基于壓力反饋控制的車間機械手智能防碰撞監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

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) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

液壓傳動機械手在機床加工自動化生產(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)實現(xiàn)對機器人位置的精確控制。機械臂的運動主要有大臂的抬起運動、前臂的伸展運動、手指的打開運動、腰部的旋轉(zhuǎn)運動以及手腕的旋轉(zhuǎn)運動。5種驅(qū)動方式都是液壓驅(qū)動，分別由5種電路驅(qū)動。實現(xiàn)方式為機械手前臂伸臂環(huán)、手握腰、手腕握臂環(huán)。車間機械手在工作過程中很容易發(fā)生碰撞，因此會產(chǎn)生碰撞，設(shè)計車間機械手智能防碰撞監(jiān)測系統(tǒng)對于保證機械手的正常運作有重要意義。

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

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

1 車間機械手智能防碰撞監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

機械手的數(shù)控雙動拉伸裝置的結(jié)構(gòu)圖見圖1，它主要由拉伸缸、氣缸、壓邊支架、壓板、數(shù)控操作臺、液壓泵、油箱及冷卻系統(tǒng)等組成。工藝過程分為下料、拉絲、回料及開模共4步[4-5]。操縱員主要負責(zé)兩臺拉伸機之間的工件搬運裝卸工作。為適應(yīng)拉矯機工作頻率的要求，操作者必須快速、準確地完成裝卸作業(yè)，裝卸作業(yè)時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)計了一種具有一定功能的自動調(diào)心裝置。

圖1 機械手數(shù)控雙動拉伸裝置結(jié)構(gòu)圖

數(shù)控雙動拉伸機的型號為 YL160/320A-WG，具體參數(shù)如表1所示。

表1 車間機械手拉伸機參數(shù)

拉伸機生產(chǎn)線三維圖如圖2所示。

圖2 拉伸機生產(chǎn)線三維圖

雙層拉伸機由機械手操作，工件通過輸送帶輸送，實現(xiàn)自動生產(chǎn)[7-8]。

分別設(shè)置避碰1開關(guān)和避碰2開關(guān)，兩個機械手均配置有避碰檢測開關(guān)。檢測器開關(guān)使用中等距離的激光測距傳感器，檢測器范圍為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開關(guān)擁有24 V輸出信號，檢測 NC系統(tǒng)將立即阻止其他運營商共享區(qū)域繼續(xù)運行，在檢測開關(guān)信號消失后，機械手會自動向公用區(qū)域方向移動。機器人的避碰發(fā)射出兩個 PLC控制程序“禁止讀入”和“軸鎖”[10]。

機械臂1號防撞檢測信號報警“0911”，報警響應(yīng)為“未讀”或“未進給”；機械臂2水平軸的軸鎖信號同時激活“傳送鎖”，禁止移動雙臂到公共區(qū)域。機械臂防碰撞開關(guān)如圖3所示。

圖3 機械臂防碰撞開關(guān)

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

本文選用的監(jiān)測器是一種新型監(jiān)測器，具有監(jiān)測機械手的工作狀態(tài)、動作次數(shù)、運轉(zhuǎn)報警功能，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。除此之外，監(jiān)測器密封良好，易于安裝，尤其適合超高壓，大容量，頻繁動作的電力系統(tǒng)機械手[12]。監(jiān)測器串聯(lián)電路如圖4所示。

圖4 監(jiān)測器串聯(lián)電路圖

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

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

液壓系統(tǒng)是以線性往復(fù)或搖擺作為作動器，將液壓動力轉(zhuǎn)換成機械能輸出，結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、特別適合直線往復(fù)運動、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)機械臂運動的特點，將機械臂的液壓執(zhí)行器分為液壓缸和液壓馬達。其中，機械手雙動式液壓缸和臂架單活塞桿雙動式液壓缸，以及雙動式液壓缸液壓馬達，工作壓力和最大流量是機械手液壓傳動元件的主要參數(shù)。基于壓力反饋控制的車間機械手智能防碰撞監(jiān)測程序如圖5所示。

