摘要：以高精度的汽車打磨機器人為主要研究對象，詳細分析其設(shè)計以及性能優(yōu)化相關(guān)技術(shù)。首先對機器人關(guān)鍵技術(shù)及其設(shè)計原理進行闡述，接著詳細剖析其結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)以及傳感器，隨后基于各方案的智能化汽車打磨機器人控制系統(tǒng)進行總體評測，對不同機器人的性能通過實驗數(shù)據(jù)作出分析。

關(guān)鍵詞：汽車打磨；機器人技術(shù)；高精度；性能優(yōu)化；控制算法

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-06-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408028

1 前言

高精度汽車打磨機器人作為汽車制造的重要研究方向，與汽車工業(yè)的發(fā)展密不可分。當前，我國汽車工業(yè)正逐漸走向高速發(fā)展之路，因此對于高精度汽車打磨機器人的相關(guān)研究具有一定的研究價值。智能化是當下研究的重點，將智能化技術(shù)合理應(yīng)用在汽車制造的生產(chǎn)線上，能夠保證汽車制造的高精度、高質(zhì)量，能顯著提升生產(chǎn)效率。而在打磨工藝上，智能化機器人能顯著降低汽車打磨的困難，推進汽車零部件以及汽車工業(yè)向智能電子工業(yè)快速轉(zhuǎn)型。汽車打磨機器人的研發(fā)一般基于智能控制的連續(xù)主動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可確保機器人在與工件接觸時以正確的力度和位置進行打磨，提高打磨過程的質(zhì)量和效率［1］。因此，開發(fā)高效、精確的連續(xù)主動控制系統(tǒng)對汽車打磨機器人的智能化發(fā)展至關(guān)重要。

汽車打磨機器人主動柔性控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)在國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者中占有重要地位。國外研究起步早，如研究人員提出了基于伺服驅(qū)動器的主動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計，并利用伺服驅(qū)動器實現(xiàn)了對機器人運動的精確控制；國內(nèi)研究起步晚，如研究人員提出了基于D?模型的柔性主動控制系統(tǒng)，該模型模擬了機器人的運動學(xué)特性，研究表明，使用該系統(tǒng)進行車輛打磨時，定位精度較低，尤其是在機器人負載達到60%～90%時，嚴重影響打磨質(zhì)量，限制機器人的應(yīng)用范圍。為解決這個問題，本文提出利用模糊PID控制技術(shù)為汽車打磨機器人開發(fā)一種主動靈活的控制系統(tǒng)。利用PID模糊控制算法，可對機器人運動進行優(yōu)化控制，提高定位精度，為汽車打磨機器人的智能化提供新的思路［2］。

2 高精度汽車打磨機器人的研發(fā)

21 設(shè)計硬件分析

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由三個模塊組成，即控制模塊、外部設(shè)備模塊和機器人驅(qū)動模塊，如圖1所示。在本項目中，將西門子P7-PLC1200控制器用于機器人控制中。

本系統(tǒng)硬件模塊主要由觸摸屏控制臺和控制器組成，使用西門子P7-PLC1200控制器，參數(shù)見表1。該控制器靈活性高，指令集廣泛，對可編程邏輯能夠做到輸入與輸出間的靈活切換，能解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算以及布爾邏輯，在加工方面具有良好的同步性，能準確滿足機器人的打磨任務(wù)［3］。

外部設(shè)備單元主要由工件夾具和打磨工具組成。工件夾具具有氣動夾緊功能，可快速均勻地夾緊工件，并確保打磨過程中的穩(wěn)定性。具體技術(shù)特點見表2。

打磨工具需要固定安裝在打磨支架上，其具體技術(shù)參數(shù)如表3所示，這些參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、功率、磨料類型等，直接決定了打磨效果的好壞［4］。

機器人驅(qū)動單元由機器人驅(qū)動裝置、六軸力傳感器、固定輸入輸出電纜和其他組件組成。機器人驅(qū)動裝置是整個系統(tǒng)的動力源，可使機器人執(zhí)行各種任務(wù)。本系統(tǒng)選用的機器人驅(qū)動單元型號為RS10C，機器人執(zhí)行機構(gòu)具體技術(shù)參數(shù)見配套手冊。六軸力傳感器可實時檢測三維扭矩和力信息，為機器人提供準確的反饋。本系統(tǒng)選用CM3314六軸力傳感器，以便數(shù)據(jù)接收器接收數(shù)據(jù)［5］。具體技術(shù)參數(shù)見表4。

