ,cθ 表示cosθ):

式(2)即為五軸點(diǎn)膠機(jī)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)公式,下面使用代數(shù)法求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué),觀察式(2),使用雙變量反正切函數(shù)arctan2 計(jì)算θ1和θ2,則有:

當(dāng)已知θ1和θ2時(shí),令

則可以得到矩陣形式的線性方程組:

因?yàn)榉匠探M系數(shù)矩陣的秩與增廣矩陣的秩相等且等于方程組中未知數(shù)的個(gè)數(shù),所以方程組有唯一解:

在CODESYS 中創(chuàng)建正運(yùn)動(dòng)學(xué)功能塊Forward Transformation,正運(yùn)動(dòng)學(xué)功能塊可以根據(jù)輸入的關(guān)節(jié)變量θ1、θ2、d1、d2、d3計(jì)算出工具中心點(diǎn)(tool center point,TCP)在工件坐標(biāo)系下的位置和姿態(tài),正運(yùn)動(dòng)學(xué)功能塊的設(shè)計(jì)流程圖如圖4 所示。

圖4 正運(yùn)動(dòng)學(xué)功能塊設(shè)計(jì)流程圖

創(chuàng)建逆運(yùn)動(dòng)學(xué)功能塊Inverse Transformation,當(dāng)輸入TCP 的位置和用XYZ 固定角描述的姿態(tài)時(shí),逆運(yùn)動(dòng)學(xué)功能塊可以計(jì)算出關(guān)節(jié)變量的值,逆運(yùn)動(dòng)學(xué)功能塊的設(shè)計(jì)流程圖如圖5 所示。

圖5 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)功能塊設(shè)計(jì)流程圖

2.2 PVT 插補(bǔ)功能塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人的軌跡規(guī)劃主要研究如何生成一系列連續(xù)的運(yùn)動(dòng)路徑點(diǎn),運(yùn)動(dòng)路徑點(diǎn)的信息包括時(shí)間、位置和速度等。一般情況下軌跡規(guī)劃是在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行的,主要研究關(guān)節(jié)變量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系,確保函數(shù)的一階二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)且可導(dǎo),從而避免速度和加速度的突變,使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)[20-21]。

PVT 代表位置(position)、速度(velocity)和時(shí)間(time),用來(lái)表示運(yùn)動(dòng)軌跡的相關(guān)信息。當(dāng)使用PVT 運(yùn)動(dòng)模式時(shí),控制命令必須指定路徑點(diǎn)的位置、速度以及完成路徑的時(shí)間。但在實(shí)際應(yīng)用中,點(diǎn)在某個(gè)位置的瞬時(shí)速度難以確定,因?yàn)檐壽E點(diǎn)是離散點(diǎn),速度無(wú)法通過(guò)求導(dǎo)的方式進(jìn)行計(jì)算,另外通過(guò)Δs/Δt 求出的速度是平均速度,而不是軌跡點(diǎn)的瞬時(shí)速度。三次樣條插值可以在只知道點(diǎn)的位置和時(shí)間的情況下計(jì)算出點(diǎn)的瞬時(shí)速度,從而解決上述問(wèn)題。PVT 插補(bǔ)的數(shù)學(xué)原理是分段3 次Hermite 插值和3 次樣條插值算法[22]。

設(shè)[P0,P1,…,Pn] 為運(yùn)動(dòng)軌跡中的一系列軌跡點(diǎn),則在區(qū)間[Pi,Pi+1] 中,根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制命令指定的軌跡點(diǎn)信息可以得到Pi和Pi+1點(diǎn)處的位置p、速度v 和從Pi運(yùn)動(dòng)到Pi+1所需要的時(shí)間t。設(shè)F(t)在點(diǎn)tj(j=0,1,…,n) 處的值為F(tj)=pj,F′(tj)=vj,則在區(qū)間[Pi,Pi+1] 中

