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      基于開放性系統的折彎機器人控制系統的開發

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-25 13:10:22    瀏覽次數:7    評論:0
      導讀

      隨著近年來國內的人口紅利的逐漸消失,自動化取代傳統的人工操作越來越受到關注。金屬板材加工行業屬于典型的勞動強度大、危險系數高、工作環境惡劣的勞動密集型產業,機器人輔助自動化折彎成為近年來行業發展的熱點。自動化折彎加工單元的典型構成如圖1所示,主要由立柱、橫梁、Y軸懸臂梁、Z軸懸臂梁、手腕、控制柜

      1 引言

      隨著近年來國內的人口紅利的逐漸消失,自動化取代傳統的人工操作越來越受到關注。金屬板材加工行業屬于典型的勞動強度大、危險系數高、工作環境惡劣的勞動密集型產業,機器人輔助自動化折彎成為近年來行業發展的熱點。

      自動化折彎加工單元的典型構成如圖1所示,主要由立柱、橫梁、Y軸懸臂梁、Z軸懸臂梁、手腕、控制柜、示教器等部分構成。與數控折彎搭配,另外配備定位臺、毛坯料臺、成品料庫、工裝夾具等附屬部件,構成自動化折彎加工單元。此折自動化折彎加工單元可以實現整個加工流程的全自動化操作,包括自動抓取待加工板料、自動折彎、自動碼垛。

      圖1 自動化折彎加工單元

      與通用機器人相同,折彎機器人主要由機器人本體、控制系統兩大部分組成。其中機器人控制系統被看作是除了減速機之外的最核心的部件,其性能對機器人的整體性能具有決定性影響。機器人控制系統的主要任務是控制機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡,動作時序等,其技術水平決定著機器人的技術水平。機器人控制系統的開發也被認為是機器人開發的最為基礎的、底層的工作。

      本文結合公司的B20型折彎機器人的開發項目,采用Beckhoff的基于PC的開放性系統平臺,專門針對自動化折彎工藝,開發了折彎機器人專用控制系統。

      2 硬件系統設計

      機器人控制系統主要包括硬件系統和軟件系統,硬件系統是實現各種運動控制和邏輯控制的物理載體,對整機的性能、擴展性以及制造成本具有決定性影響。本文開發的折彎機器人控制系統的控制器、I/O模塊、Ethercat擴展模塊等采用Beckhoff公司的集成式模塊化產品,搭配匯川第三方的伺服驅動器和伺服驅動電機。所搭建的硬件系統結構緊湊,安裝方便,成本合理。

      硬件組成部分如圖2所示,主要包括CX5140-0123運動控制器,2個EL1809數字量輸入模塊,兩個EL2809數字量輸出模塊,一個EL3062模擬量輸入模塊1個EK1110型EtherCAT總線拓展模塊,搭配一個Kinco SZ7ES型手持示教器、兩個GT-H10型位移傳感器,以及六個軸的伺服驅動器及電機組成。

      圖2 硬件系統構成

      其中的嵌入式PC,CX5140控制器是TwinCAT NC PTP級別的控制器,支持“點——點”運動控制任務的編寫,也可以安裝一些插件來支持電子凸輪,飛據等功能。該控制器結構緊湊,模塊化設計,采用插槽安裝,便于安裝。與兩個EL1809數字量輸入模塊、兩個EL2809數字輸出模塊、一個ErherCAT接口擴展模塊EK1110順序插裝成為一體。Kinco的SZ7ES型示教器通過Profibus直接與控制器連接。HB0412型數控折彎機直接與數字輸入模塊EL1809、數字輸出模塊EL2809相連,用于I/O信號的交互。兩個基恩士的GT-H10型位移傳感器與一個雙通道的EL3062模擬量輸入模塊相連接,用于對后檔指位置進行實時反饋。EtherCAT接口擴展模塊EK1110通過網線與X軸、Y軸、Z軸、A軸、B軸、C軸伺服驅動器依次串聯。整個硬件系統以最便捷的方式進行連接,而且后續可以繼續串聯更多的伺服驅動和電機,具有更好的擴展性。

      3 軟件系統的設計

      對本項目研發的折彎機器人而言,硬件系統與市場上通用的機器人并無本質區別,由于折彎工藝的特殊性,其區別主要體現在軟件層面上,折彎機器人整個工作流程如圖3所示。

      其中的步驟5的折彎隨動程序是整個流程的核心,需要數控折彎機與機器人間的協同工作,二者協同動作的軌跡精度及同步性對整個折彎過程具有決定性影響,具體的I/O信號及流程如圖4所示。