22 設(shè)計軟件分析

編程模塊是軟件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，由三個主要用戶程序組成：中斷程序、調(diào)用程序和主程序。中斷程序可以暫停當前事件，并自動恢復(fù)和維護中斷前后的API，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；調(diào)用程序是一系列用戶定義的命令，其他程序在需要時可以調(diào)用這些命令；主程序是程序中最重要的部分，是唯一可根據(jù)需要調(diào)用任意數(shù)據(jù)中斷和子程序的程序，主程序以循環(huán)模式運行，并提供控制和編排整個用戶程序的指令。

控制程序執(zhí)行特定的控制邏輯?？刂破鞑捎肞ID模糊控制，是結(jié)合模糊邏輯和PID控制技術(shù)的先進控制策略。通過PTP軟件，可輕松配置PID參數(shù)，以優(yōu)化閉環(huán)運行；可調(diào)整加速度和速度系數(shù)，獲得更精確的結(jié)果。這種控制策略能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，能提高系統(tǒng)對復(fù)雜環(huán)境條件的適應(yīng)能力［6］。

3 實驗驗證與結(jié)果分析

31 實驗平臺搭建與測試方案設(shè)計

為了驗證為機器人汽車方向盤開發(fā)的控制系統(tǒng)的性能，需要進行實驗測試。在本實驗中，使用了六軸汽車標定機器人，該機器人具有四個坐標系，包括鉸接坐標系、直角坐標系、儀器坐標系和用戶坐標系（圖2），使機器人具有精確定位和轉(zhuǎn)向能力。

實驗過程：控制單元啟動機器人，它會按照預(yù)先設(shè)定的路徑對汽車零件進行打磨，打磨完成后，機器人會將打磨后的部件移到卸載臺。在打磨過程中，實驗用自動打磨機器人的傾斜角度在15°～30°之間變化，以確保打磨結(jié)果穩(wěn)定一致［7］。為了進一步提高打磨過程的精度和效率，控制系統(tǒng)主動靈活地控制實驗打磨機器人，實時反饋，使打磨過程精確地適應(yīng)不同的零件形狀和打磨要求，如表5所示。

打磨機器人的實際打磨過程包括一組22個坐標點，其中7個為焦點。這些焦點是通過分析汽車零件的結(jié)構(gòu)、材料和打磨要求確定，確保打磨過程的準確性和效率，如表6所示。

為評估小車打磨機器人自動控制系統(tǒng)的性能，在不同負載條件下，進行各種實驗測試。這些測試的主要目的是評估機器人在60%～90%負載下的性能。為了避免測試結(jié)果的同質(zhì)化，使用了兩個參考系統(tǒng)：一個是自動打磨機器人的伺服控制系統(tǒng)，另一個是靈活的主動控制系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)分別代表了傳統(tǒng)和先進的控制策略，通過與目標系統(tǒng)（即自動機器人的主動控制系統(tǒng)）進行比較，可以更準確地評估目標系統(tǒng)的性能和優(yōu)勢。實驗中使用了相同的自動打磨機器人，并在不同的負載條件下（60%～90%）測試了三種系統(tǒng)的定位精度。通過記錄和分析實驗數(shù)據(jù)，可以比較每個系統(tǒng)在不同負載條件下的性能，從而更好地了解每個系統(tǒng)的優(yōu)缺點和適用性［8］。

32 實驗結(jié)果與分析

重復(fù)定位精度實驗對比數(shù)據(jù)如表7所示，在比較汽車打磨機器人在不同負載條件下的周期定位精度時，分析了基于PID的模糊控制系統(tǒng)與基于伺服的主動輔助系統(tǒng)之間的差異，對兩個實驗數(shù)據(jù)集進行了比較。

