寶石磨雕機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

李向南，饒建華，王 沖，劉東升

（中國地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

自古人們就已經(jīng)開始進(jìn)行寶石加工方法和技術(shù)的探索，珠寶加工也從最開始的手工加工逐步向機(jī)械加工發(fā)展。傳統(tǒng)手工方法和機(jī)械加工設(shè)備全程需手動控制，在生產(chǎn)效率、加工精度和品質(zhì)上都有進(jìn)一步提高的必要[1]。近年來國內(nèi)外提出和發(fā)展出一些新的寶石加工技術(shù)和設(shè)備。國內(nèi)如福建省力鑫寶石機(jī)械公司生產(chǎn)了MILL-3050型自動寶石刻面研磨機(jī)，該機(jī)可自動完成寶石刻面、研磨、拋光，但僅限水晶加工且設(shè)備體積龐大。劍橋大學(xué)研制成功一種寶石加工機(jī)器人[2]可通過激光分析寶石的光學(xué)特性的數(shù)據(jù)，計算機(jī)對數(shù)據(jù)分析得出最佳加工方案并進(jìn)行自動加工，但不能實(shí)現(xiàn)新類型琢型的加工，且加工精度需要進(jìn)一步提高。

目前寶石加工控制系統(tǒng)主要有以下六個需求指標(biāo)：1）適應(yīng)性強(qiáng)，可加工材料和種類多；2）精度高，實(shí)現(xiàn)微米或更高的精度控制；3）體積小，輕便節(jié)能；4）參數(shù)通用性強(qiáng)，便于交互和規(guī)范化；5）界面友好，操作簡便智能，安全可靠；6）實(shí)現(xiàn)CAD/CAM一體化。綜觀當(dāng)前國內(nèi)外寶石加工控制設(shè)備體積龐大，控制和加工精度不高，交互性和通用性不好等缺點(diǎn)，或者不能同時克服以上缺點(diǎn)，缺乏CAD/CAM一體化功能。當(dāng)前寶石加工仍為勞動密集型產(chǎn)業(yè)，因此開發(fā)一種簡便通用，適應(yīng)性強(qiáng)的寶石自動加工機(jī)械裝備很有必要，而控制系統(tǒng)是其核心。本文基于“磨雕加工機(jī)器人”專利的機(jī)械模型和驅(qū)動方式，以Visual C++ 6.0為開發(fā)平臺，設(shè)計了對應(yīng)的寶石加工上位機(jī)控制系統(tǒng)并進(jìn)行了加工測試，系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期的加工效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 各軸運(yùn)動關(guān)節(jié)變量的計算

機(jī)器人機(jī)械臂主體機(jī)械結(jié)構(gòu)可看成兩平移兩轉(zhuǎn)動（2S2R）四個關(guān)節(jié)依次串聯(lián)而成，如圖1所示。其中X軸、Z軸平動，U軸、W軸、S軸轉(zhuǎn)動。X、Z、U、W軸控制寶石的位姿，對應(yīng)的關(guān)節(jié)變量分別為d1、d2、θ3、θ4。系統(tǒng)采用齊次變換法來求解各關(guān)節(jié)變量。將機(jī)器人各個關(guān)節(jié)間的連桿i看成剛體，在各個剛體上建立與之固連的空間右手坐標(biāo)系{i}。空間任一點(diǎn)P在坐標(biāo)系{A}和{B}中的坐標(biāo)關(guān)系如式（1）：

式（1）中，AP為點(diǎn)P在{A}中的位置矢量；

圖1 磨雕加工機(jī)器人結(jié)構(gòu)

BP為點(diǎn)P在{B}中的位置矢量；

當(dāng)進(jìn)行寶石加工時，在寶石加工面Π上選定切削點(diǎn)P，過P點(diǎn)以Π外法線方向?yàn)閆軸正向、水平方向?yàn)閅軸正向建立切削點(diǎn)右手坐標(biāo)系{C}，為關(guān)于關(guān)節(jié)變量 d1、d2、θ3、θ4的一個矩陣，由機(jī)器人固有尺寸參數(shù)以及寶石加工面傾角和分度參數(shù)可以確定式，則解上述四元方程組即可得到四個關(guān)節(jié)變量的表達(dá)式。加工時只需要使各軸按照關(guān)節(jié)變量的要求運(yùn)動到相應(yīng)的位置和姿態(tài)即可完成該表面的加工。

