機(jī)器人升降軸氣動(dòng)伺服平衡自重自調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)及方法與流程

本發(fā)明屬于鈑金加工行業(yè)用軌道式五自由度直角坐標(biāo)型機(jī)器人自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種機(jī)器人升降軸氣動(dòng)伺服平衡自重自調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的當(dāng)下環(huán)境中，人口老年化問題日益突出，用工荒現(xiàn)象日益增多，作為制造業(yè)基礎(chǔ)的鈑金加工行業(yè)也同樣如此。為了提高利潤和發(fā)展空間，目前在鈑金加工行業(yè)已開始逐步使用工業(yè)機(jī)器人替代人工工作。

目前在鈑金行業(yè)中應(yīng)用的機(jī)器人類型有軌道式直角坐標(biāo)型、球面坐標(biāo)型和多關(guān)節(jié)型，因鈑金件的特點(diǎn)和加工方式較其他行業(yè)不同，軌道式五自由度直角坐標(biāo)型機(jī)器人更適用于鈑金行業(yè)，所以目前使用量較多。

直角坐標(biāo)型機(jī)器人具有空間相互垂直的兩根或三根直線移動(dòng)軸，通過直角坐標(biāo)方向的3個(gè)獨(dú)立自由度確定其手部位置，其工作空間為一長方體。在直角坐標(biāo)系Z方向運(yùn)動(dòng)的我們稱為機(jī)器人的升降軸，升降軸通過升降伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)和皮帶的方式控制升降軸做升降運(yùn)動(dòng)，為了降低升降伺服電機(jī)的功率，提高升降方向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和精度，需要平衡升降軸及工件的重量，目前普遍的做法是通過氣動(dòng)氣缸平衡升降軸及工件的自重。

通過氣動(dòng)氣缸平衡自重的工作原理是通過調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)壓力產(chǎn)生與重力方向相反的力來平衡升降軸及工件的自重，升降軸上升時(shí)氣缸產(chǎn)生向下的推力，升降軸下降時(shí)氣缸產(chǎn)生向上的拉力。現(xiàn)在的做法是當(dāng)機(jī)器人要抓取的工件重量發(fā)生改變時(shí)，操作人員只能靠經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力閥改變氣缸內(nèi)壓力來平衡自重，在整個(gè)升降運(yùn)動(dòng)過程中氣缸內(nèi)壓力只能平衡升降軸靜止?fàn)顟B(tài)下的自重。但是在實(shí)際使用過程中，升降軸在上升和下落及停止時(shí)會(huì)由自重產(chǎn)生一個(gè)不斷變化的慣量，這種慣量的變化除了對機(jī)械裝置造成一定的損耗，還會(huì)造成升降伺服電機(jī)輸出力矩急劇變化，導(dǎo)致升降運(yùn)動(dòng)和定位精度不穩(wěn)定，進(jìn)而造成加工產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，給用戶帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的操作人員只能靠經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力閥改變氣缸內(nèi)壓力來平衡自重以及在整個(gè)升降運(yùn)動(dòng)過程中氣缸內(nèi)壓力只能平衡升降軸靜止?fàn)顟B(tài)下自重的技術(shù)問題，提供一種機(jī)器人升降軸氣動(dòng)伺服平衡自重自調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)及方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種機(jī)器人升降軸氣動(dòng)伺服平衡自重自調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，包括升降伺服電機(jī)，所述升降伺服電機(jī)與減速機(jī)連接，所述減速機(jī)通過皮帶傳動(dòng)與機(jī)器人升降軸連接，所述機(jī)器人升降軸的末端安裝有機(jī)器人夾具，所述機(jī)器人夾具上安裝有平衡氣缸，所述平衡氣缸通過氣路與精密壓力傳感器、精密比例減壓閥和氣動(dòng)動(dòng)力源連接，所述減速機(jī)與機(jī)器人升降軸之間設(shè)有力傳感器，所述力傳感器、精密壓力傳感器、精密比例減壓閥和升降伺服電機(jī)與控制處理系統(tǒng)相連。