圖5 基于壓力反饋控制車間機械手智能防碰撞監(jiān)測程序

利用監(jiān)測器確定機械手內(nèi)部的液壓缸參數(shù)，分析工作負載FR，根據(jù)分析結(jié)果判斷液壓缸的活塞直徑，計算公式如式(1)所示：

FR=FL+Ff+Fg

(1)

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

根據(jù)機械手的工作負載和機械手的額定壓力得到液壓缸的有效面積，計算公式為：

(2)

其中:p代表機械手液壓缸的額定壓力；A代表機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)

為了精準控制車間機械手的工作路徑，精準獲取壓力反饋數(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代表電流負載，kq在實驗環(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代表負載壓力。

本文系統(tǒng)主要基于壓力反饋控制實現(xiàn)車間機械手的智能防碰撞監(jiān)測技術(shù)，機械手的工作液壓阻尼在不同的實驗環(huán)境中容易產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，由于阻尼數(shù)值較小，常常使正常的實驗環(huán)境達不到實驗仿真標準，因此需要在壓力反饋技術(shù)下將機械手的工作阻尼提升到0.6～1.2之間，滿足實驗過程中機械手監(jiān)測控制對阻尼的需求程度，壓力反饋技術(shù)實現(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)實現(xiàn)原理圖

由圖6可知，壓力反饋控制提升機械手的工作阻尼主要是通過壓力傳感器對機械手的阻尼產(chǎn)生位置進行監(jiān)測并上傳，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)對初始數(shù)據(jù)進行校正，使阻尼系數(shù)實時達到滿足實驗正常運行狀態(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，則阻尼的增益實現(xiàn)公式如式(5)所示：

(5)

(6)

式中,x、y分別代表機械手的上下運動阻力，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)，由此獲取精準的壓力反饋數(shù)據(jù)，得到機械手內(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比，如果最大流量超過閾值，則代表出現(xiàn)碰撞，需要啟動防碰撞策略；如果最大流量小于閾值，則代表未出現(xiàn)碰撞。

3 實驗研究

為了驗證所設(shè)計系統(tǒng)的有效性，以文獻[1-3]方法作為實驗對比方法，并通過實驗對比4種系統(tǒng)下的相關(guān)數(shù)據(jù)或內(nèi)容，驗證本文設(shè)計系統(tǒng)的有效性與穩(wěn)定性。

3.1 實驗步驟及方法

實驗中首先確定實驗環(huán)境的穩(wěn)定性與統(tǒng)一性，避免因環(huán)境因素造成實驗結(jié)果誤差，本文系統(tǒng)中車間機械手智能防碰撞監(jiān)測實現(xiàn)環(huán)境需要在電液伺服的智能位置控制下進行，應(yīng)用硬件設(shè)計中的部分硬件，再應(yīng)用伺服液壓缸作為實驗動力組織、智能傳感器作為實驗監(jiān)測組織、伺服放大器作為實驗電流輸出控制組織，實驗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)實現(xiàn)后的實驗參數(shù)環(huán)境，對不同系數(shù)的阻尼系統(tǒng)進行控制信號仿真，設(shè)定機械手智能防碰撞監(jiān)測仿真時間在5 s內(nèi)，獲取不同時間范圍內(nèi)的曲線值，阻尼系數(shù)確定在0.5時，壓力反饋系數(shù)在機械手運行3 s時的響應(yīng)曲線如圖8所示。

圖8 壓力反饋系數(shù)在機械手運行3 s時的響應(yīng)曲線圖

由圖8可知，在系統(tǒng)運行的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，符合機械手智能防碰撞監(jiān)測需求，能夠滿足實驗的正常運行。