1.2 上位機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計

圖2 控制系統(tǒng)各個模塊劃分

常規(guī)寶石琢型只需要給定初始參數(shù)即可確定其最終形狀，因此適合自動加工；對于寶石局部修飾或自定義琢型的加工，需能夠獨(dú)立靈活控制各軸運(yùn)動。基于以上需求分析，系統(tǒng)總體設(shè)計分為指令和程控兩種加工模式，指令模式通過用戶直接或間接方式向運(yùn)動軸發(fā)送指令或指令集實(shí)現(xiàn)各軸運(yùn)動；程控模式根據(jù)琢型和加工類別，通過指定幾何參數(shù)和運(yùn)動由程序自動完成加工。同時為使用戶能實(shí)時了解加工狀態(tài)，系統(tǒng)需設(shè)置加工狀態(tài)同步顯示。考慮到安全性和簡易性，系統(tǒng)需要有一定的提示、限位和糾錯功能，以減少誤操作或誤動作。綜上，劃分系統(tǒng)模塊如圖2所示。

系統(tǒng)面板左側(cè)設(shè)計為專用G代碼管理區(qū)，右側(cè)標(biāo)簽頁為指令/程控模式控制區(qū)。指令模式標(biāo)簽頁為默認(rèn)的活動標(biāo)簽頁；第二標(biāo)簽頁設(shè)計為程控加工的入口，通過點(diǎn)選琢型圖標(biāo)進(jìn)入對應(yīng)琢型控制界面。

1.2.1 指令模式控制面板設(shè)計

指令模式標(biāo)簽頁按照數(shù)控機(jī)床控制面板的操作習(xí)慣布局，劃分為全局控制、進(jìn)給設(shè)置、主軸控制、數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)定、運(yùn)動控制和加工控制7個區(qū)。

全局控制區(qū)進(jìn)行全局和輔助功能控制，有6個相應(yīng)功能鍵：急停、回原點(diǎn)、設(shè)置原點(diǎn)、回零、復(fù)位和冷卻，分別用于緊急停車、各軸回到系統(tǒng)坐標(biāo)系原點(diǎn)、設(shè)置用戶坐標(biāo)系原點(diǎn)、回到用戶坐標(biāo)系原點(diǎn)、程序運(yùn)行異常時重新初始化、冷卻水開關(guān)等功能的實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)給設(shè)置區(qū)進(jìn)行單軸運(yùn)動的進(jìn)給方式選和脈沖倍率選擇。系統(tǒng)提供“手動進(jìn)給”、“手動脈沖”和“電子手輪”三種進(jìn)給方式。“手動進(jìn)給”通過按鈕控制某軸的常速和快速運(yùn)動，主要用于大行程運(yùn)動的快速完成。“手動脈沖”實(shí)現(xiàn)某軸的常速運(yùn)動；分X1～X1000四個倍率檔，用于完成常速運(yùn)動和各軸微調(diào)。“電子手輪”通過手輪來控制各軸的運(yùn)動方向以及速率，控制簡便靈活，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制。

主軸控制區(qū)進(jìn)行磨盤主軸的運(yùn)動控制。數(shù)據(jù)顯示區(qū)實(shí)時顯示各軸脈沖、坐標(biāo)和速度等信息。參數(shù)設(shè)定區(qū)進(jìn)行多軸聯(lián)動和半自動加工的參數(shù)設(shè)定。運(yùn)動控制區(qū)實(shí)現(xiàn)單軸或多軸聯(lián)合控制。