進(jìn)一步地，所述控制處理系統(tǒng)包括機(jī)箱以及安裝在機(jī)箱內(nèi)的處理器、運(yùn)動(dòng)板卡、AO接口模塊和AI接口模塊，所述處理器、運(yùn)動(dòng)板卡、AO接口模塊和AI接口模塊通過背板通訊交換信息，所述運(yùn)動(dòng)板卡與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，所述伺服驅(qū)動(dòng)器與升降伺服電機(jī)連接，所述AO接口模塊與精密比例減壓閥連接，所述AI接口模塊與精密壓力傳感器和力傳感器連接，所述處理器通過通訊電纜與信息輸入裝置連接。

進(jìn)一步地，所述處理器內(nèi)設(shè)有一級(jí)閉環(huán)控制裝置和二級(jí)閉環(huán)控制裝置，所述一級(jí)閉環(huán)控制裝置包括一級(jí)比較器，所述一級(jí)比較器的輸入端連接有一級(jí)A/D轉(zhuǎn)換模塊和平衡值儲(chǔ)存模塊，所述一級(jí)A/D轉(zhuǎn)換模塊與力傳感器連接，所述一級(jí)比較器的輸出端連接有一級(jí)PID模塊，所述一級(jí)PID模塊與計(jì)算模塊連接，所述二級(jí)閉環(huán)控制裝置包括與計(jì)算模塊連接的二級(jí)比較器，所述二級(jí)比較器的輸入端還連接有二級(jí)A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述二級(jí)A/D轉(zhuǎn)換模塊與精密壓力傳感器連接，所述二級(jí)比較器的輸出端連接有二級(jí)PID模塊，所述二級(jí)PID模塊與D/A轉(zhuǎn)換模塊連接，所述D/A轉(zhuǎn)換模塊與精密比例減壓閥連接。

進(jìn)一步地，所述平衡值儲(chǔ)存模塊與計(jì)算模塊之間還設(shè)有前饋增益模塊。

進(jìn)一步地，所述信息輸入裝置為手持式示教盒。

進(jìn)一步地，所述運(yùn)動(dòng)板卡為6軸PC接口脈沖型伺服電機(jī)控制卡。

進(jìn)一步地，所述AO接口模塊為RIO/AO模擬量輸出卡，所述AI接口模塊為RIO/AI模擬量輸入卡。

一種機(jī)器人升降軸氣動(dòng)伺服平衡自重自調(diào)節(jié)控制方法，該方法包括以下步驟：

A、操作人員在手持式示教盒中輸入機(jī)器人升降軸、機(jī)器人夾具和工件的重量、機(jī)器人升降軸上升速度和加速度以及下降速度和加速度；

B、處理器中的計(jì)算模塊根據(jù)這些數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算并在平衡值儲(chǔ)存模塊中保存機(jī)器人升降軸升降運(yùn)動(dòng)各階段的平衡值；

C、當(dāng)處理器通過運(yùn)動(dòng)板卡控制伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)升降伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人升降軸、機(jī)器人夾具和工件一同升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，處理器會(huì)根據(jù)機(jī)器人升降軸運(yùn)動(dòng)階段計(jì)算結(jié)果通過背板通訊發(fā)送給AO接口模塊控制命令；

D、處理器根據(jù)力傳感器通過AI接口模塊的反饋結(jié)果和事先計(jì)算好的結(jié)果的比較不斷調(diào)整通過背板通訊發(fā)送給AO接口模塊的控制命令，同時(shí)處理器會(huì)根據(jù)精密壓力傳感器通過AI接口模塊的反饋結(jié)果和發(fā)送給AO接口模塊的控制命令的比較不斷調(diào)整通過AO接口模塊發(fā)送給精密比例減壓閥的電壓信號(hào)；

