自動換刀機械手控制系統(tǒng)分析

張繼紅

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧629000）

機器人控制系統(tǒng)是加工中心換刀機械手的中樞系統(tǒng)，是控制機器人有條不紊工作的保證。自動換刀機械手的主要任務(wù)是完成作業(yè)順序，控制位置姿勢，進行路徑規(guī)劃，并調(diào)節(jié)作用在抓舉物上的力或力矩大小。作為加工中心自動換刀機械手，要求準(zhǔn)確地把主軸上的刀具卸下并裝入刀庫中，把下工序的刀具取出并裝入主軸上。而控制系統(tǒng)涉及電子、電氣、自動控制、計算機、人工智能的復(fù)雜體系，是跨學(xué)科綜合性的技術(shù)。而關(guān)節(jié)機械手換刀目的就是安裝調(diào)試后可用于不同商家的加工中心，可簡化刀庫設(shè)計。這樣可以形成一系列獨立的、通用的加工中心換刀設(shè)備，具有廣泛的市場性。

1 機械手控制系統(tǒng)分類

由于機械手是多關(guān)節(jié)的連桿系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的分類按不同標(biāo)準(zhǔn)有不同劃分。按照控制系統(tǒng)對工作環(huán)境變化的適應(yīng)分有程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)及人工智能控制系統(tǒng)。按照運動坐標(biāo)方式來分有關(guān)節(jié)空間運動控制和直角坐標(biāo)空間運動控制。按照運動控制器分為以單片機為核心的機器人控制系統(tǒng)、以PLC為核心的機器人控制系統(tǒng)、基于IPC+運動控制器的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)。按運動量控制方式將機器人控制分為位置控制、速度控制和力控制三類。

2 機械手控制系統(tǒng)組成

作為機械手最核心的控制系統(tǒng)，是機器人按照指令操作或適應(yīng)周圍環(huán)境的必要保證，它的組成部分[1]如圖1所示。控制計算機是控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮中心，可以為微型機、微處理器有32位、64位等。示教盒是示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，還有人機交互操作等，具有獨立的CPU以及存儲單元，可以與主計算機之間實現(xiàn)信息交互。操作面板上面分布有各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈，完成基本功能操作。硬盤用來存儲機器人工作程序的外圍存設(shè)備。數(shù)字和模擬量輸入輸出（I/O），完成各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。打印機接口，打印需要輸出的各種信息。

圖1 機械手控制系統(tǒng)組成

傳感器接口實現(xiàn)信息的自動檢測，適應(yīng)外部環(huán)境控制，一般為力覺傳感、觸覺傳感和視覺傳感器等。軸控制器可以實現(xiàn)機器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。輔助設(shè)備控制實現(xiàn)機器人配合的輔助設(shè)備控制，例如手爪變位器。通信接口用于實現(xiàn)機器人和其他設(shè)備的信息交換，分為串行接口、并行接口等。網(wǎng)絡(luò)接口通過光纖或WIFI完成網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，如國際互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)等。

3 機械手控制方式

根據(jù)不同的分類方法機器人控制方式分為不同類型。按總體控制方式可以劃分為動作控制方式和示教控制方式；按照坐標(biāo)分為關(guān)節(jié)空間運動控制和直角坐標(biāo)空間運動控制；按軌跡可分為點位控制和連續(xù)控制；按照系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)分為程序控制、自適應(yīng)控制、人工智能控制。按照運動方式可以分為位置控制[2]、速度控制、加速度控制、力控制、力位混合控制等。

為了體現(xiàn)換刀機械手的通用性和靈活性，通常設(shè)計成關(guān)節(jié)機器人。按照控制量所處空間的不同，機器人控制采用關(guān)節(jié)空間的控制方式和直角坐標(biāo)空間運動控制。對于串聯(lián)式多關(guān)節(jié)機器人，關(guān)節(jié)空間的控制是針對機器人各個關(guān)節(jié)的變量進行的控制，直角坐標(biāo)空間運動控制是針對機器人末端的變量進行的控制。下面是兩種先進的機器人控制方式。

自適應(yīng)控制是當(dāng)系統(tǒng)的輸入或干擾發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)或控制策略，使輸出仍能達到設(shè)計的目標(biāo)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。這樣提高了對環(huán)境的適應(yīng)能力。系統(tǒng)通過對隨機變量狀態(tài)的觀測和系統(tǒng)模型的辨識，設(shè)法達到一定的控制指標(biāo)?？煞譃槟Ｐ蛥⒖甲赃m應(yīng)控制系統(tǒng)、自校正控制系統(tǒng)、自尋優(yōu)控制系統(tǒng)、變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)和智能自適應(yīng)控制系統(tǒng)等。

圖2 自校正控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

另外一種是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，它是智能控制分支，能解決復(fù)雜的非線性、不確定系統(tǒng)的控制問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。神經(jīng)控制是有學(xué)習(xí)能力的控制。比如神經(jīng)預(yù)測控制、神經(jīng)逆系統(tǒng)控制等。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 機械手控制系統(tǒng)的應(yīng)用

下面以FANUC F[3]為例，說明其控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各部分的功能特點，如圖4所示。

圖4 F A N U C F控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

主控單元是控制系統(tǒng)的中樞，有主板、CPU、FROM/SRAM組件及伺服卡，作用為控制器內(nèi)部及外圍設(shè)備的信號處理與交換。

示教器用來完成機器人編程操作，以及顯示控制器狀態(tài)和數(shù)據(jù)。電源單元其作用由變壓器向電源分配單元輸入230 V交流電，通過單元電源分配功能對控制箱內(nèi)部各工作板卡輸出210 V交流電及±15 V、＋24 V 直流電。

伺服放大器用來提供伺服電機驅(qū)動電源，還可以與絕對值編碼器實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并與主控機間采用光纖傳輸數(shù)據(jù)進行實時信號反饋。

安全保護電路作用是變壓器直接向急停單元供電，接入內(nèi)部各控制板卡形成保護回路進行電路保護。

輸入/輸出模塊其標(biāo)配為ModuleA/B，并通過擴展槽安裝Profibus板和過程控制板與PLC[4]及外圍設(shè)備進行通信。急停電路作用為控制緊急停止系統(tǒng)、伺服放大器的電磁接觸器。

5 結(jié)束語

自動換刀機械手要準(zhǔn)確靈活地完成換刀，涉及到多種變量的精確控制，例如要完成各關(guān)節(jié)速度和末端速度的控制，完成關(guān)節(jié)驅(qū)動力，力矩與外載荷的控制，另外還要完成機械手末端的位姿精確控制，具有很強的實時控制要求。

[1]韓建海.工業(yè)機器人[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012.

[2]劉極峰.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]郭彤穎.機器人學(xué)及其智能控制[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[4]【美】約翰·埃歐文.PIC機器人學(xué)習(xí)指南[M].北京：科學(xué)出版社，2005.