加工控制區(qū)實(shí)現(xiàn)半自動加工功能。 “半自動加工”又分“直接”、“參考點(diǎn)”和“自動換面”三種方式。“直接”方式實(shí)現(xiàn)單面的磨削或者拋光加工；“參考點(diǎn)”方式自動記錄加工最低點(diǎn)（參考點(diǎn)），用于均勻加工深度的同一傾角的多個分度面的連續(xù)加工；“自動換面”方式可完成均勻深度、等傾角、同圓周均布的多分度面的一次性磨削和拋光加工。

最終設(shè)計完成指令模式加工控制面板如圖3所示。

圖3 指令模式控制面板

1.2.2 程控模式控制面板設(shè)計

“程控”模式可對已有標(biāo)準(zhǔn)琢型進(jìn)行自動加工，除初始參數(shù)設(shè)置、換裝夾和對刀，不需其他人工干預(yù)。分別選擇四種常規(guī)刻面琢型和弧面琢型作為琢型加工入口，點(diǎn)選對應(yīng)圖標(biāo)可進(jìn)入該琢型的自動加工面板。以磨削加工為例，其操作流程設(shè)計如表1。根據(jù)操作流程并綜合輔助功能要求，設(shè)計特定琢型自動加工控制面板，并劃分為坯體參數(shù)、加工控制、運(yùn)行狀態(tài)和圖形顯示4個區(qū)，并提供菜單功能。

表1 刻面琢型自動磨削加工流程（從左至右）

坯體參數(shù)區(qū)設(shè)定寶石琢型的目標(biāo)幾何參數(shù)。加工控制區(qū)設(shè)定加工工藝參數(shù)和啟停控制，并提供坯體高度參數(shù)的軟件測量功能。狀態(tài)顯示區(qū)同步顯示各軸絕對位置和速度、加工時間和進(jìn)度、當(dāng)前加工面等信息。圖形顯示區(qū)根據(jù)輸入的參數(shù)自動生成寶石幾何圖形預(yù)覽，可作為調(diào)整設(shè)計參數(shù)的參照，并在加工時同步顯示琢型幾何外形變化，以直觀反映加工過程和進(jìn)度。

菜單功能又分為系統(tǒng)菜單和圖形區(qū)上下文菜單。系統(tǒng)菜單進(jìn)行參數(shù)和加工變量的輸入輸出，以及完工后的動作等功能，提高了操作效率和參數(shù)的可重用性。圖形區(qū)上下文菜單提供圖形區(qū)隱藏、刷新、顏色設(shè)定等功能。以57面圓鉆[5]為例，最終設(shè)計完成琢型自動加工控制面板如圖4所示。

圖4 57面圓鉆自動加工控制面板

1.3 控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

1.3.1 運(yùn)動控制功能的實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人X軸、Y軸、Z軸和W軸通過電機(jī)配套驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動；通過調(diào)用驅(qū)動器系統(tǒng)的運(yùn)動控制函數(shù)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動指令的調(diào)用。點(diǎn)選控制鍵之后，在消息響應(yīng)函數(shù)中調(diào)用運(yùn)動控制函數(shù)發(fā)送運(yùn)動指令到控制器，控制器向伺服驅(qū)動器發(fā)出脈沖和方向信號，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制。S軸由交流電動機(jī)驅(qū)動，通過專用調(diào)速器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

在運(yùn)動控制中，運(yùn)動軸的單脈沖增量不為有限小數(shù)或不便于編程計算，并且給定的目標(biāo)運(yùn)動增量對應(yīng)的脈沖數(shù)一般不為整數(shù)，若直接四舍五入或進(jìn)行其他近似處理方式，則會造成運(yùn)動誤差的累計。因此，解決控制脈沖的誤差是一個關(guān)鍵問題。