E、精密比例減壓閥通過AO接口模塊發(fā)出的電壓信號(hào)不斷調(diào)整輸出給平衡氣缸的氣壓壓力，平衡氣缸通過不斷變化的氣壓壓力產(chǎn)生與機(jī)器人升降軸上升和下降階段自重慣量變化匹配的推力或拉力。

本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：本發(fā)明的機(jī)器人升降軸氣動(dòng)伺服平衡自重自調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是在減速機(jī)與機(jī)器人升降軸之間設(shè)有力傳感器，同時(shí)安裝在機(jī)器人夾具上的平衡氣缸通過氣路與精密壓力傳感器、精密比例減壓閥和氣動(dòng)動(dòng)力源連接，力傳感器、精密壓力傳感器、精密比例減壓閥和升降伺服電機(jī)通過控制處理系統(tǒng)控制，當(dāng)機(jī)器人升降軸運(yùn)動(dòng)（上升或下降）因自重產(chǎn)生的慣量發(fā)生變化時(shí)，本發(fā)明可自調(diào)節(jié)平衡氣缸內(nèi)的空氣壓力，從而產(chǎn)生與機(jī)器人升降軸運(yùn)動(dòng)相匹配的推力和拉力，在機(jī)器人升降軸整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中做到始終平衡自重產(chǎn)生的慣量，有效解決了現(xiàn)有機(jī)器人升降軸升降運(yùn)動(dòng)中因自重產(chǎn)生的慣量變化所帶來的一系列問題，從而延長了機(jī)械裝置的使用壽命，同時(shí)變手動(dòng)調(diào)節(jié)為自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證了機(jī)器人升降軸的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證了加工產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明控制處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

本發(fā)明附圖標(biāo)記含義如下：1、升降伺服電機(jī)；2、皮帶傳動(dòng)；3、減速機(jī)；4、力傳感器；5、工件；6、機(jī)器人夾具；7、機(jī)器人升降軸；8、平衡氣缸；9、精密壓力傳感器；10、氣路；11、精密比例減壓閥；12、氣動(dòng)動(dòng)力源；13、信息輸入裝置；14、通訊電纜；15、處理器；16、運(yùn)動(dòng)板卡；17、AO接口模塊；18、AI接口模塊；19、機(jī)箱；20、背板通訊；21、伺服驅(qū)動(dòng)器；22、平衡值儲(chǔ)存模塊；23、一級(jí)比較器；24、一級(jí)PID模塊；25、前饋增益模塊；26、計(jì)算模塊；27、一級(jí)A/D轉(zhuǎn)換模塊；28、二級(jí)比較器；29、二級(jí)PID模塊；30、D/A轉(zhuǎn)換模塊；31、二級(jí)A/D轉(zhuǎn)換模塊；32、一級(jí)閉環(huán)控制裝置；33、二級(jí)閉環(huán)控制裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種機(jī)器人升降軸氣動(dòng)伺服平衡自重自調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，包括升降伺服電機(jī)1，升降伺服電機(jī)為SGM7G-75AFC6C伺服電機(jī)，升降伺服電機(jī)1與減速機(jī)3連接，減速機(jī)3通過皮帶傳動(dòng)2與機(jī)器人升降軸7連接，機(jī)器人升降軸7的末端安裝有機(jī)器人夾具6，工作時(shí)依靠機(jī)器人夾具6抓取工件5，機(jī)器人夾具6上安裝有平衡氣缸8，平衡氣缸8的伸出桿與機(jī)器人夾具6連接，平衡氣缸8通過氣路10與精密壓力傳感器9、精密比例減壓閥11和氣動(dòng)動(dòng)力源12連接，減速機(jī)3與機(jī)器人升降軸7之間設(shè)有力傳感器4，力傳感器4、精密壓力傳感器9、精密比例減壓閥11和升降伺服電機(jī)1與控制處理系統(tǒng)相連。