      根據上述的工作流程,在TwinCAT中采用ST語言進行相應程序的編寫,并根據用戶的使用習慣,開發了整套控制軟件系統。軟件系統的HMI界面如圖 5、6、7、8 所示,主要由主界面(main)、手動模式(JOG)、示教界面(Teach)、測試(Test)、接口變量(IO)、配方(Recipe)、報警(Alarm)、文件保存(Save)等頁面組成。界面清晰,友好,易于操作。界面簡單,可擴展性好,可以根據客戶的需求進行個性化定制。

      4 隨動算法的開發

      圖3 折彎機器人工作流程圖

      圖4 折彎隨動的控制流程圖

      圖5 主界面,程序的入口界面

      圖6 JOG界面(手動模式界面)

      圖7 接口變量信號

      圖8 示教界面

      機器人進行自動化折彎時,最關鍵也是最難實現的動作就是折彎隨動動作。機器人在進行折彎隨動過程中,機器人末端的夾具需要跟折彎機滑塊的動作做同步的協同的動作,如果機器人的跟隨軌跡失真,輕則影響折彎加工精度,重則造成設備損壞引發安全事故。因此,本節將重點對自動化折彎單元的折彎隨動這一關鍵技術進行研究。

      折彎隨動過程的動作原理如圖9所示,以A軸心的運動軌跡為分析對象,折彎隨動過程需要折彎機和機器人的協調配合來完成,其中機器人的動作需要Y軸、Z軸、A軸三軸聯動來完成。一般情況下,采用固定安裝于夾具上的真空吸盤吸取板材,真空吸盤有一定的緩沖距離,可以實現跟隨過程中A軸角度誤差的補償。因此,跟隨運動過程中,A軸的角度的精度要求不高,根據實際使用經驗10°~15°角度誤差對折彎精度不會產生影響,完全在可以接受的范圍內。但是,隨動運動過程中對DZ、DY與DA之間的位置關系有較高要求,否則會出現軌跡失真,引起吸盤在板材表面的滑動,影響折彎精度和設備運轉的可靠性。

      圖9 折彎隨動過程原理圖

      隨動過程的Y軸、Z軸、A軸的運動學反解過程如下:

      式中:β——板材的翻轉角度;

      B——模具槽口寬度;

      K1——板厚補償系數:與板厚和槽口寬度相關,可以通過實驗的方法獲得;

      D——滑塊工進;

      Dy——Y軸進給量;

      L——夾具距離;

      H——夾具高度;

      Dz——Z軸進給量;

      DA——A軸進給量。

      根據式2、3、4求得的Y軸、Z軸、A軸運動學反解的顯式解,采用Beckhoff的CX5140-0123運動控制器作為機器人的核心控制單元,并基于 TwinCAT軟件開發平臺,采用ST語言完成了隨動算法的功能模塊(function Block)開發,該功能模塊的具體程序內容如下:

      在TwinCAT中編寫完“Bending_Following”功能模塊后,編譯后直接生成“Bending_Following.lib”標準庫文件,在PLC程序中直接調用即可,并運用Twin-CAT NC自帶的電子凸輪功能對折彎隨動過程進行運動控制。

      5 總結

      本文采用Beckhoff的基于PC的開放性系統平臺,完成了折彎機器人專用控制系統的硬件系統、軟件系統、折彎隨動算法的開發,并運用TwinCAT NC自帶的電子凸輪功能對折彎隨動過程進行運動控制,大幅提升控制系統運動控制的動態響應速度。

      在實際使用中,該控制系統性能可靠,可擴展性好,界面友好易于操作,運動控制響應速度更快,動作順滑流暢。

      參考文獻:

      [1] 金鈺飛,樓佩煌,等.開放式折彎機器人控制系統及其折彎跟隨技術研究[J].制造業自動化,2013,(12):23-25,29.

      [2] 李仲煒.計算機輔助折彎軟件及其在數控折彎機上的應用[D].南京:東南大學,2010.

      [3] 趙建東.基于PC開放式數控系統的全自動數控折彎機的研究與設計[D].天津:天津工業大學,2014.

      [4] 蔡自興,等.機器人學基礎[M].北京:機械工業出版社,2015.

      [5] 李元元.直角坐標機器人路徑規劃與精密運動控制[D].北京:華北電力大學,2011.

      [6]許 陽.基于CPAC的六自由度開放式機器人控制系統的開發[D].廣東:廣東工業大學,2013.


       
      (文/小編)
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