實驗中需要將壓力信號通過多種方式向機械手的智能監(jiān)測中傳達，每種壓力反饋數(shù)據(jù)會根據(jù)不同途徑的傳輸方式而改變壓力反饋結(jié)果，為了確保實驗運行參數(shù)一致性，本實驗引用沖擊器的油壓數(shù)值作為壓力反饋標準數(shù)據(jù)，與其他形式下的壓力反饋信號使用同種處理方法。實現(xiàn)系統(tǒng)的過程中由于車間環(huán)境的復(fù)雜將會導(dǎo)致干擾性信號從系統(tǒng)的內(nèi)部傳輸?shù)奖O(jiān)測器中，可能會造成壓力反饋的數(shù)據(jù)沖擊，極大地方便了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測分析過程。

3.2 實驗結(jié)果

對4種系統(tǒng)的車間智能機械手防碰撞監(jiān)測數(shù)據(jù)精準度進行對比，首先對監(jiān)測器開關(guān)的初始數(shù)據(jù)格式化處理，通過監(jiān)測器對機械手的壓力數(shù)據(jù)計算而獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，4種文獻下系統(tǒng)的對比結(jié)果如圖9所示。

圖9 4種文獻下系統(tǒng)的監(jiān)測精準度對比結(jié)果

沖擊性能的變化幅度越大，證明該系統(tǒng)的車間智能機械手防碰撞數(shù)據(jù)監(jiān)測精準度越低，反之則證明該系統(tǒng)的車間智能機械手防碰撞數(shù)據(jù)監(jiān)測精準度越高。根據(jù)圖9中的數(shù)據(jù)可知，在參數(shù)不變的情況下，各個系統(tǒng)中的機械手防碰撞相關(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)，精準度相對于其他三種方法最高，文獻[1]系統(tǒng)、文獻[2]系統(tǒng)、文獻[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)測結(jié)果精準程度較差。由于本文設(shè)計的壓力反饋控制技術(shù)能夠?qū)ΡO(jiān)測的數(shù)據(jù)精準度進行參數(shù)比較，實時監(jiān)測阻尼系數(shù)，因此能夠得到準確的機械手防碰撞相關(guān)數(shù)據(jù)。

為體現(xiàn)不同系統(tǒng)的車間機械手智能防碰撞監(jiān)測效果，將4種系統(tǒng)下的機械手智能防碰撞效果進行對比，共設(shè)置10次檢測實驗，每次實驗設(shè)置100個機械手碰撞故障，得到防碰撞監(jiān)測準確率對比結(jié)果如圖10所示。

圖10 4種系統(tǒng)下的防碰撞監(jiān)測準確率對比圖

通過圖10可知，在10次機械手防碰撞監(jiān)測實驗中，文獻[1]系統(tǒng)的防碰撞控制準確率平均值為81%，文獻[2]系統(tǒng)的防碰撞控制準確率平均值為86%，文獻[3]系統(tǒng)的防碰撞控制準確率平均值為77%，而本文系統(tǒng)的防碰撞控制準確率平均值為95%，本文設(shè)計系統(tǒng)對阻尼系數(shù)的控制程度較強，在機械手防碰撞開關(guān)中安裝監(jiān)測器用來監(jiān)測壓力反饋數(shù)據(jù)，對機械手的工作負壓以及動力流量等系數(shù)進行精準計算，在此基礎(chǔ)上設(shè)定閾值制定防碰撞策略，能夠有效實現(xiàn)機械手防碰撞監(jiān)測，提升機械手防碰撞控制精度。

4 結(jié)束語

本文提出基于壓力反饋控制的車間機械手智能防碰撞監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，硬件設(shè)計通過機械臂防碰撞開關(guān)及防碰撞監(jiān)測器實現(xiàn)對防碰撞策略的控制，軟件部分通過壓力反饋控制實現(xiàn)機械手碰撞判斷，并設(shè)置相應(yīng)防碰撞策略，傳輸給硬件模塊，實現(xiàn)車間機械手智能防碰撞監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)能夠有效提升機械手防碰撞數(shù)據(jù)的監(jiān)測精度，實現(xiàn)防碰撞精準控制。