系統(tǒng)使用“當(dāng)量脈沖法”和“全局變量法”解決該問題。首先以方便編程為原則，根據(jù)控制精度和實(shí)際需要確定各軸的最小運(yùn)動增量Ai，根據(jù)Ai換算出各軸對應(yīng)的脈沖數(shù)Pei，將Pei稱作當(dāng)量脈沖。全局變量算法如圖5所示，假設(shè)本次預(yù)發(fā)送脈沖數(shù)為P0，實(shí)際應(yīng)發(fā)送脈沖數(shù)為P1，系統(tǒng)啟動時在內(nèi)存中建立全局變量G以保存各軸的累計應(yīng)接收的脈沖數(shù)；系統(tǒng)構(gòu)建了一個脈沖圓整函數(shù)f，每次調(diào)用運(yùn)動函數(shù)前首先調(diào)用f，f根據(jù)G對P0進(jìn)行綜合的判斷處理計算出P1，然后將P1作為傳遞給運(yùn)動函數(shù)的脈沖值參數(shù)，同時更新G的值。各軸以Pei為最小單位編程，既滿足了精度要求又方便了編程計算；使用G算法累計應(yīng)接收的脈沖數(shù)沒有累積誤差，單次接收的脈沖數(shù)的絕對誤差不大于1個步進(jìn)脈沖，從而保證了系統(tǒng)的控制精度。最終各軸當(dāng)量脈沖和對應(yīng)運(yùn)動增量確定如表2，運(yùn)動控制功能原理如圖6所示。

圖5 全局變量算法框圖

表2 各軸當(dāng)量脈沖和對應(yīng)運(yùn)動增量

圖6 運(yùn)動控制功能原理框圖

1.3.2 其他功能的實(shí)現(xiàn)

其他功能包括參數(shù)交互、狀態(tài)更新和輔助功能。

系統(tǒng)前后臺參數(shù)交互通過Visual C++的DDX技術(shù)[6]實(shí)現(xiàn)。狀態(tài)更新即狀態(tài)顯示的同步更新，通過設(shè)置系統(tǒng)定時器來實(shí)現(xiàn)，每隔一個定時間隔系統(tǒng)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)重算和更新并將傳送至前臺。

輔助功能包括軟件限位、消息通知和智能提示三個方面。軟件限位即對各輸入預(yù)定有效范圍和內(nèi)部邏輯關(guān)系，對無效數(shù)據(jù)和操作進(jìn)行錯誤提示并自動取消操作。消息通知即對關(guān)鍵操作增加消息框進(jìn)行二次確認(rèn)。智能提示包含按鍵動態(tài)禁用與啟用，狀態(tài)提示符隨用戶選擇和系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)而動態(tài)變化，簡明安全，可極大程度避免誤操作和誤動作。

輔助功能的實(shí)現(xiàn)使操作更加簡明，提高了系統(tǒng)的安全性和交互性。

1.4 系統(tǒng)調(diào)試

經(jīng)反復(fù)調(diào)試和實(shí)際測試，軟件系統(tǒng)可長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，不會干擾計算機(jī)其他操作和其他軟件的運(yùn)行，未出現(xiàn)邏輯錯誤、跑飛和死機(jī)的情況。

2 測試加工

為了驗(yàn)證軟件控制系統(tǒng)的可行性，進(jìn)行了57面標(biāo)準(zhǔn)圓鉆的磨削和拋光試驗(yàn)，試驗(yàn)材料是氧化鋯晶體，加工試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，57面圓鉆各個圓周分度面分度均勻，對應(yīng)傾角一致，加工深度一致，加工效果良好。經(jīng)拋光后的加工表面平整光滑，表面粗糙度低，達(dá)到了鏡面效果。

圖7 氧化鋯材料的57面圓鉆頂面面組拋光試樣（左）和底面面組拋光試樣（右）

綜上，控制系統(tǒng)的設(shè)計達(dá)到了預(yù)期的效果，表明了控制算法和軟件實(shí)現(xiàn)是可行的。

3 結(jié)論

設(shè)計基于“磨雕加工機(jī)器人”，以Visual C++6.0為平臺開發(fā)的寶石加工軟件控制系統(tǒng)具有可視化、交互式、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。利用當(dāng)量脈沖法統(tǒng)一了脈沖單位，降低運(yùn)動控制編程的計算量；利用全局變量法克服了軟件控制系統(tǒng)累計誤差的產(chǎn)生，保證了控制精度。經(jīng)過實(shí)際加工測試，達(dá)到了良好的加工效果，具有較好的應(yīng)用前景。

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