函數(shù)F(t) 同樣滿足3 次樣條函數(shù)定義,所以可以利用3 次樣條函數(shù)二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的性質(zhì)來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)tj處的瞬時(shí)速度。因?yàn)镕(t) 在區(qū)間[P0,P1,…,Pn] 上二階導(dǎo)數(shù)連續(xù),所以在節(jié)點(diǎn)tj(j=1,2,…,n-1) 處滿足連續(xù)性條件F″(tj-0)=F″(tj+0)。對(duì)F(t) 求二次導(dǎo)數(shù),可得:

已知v0=vn=0,則式(10)可以表示為對(duì)角占優(yōu)的三對(duì)角線方程組

使用追趕法[23]可以解出vj(j=1,2,…,n -1),將vj代入式(8),可計(jì)算出任意時(shí)刻的位置和速度。將上述插值算法封裝為PVT 插補(bǔ)功能塊,PVT插補(bǔ)功能塊可以在輸入位置數(shù)組和時(shí)間數(shù)組的情況下計(jì)算出任意時(shí)刻的位置值和速度值,PVT 插補(bǔ)功能塊的設(shè)計(jì)流程圖如圖6 所示。

圖6 PVT 插補(bǔ)功能塊設(shè)計(jì)流程圖

3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及可視化界面設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文使用SM3_CNC 庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖7 所示。(1)將功能塊SMC_ReadNCFile2 實(shí)例化,在SMC_ReadNCFile2 的輸入接口sFileName 中指定文件的路徑和名稱,在fDefaultVel 中指定默認(rèn)速度。功能塊SMC_ReadNCFile2 的輸出接口名稱為sentences,其數(shù)據(jù)類型是SMC_GSentenceQueue。在經(jīng)過(guò)功能塊的處理后,sentences 中的數(shù)據(jù)是字符串形式的G代碼語(yǔ)句隊(duì)列。(2)將功能塊SMC_NCInterpreter實(shí)例化,把前面sentences 中的數(shù)據(jù)傳遞給功能塊SMC_NCInterpreter,解釋器就可以將G 代碼語(yǔ)句解析為路徑點(diǎn)隊(duì)列。路徑點(diǎn)隊(duì)列由多個(gè)SMC_GEOINFO 對(duì)象組成,每一個(gè)對(duì)象的信息包括運(yùn)動(dòng)類型iMoveType、路徑起始點(diǎn)piStartPos、路徑終點(diǎn)piDestPos、路徑速度dVel 和路徑長(zhǎng)度dLength 等。因此,路徑點(diǎn)隊(duì)列包含了運(yùn)動(dòng)軌跡的所有信息。(3)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體GeoBuffer,其中包含空的位置數(shù)組和時(shí)間數(shù)組。獲得路徑點(diǎn)隊(duì)列的內(nèi)存地址,讀取所有的SMC_GEOINFO 對(duì)象,然后根據(jù)每個(gè)對(duì)象中的路徑起始點(diǎn)piStartPos、路徑終點(diǎn)piDestPos、路徑速度dVel 和路徑長(zhǎng)度dLength 計(jì)算出對(duì)應(yīng)的位置值和時(shí)間值,最后將位置和時(shí)間放入到結(jié)構(gòu)體GeoBuffer 中。(4)調(diào)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)功能塊Inverse Transformation 將GeoBuffer 中的相對(duì)于工件坐標(biāo)系的位置變換到關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中,將變換后的關(guān)節(jié)值保存到結(jié)構(gòu)體Axis-ValueBuffer 中。(5)將AxisValueBuffer 中的5 個(gè)關(guān)節(jié)值數(shù)組傳遞給功能塊PVT,就可以對(duì)數(shù)組中的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合,獲得光滑的關(guān)節(jié)軌跡曲線。(6)調(diào)用功能塊SMC_FollowPosition,在每個(gè)通信周期將關(guān)節(jié)值實(shí)時(shí)地下發(fā)給伺服驅(qū)動(dòng)器,伺服驅(qū)動(dòng)器就可以對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行精確地控制,從而實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)控制。

圖7 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

3.2 可視化界面設(shè)計(jì)