在升降伺服電機(jī)1通過驅(qū)動(dòng)減速機(jī)3和皮帶傳動(dòng)2帶動(dòng)機(jī)器人升降軸7、機(jī)器人夾具6、工件5做上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，平衡氣缸8在有桿腔內(nèi)產(chǎn)生向下的推力，推力的大小由氣動(dòng)動(dòng)力源12通過精密比例減壓閥11產(chǎn)生的氣壓壓力大小決定；在升降伺服電機(jī)1通過驅(qū)動(dòng)減速機(jī)3和皮帶傳動(dòng)2帶動(dòng)機(jī)器人升降軸7、機(jī)器人夾具6、工件5做下降運(yùn)動(dòng)時(shí)，平衡氣缸8在有桿腔內(nèi)產(chǎn)生向上的拉力，拉力的大小由氣動(dòng)動(dòng)力源12通過精密比例減壓閥11產(chǎn)生的氣壓壓力大小決定。同時(shí)，在上述運(yùn)動(dòng)過程中，力傳感器4用來檢測機(jī)器人升降軸7、機(jī)器人夾具6、工件5在運(yùn)動(dòng)時(shí)因自重產(chǎn)生的慣量大小，精密壓力傳感器9用來檢測平衡氣缸8有桿腔內(nèi)的實(shí)際壓力大小。

如圖2所示，控制處理系統(tǒng)包括機(jī)箱19以及安裝在機(jī)箱19內(nèi)的處理器15、運(yùn)動(dòng)板卡16、AO接口模塊17和AI接口模塊18，處理器15為微處理器，運(yùn)動(dòng)板卡16為6軸PC接口脈沖型伺服電機(jī)控制卡，AO接口模塊17為RIO/AO模擬量輸出卡，AI接口模塊18為RIO/AI模擬量輸入卡，處理器15、運(yùn)動(dòng)板卡16、AO接口模塊17和AI接口模塊18通過背板通訊20交換信息，運(yùn)動(dòng)板卡16與伺服驅(qū)動(dòng)器21連接，伺服驅(qū)動(dòng)器21為SGD7S-550A00A驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器21與升降伺服電機(jī)1連接，升降伺服電機(jī)1通過伺服驅(qū)動(dòng)器21驅(qū)動(dòng)，AO接口模塊17與精密比例減壓閥11連接，AI接口模塊18與精密壓力傳感器9和力傳感器4連接，處理器15通過通訊電纜14與信息輸入裝置13連接，信息輸入裝置13為手持式示教盒，手持式示教盒用來實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)顯示及故障報(bào)警等人機(jī)對話。

如圖3所示，處理器15內(nèi)設(shè)有一級(jí)閉環(huán)控制裝置32和二級(jí)閉環(huán)控制裝置33，一級(jí)閉環(huán)控制裝置32包括一級(jí)比較器23，一級(jí)比較器23的輸入端連接有一級(jí)A/D轉(zhuǎn)換模塊27和平衡值儲(chǔ)存模塊22，一級(jí)A/D轉(zhuǎn)換模塊27與力傳感器4連接，一級(jí)比較器23的輸出端連接有一級(jí)PID模塊24，一級(jí)PID模塊24與計(jì)算模塊26連接，平衡值儲(chǔ)存模塊22與計(jì)算模塊26之間還設(shè)有前饋增益模塊25，二級(jí)閉環(huán)控制裝置33包括與計(jì)算模塊26連接的二級(jí)比較器28，二級(jí)比較器28的輸入端還連接有二級(jí)A/D轉(zhuǎn)換模塊31，二級(jí)A/D轉(zhuǎn)換模塊31與精密壓力傳感器9連接，二級(jí)比較器28的輸出端連接有二級(jí)PID模塊29，二級(jí)PID模塊29與D/A轉(zhuǎn)換模塊30連接，D/A轉(zhuǎn)換模塊30與精密比例減壓閥11連接。