汽車轉(zhuǎn)向機器人基于PID的模糊主動輔助系統(tǒng)，在機器人負載的60%～75%范圍內(nèi)表現(xiàn)出更高的可重復(fù)定位精度，這表明基于模糊PID的控制策略能更好地適應(yīng)機器人的動態(tài)特性和中等負載下的環(huán)境變化，并提供更高的定位精度。研究結(jié)果表明，模糊PID控制能有效提高打磨機器人的性能［9］。與基于執(zhí)行器的主動柔性控制系統(tǒng)相比，汽車打磨機器人的主動柔性控制系統(tǒng)在76%～90%的負載下具有更高的定位精度。這一結(jié)果證實了主動柔性控制系統(tǒng)在高負載下的優(yōu)勢：能有效提高機器人在中重負載下的定位精度和穩(wěn)定性。

綜合實驗數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論：在機器人負載的60%～90%范圍內(nèi)，基于模糊PID的汽車打磨機器人主動柔性控制系統(tǒng)在可重復(fù)定位精度方面優(yōu)于基于伺服的主動柔性控制系統(tǒng)［10］。這一結(jié)果不僅驗證了模糊PID控制在提高打磨機器人性能方面的有效性，還為未來打磨機器人控制策略的選擇提供了堅實的實驗基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

通過闡述高精度汽車打磨機器人在提高汽車行業(yè)生產(chǎn)率和精度方面的應(yīng)用，分析設(shè)計原理、關(guān)鍵技術(shù)和性能優(yōu)化技術(shù)，為汽車行業(yè)提出了先進高效的打磨解決方案?，F(xiàn)有的汽車打磨機器人主動柔性控制系統(tǒng)面臨著當機器人負載在60%～90%之間時，重新定位精度較低的問題，會影響打磨質(zhì)量，會增加成本和生產(chǎn)時間。為解決這一問題，本文針對汽車行業(yè)的打磨機器人開發(fā)了一種基于模糊PID的柔性主動控制系統(tǒng)，通過采用模糊PID控制算法，該系統(tǒng)可對機器人軌跡進行精確控制，并顯著提高重復(fù)定位精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，能支持整個行業(yè)向智能化和電子制造方向發(fā)展，這一創(chuàng)新對汽車行業(yè)具有重要意義。

參考文獻：

[1]胡文娟基于五次B樣條插值的汽車輪轂打磨機器人協(xié)作控制[J]微特電機，2023，51（2）：61-67

[2]段海峰，韓偉，陳曉斌，等汽車水冷機殼鑄件機器人打磨工作站設(shè)計[J]鑄造，2023，72（5）：607-611

[3]沈毅松，孟廣耀，高志陽，等基于視覺輔助的鑄件打磨機器人方案研究[J]青島理工大學(xué)學(xué)報，2023，44（3）：153-162

[4]喜崇彬曠視機器人：專注打磨托盤四向車，撐起智慧物流一體化--訪曠視物流業(yè)務(wù)事業(yè)部產(chǎn)品業(yè)務(wù)規(guī)劃負責(zé)人李帥[J]物流技術(shù)與應(yīng)用，2023，28（1）：64-67

[5]譚春林機器視覺技術(shù)在工業(yè)機器人中的應(yīng)用研究[J]中國設(shè)備工程，2023（18）：46-48

[6]黃海濱，傅亭碩，王同特，等機器人曲面拋光末端VCM力迭代學(xué)習(xí)控制研究[J]機床與液壓，2023（21）：65-70

[7]馬軍鋼軌焊縫復(fù)雜曲面打磨機器人選型及打磨工藝[J]高速鐵路新材料，2024（1）：26-28

[8]柳賀，蔣立軍光伏行業(yè)高精度插片機器人仿真的開發(fā)與應(yīng)用[J]自動化應(yīng)用，2023，64（13）：97-101

[9]徐詩洋，吳炳暉，紀冬梅，等電力隧道自動巡檢機器人設(shè)計與運動仿真[J]工程設(shè)計學(xué)報，2023，30（1）：32-38

[10]茍俊濤220kV變電站電纜隧道智能巡檢機器人研究與應(yīng)用[J]電力系統(tǒng)裝備，2023（6）：72-74

作者簡介：

劉世強，男，1986年生，實驗師，研究方向為汽車車身、工業(yè)機器人。

基金項目：西安汽車職業(yè)大學(xué)2023年度校長科研基金項目（23KY016）