可視化界面是控制系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互的媒介,可視化界面的主要功能是取代傳統(tǒng)的控制面板和顯示儀表,用于監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況和下發(fā)控制指令。CODESYS Visualization 模塊使用控件的編程方式,基本的控件元素包括指示燈、按鈕、文字和框架等。

五軸點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)的可視化界面主要包括4個(gè)部分,分別是主界面、運(yùn)動(dòng)控制界面、程序編輯界面和點(diǎn)膠控制界面,可視化界面的結(jié)構(gòu)圖如圖8 所示。在主界面中可以通過(guò)開(kāi)關(guān)對(duì)電機(jī)軸進(jìn)行使能,通過(guò)按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制和實(shí)現(xiàn)回零功能,通過(guò)文本框顯示實(shí)時(shí)的坐標(biāo)值。運(yùn)動(dòng)控制界面的主要功能是指定G 代碼文件的路徑、讀取文件信息并解析、設(shè)置運(yùn)動(dòng)的相關(guān)參數(shù)、顯示G 代碼的運(yùn)行軌跡和顯示設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。程序編輯界面由圖形框和文本框組成,圖形框提供G 代碼文件的圖形預(yù)覽,可以通過(guò)控制面板調(diào)整圖形的顯示效果。文本框顯示文件的G 代碼,可以通過(guò)按鈕對(duì)G 代碼進(jìn)行編輯、保存、新建和刪除操作。點(diǎn)膠控制界面主要包括閥門(mén)的使能控制、閥門(mén)工作狀態(tài)和閥門(mén)壓力的顯示、通斷電時(shí)間設(shè)置以及手動(dòng)自動(dòng)模式切換。

圖8 可視化界面結(jié)構(gòu)圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以曲面屏手機(jī)模型為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,以刀軸矢量始終重合于曲面法向量和點(diǎn)膠速度保持勻速為工藝要求驗(yàn)證五軸點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)的功能。在SolidWorks中建立曲面手機(jī)模型的三維圖,將手機(jī)模型的三維圖導(dǎo)入到Mastercam 軟件中,使用Mastercam 生成軌跡的步驟為:(1)將模型底面的中點(diǎn)設(shè)置為機(jī)床原點(diǎn),同時(shí)建立機(jī)床參考坐標(biāo)系。(2)使用曲線工具在曲面上創(chuàng)建曲面切線,生成的切線即為點(diǎn)膠軌跡。(3)將模型表面的中點(diǎn)設(shè)置為對(duì)刀點(diǎn),同時(shí)將刀具進(jìn)入點(diǎn)和退出點(diǎn)設(shè)為X=0,Y=0,Z=30。(4)創(chuàng)建多軸加工刀路,在彈出的對(duì)話框中將曲線類型設(shè)為3D 曲線,補(bǔ)正方式設(shè)為關(guān)閉,刀軸控制方式設(shè)為曲面。操作完成后可以得到運(yùn)動(dòng)軌跡,運(yùn)動(dòng)軌跡如圖9所示。圖9 中的坐標(biāo)系表示機(jī)床原點(diǎn)和機(jī)床參考坐標(biāo)系,箭頭表示運(yùn)動(dòng)的方向。

圖9 運(yùn)動(dòng)軌跡圖

點(diǎn)膠過(guò)程中的刀軸矢量圖如圖10 所示,圖中的直線表示刀軸矢量。從圖10 中可以看出,在點(diǎn)膠過(guò)程中刀軸矢量是始終重合于曲面法向量的,因此需要五軸聯(lián)動(dòng)才能完成點(diǎn)膠。

圖10 刀軸矢量圖

后處理主要用來(lái)定義怎樣生成G 代碼,并且使生成的G 代碼滿足數(shù)控系統(tǒng)的需求。后處理文件是可編輯的文本文件,其內(nèi)容可以通過(guò)代碼編輯器進(jìn)行修改。使用編輯器打開(kāi)Generic FANUC 5x Router 后處理文件,在文本中查找“#Machine rotary routine settings”,找到如圖11 所示的用于修改機(jī)床類型的代碼片段。根據(jù)機(jī)床類型修改mtype 變量的初始值,雙轉(zhuǎn)臺(tái)類型的mtype 值為0,擺頭加轉(zhuǎn)臺(tái)類型為1,雙擺頭類型為2。本文的五軸點(diǎn)膠機(jī)為雙轉(zhuǎn)臺(tái)類型,所以mtype 的值需要更改為0。