處理器15根據(jù)手持式示教盒內(nèi)輸入的數(shù)據(jù)計(jì)算出升降運(yùn)動(dòng)各階段所需的設(shè)定平衡值并儲(chǔ)存在平衡值儲(chǔ)存模塊22內(nèi)，平衡值儲(chǔ)存模塊22內(nèi)的平衡值和力傳感器4通過一級(jí)A/D轉(zhuǎn)換模塊27的轉(zhuǎn)換結(jié)果在一級(jí)比較器23中進(jìn)行比較，比較結(jié)果通過一級(jí)PID模塊24處理后傳遞給計(jì)算模塊26，計(jì)算模塊26的計(jì)算結(jié)果和精密壓力傳感器9通過二級(jí)A/D轉(zhuǎn)換模塊31的轉(zhuǎn)換結(jié)果在二次比較器28中再次比較，比較的結(jié)果通過二級(jí)PID模塊29處理后傳遞給D/A轉(zhuǎn)換模塊30，D/A轉(zhuǎn)換模塊30將結(jié)果轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號(hào)發(fā)送給精密比例減壓閥11。在機(jī)器人實(shí)際工作過程中，升降階段的速度和加速度都很大，為了保證在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下能實(shí)時(shí)精準(zhǔn)迅速的平衡因自重產(chǎn)生的慣量變化，采用了一級(jí)閉環(huán)控制裝置32和二級(jí)閉環(huán)控制裝置33的雙閉環(huán)控制模式，同時(shí)為了克服單獨(dú)使用一級(jí)PID模塊24和二級(jí)PID模塊29的控制局限，在一級(jí)閉環(huán)控制裝置32內(nèi)加入了前饋增益模塊25，使得整個(gè)控制系統(tǒng)的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)最大化，從而保證了在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下能實(shí)時(shí)精準(zhǔn)迅速的平衡因自重產(chǎn)生的慣量變化。

本發(fā)明在使用時(shí)，操作人員在手持式示教盒內(nèi)輸入機(jī)器人升降軸7、機(jī)器人夾具6和工件5重量、機(jī)器人升降軸7上升速度和加速度以及下降速度和加速度后，處理器15中的計(jì)算模塊26根據(jù)這些數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算并在平衡值儲(chǔ)存模塊22中保存升降運(yùn)動(dòng)各個(gè)階段的平衡值，當(dāng)處理器15通過運(yùn)動(dòng)板卡16控制伺服驅(qū)動(dòng)器21驅(qū)動(dòng)升降伺服電機(jī)1帶動(dòng)機(jī)器人升降軸7、機(jī)器人夾具6和工件5一同升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，處理器15同時(shí)會(huì)根據(jù)機(jī)器人升降軸7運(yùn)動(dòng)階段計(jì)算結(jié)果通過背板通訊20發(fā)送給AO接口模塊17控制命令，在這一過程中處理器15會(huì)根據(jù)力傳感器4通過AI接口模塊18的反饋結(jié)果和事先計(jì)算好的結(jié)果的比較不斷調(diào)整通過背板通訊20發(fā)送給AO接口模塊17的控制命令，同時(shí)處理器15會(huì)根據(jù)精密壓力傳感器9通過AI接口模塊18的反饋結(jié)果和發(fā)送給AO接口模塊17的控制命令的比較不斷調(diào)整通過AO接口模塊17發(fā)送給精密比例減壓閥11的電壓信號(hào)，精密比例減壓閥11通過AO接口模塊17發(fā)出的電壓信號(hào)不斷調(diào)整輸出給平衡氣缸8的氣壓壓力，平衡氣缸8通過不斷變化的氣壓壓力產(chǎn)生與機(jī)器人升降軸7上升和下降階段自重慣量變化匹配的推力或拉力，在機(jī)器人升降軸7整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中始終平衡自重產(chǎn)生的慣量變化，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人升降軸7氣動(dòng)伺服平衡自重自調(diào)節(jié)控制。