圖11 修改機(jī)床類型的代碼片段

同樣地,在文本中查找“# Motion NC output”,找到如圖12 所示的用于修改G 代碼輸出格式的代碼片段,prapidout、plinout 和pcirout 代碼段分別定義了快速定位、直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)的G 代碼輸出格式,變量xout、yout、zout、p_out 和s_out 分別定義了X 軸、Y 軸、Z 軸、主旋轉(zhuǎn)軸和次旋轉(zhuǎn)軸的輸出值,對(duì)其進(jìn)行更改就可以獲得適用于五軸點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)的G 代碼輸出格式。

圖12 修改G 代碼輸出格式的代碼片段

使用修改后的后處理文件對(duì)點(diǎn)膠運(yùn)動(dòng)軌跡曲線進(jìn)行處理,可以得到運(yùn)動(dòng)軌跡的G 代碼文件。將G代碼文件導(dǎo)入到點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)就可以自動(dòng)讀取和解析G 代碼。在運(yùn)動(dòng)控制界面中下發(fā)運(yùn)行指令,點(diǎn)膠機(jī)就可以自動(dòng)運(yùn)行。

TCP 的運(yùn)動(dòng)速度記錄圖如圖13 所示,其橫坐標(biāo)表示時(shí)間值,縱坐標(biāo)表示TCP 運(yùn)動(dòng)速度值。從圖中可以看出,除啟動(dòng)和停止階段外,TCP 運(yùn)動(dòng)速度是恒定的,完成一次點(diǎn)膠需要花費(fèi)約32 s 的時(shí)間,這個(gè)時(shí)間能夠滿足生產(chǎn)效率的要求。噴射閥出膠頻率和TCP 運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系圖如圖14 所示。噴射閥出膠頻率與TCP 運(yùn)動(dòng)速度是相關(guān)聯(lián)的,TCP 運(yùn)動(dòng)速度增加時(shí)噴射閥出膠頻率也會(huì)增加,反之亦然,這樣可以保證點(diǎn)膠效果的均勻和一致,噴射閥出膠的最大頻率為50 Hz。在本次實(shí)驗(yàn)中TCP 運(yùn)動(dòng)速度為20 mm/s,噴射閥出膠頻率為12 Hz。

圖13 TCP 運(yùn)動(dòng)速度記錄圖

圖14 噴射閥出膠頻率和TCP 運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系圖

點(diǎn)膠完成后的手機(jī)模型實(shí)物圖如圖15 所示,可以看出,手機(jī)模型上的膠點(diǎn)具有均勻性和一致性。綜上所述,本文設(shè)計(jì)的五軸點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)能夠保證刀軸矢量始終重合于曲面法向量,可以滿足點(diǎn)膠速度恒定的工藝要求,因此具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖15 手機(jī)模型實(shí)物圖

5 結(jié)論

本文采用CODESYS 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),使用基于X86 +Windows 的工控機(jī)作為硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)了五軸點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)?；赟M3_CNC 庫(kù)中的功能塊開(kāi)發(fā)了G 代碼讀取以及解析功能,使用Denavit-Hartenberg 參數(shù)法建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并且設(shè)計(jì)了正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)功能塊,使用分段3 次Hermite 插值和3 次樣條插值算法設(shè)計(jì)了PVT 功能塊。同時(shí)設(shè)計(jì)了可視化界面,用于控制點(diǎn)膠機(jī)的運(yùn)動(dòng)和監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)。以曲面屏手機(jī)模型作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,使用五軸點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行曲面點(diǎn)膠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明,點(diǎn)膠機(jī)的點(diǎn)膠速度保持恒定,手機(jī)模型上的膠點(diǎn)均勻且一致,證明了所設(shè)計(jì)的五軸點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)具有工程應(yīng)用價(jià)值。