機器人升降軸氣動伺服平衡自重自調節控制系統及方法與流程

本發明屬于鈑金加工行業用軌道式五自由度直角坐標型機器人自動控制技術領域，具體涉及一種機器人升降軸氣動伺服平衡自重自調節控制系統及方法。

背景技術：

在制造業轉型升級的當下環境中，人口老年化問題日益突出，用工荒現象日益增多，作為制造業基礎的鈑金加工行業也同樣如此。為了提高利潤和發展空間，目前在鈑金加工行業已開始逐步使用工業機器人替代人工工作。

目前在鈑金行業中應用的機器人類型有軌道式直角坐標型、球面坐標型和多關節型，因鈑金件的特點和加工方式較其他行業不同，軌道式五自由度直角坐標型機器人更適用于鈑金行業，所以目前使用量較多。

直角坐標型機器人具有空間相互垂直的兩根或三根直線移動軸，通過直角坐標方向的3個獨立自由度確定其手部位置，其工作空間為一長方體。在直角坐標系Z方向運動的我們稱為機器人的升降軸，升降軸通過升降伺服電機驅動減速機和皮帶的方式控制升降軸做升降運動，為了降低升降伺服電機的功率，提高升降方向運動的穩定性和精度，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氣缸平衡升降軸及工件的自重。

通過氣動氣缸平衡自重的工作原理是通過調節氣缸內壓力產生與重力方向相反的力來平衡升降軸及工件的自重，升降軸上升時氣缸產生向下的推力，升降軸下降時氣缸產生向上的拉力。現在的做法是當機器人要抓取的工件重量發生改變時，操作人員只能靠經驗手動調節壓力閥改變氣缸內壓力來平衡自重，在整個升降運動過程中氣缸內壓力只能平衡升降軸靜止狀態下的自重。但是在實際使用過程中，升降軸在上升和下落及停止時會由自重產生一個不斷變化的慣量，這種慣量的變化除了對機械裝置造成一定的損耗，還會造成升降伺服電機輸出力矩急劇變化，導致升降運動和定位精度不穩定，進而造成加工產品質量不穩定，給用戶帶來不必要的經濟損失。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有技術中存在的操作人員只能靠經驗手動調節壓力閥改變氣缸內壓力來平衡自重以及在整個升降運動過程中氣缸內壓力只能平衡升降軸靜止狀態下自重的技術問題，提供一種機器人升降軸氣動伺服平衡自重自調節控制系統及方法。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案：一種機器人升降軸氣動伺服平衡自重自調節控制系統，包括升降伺服電機，所述升降伺服電機與減速機連接，所述減速機通過皮帶傳動與機器人升降軸連接，所述機器人升降軸的末端安裝有機器人夾具，所述機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動力源連接，所述減速機與機器人升降軸之間設有力傳感器，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與控制處理系統相連。

進一步地，所述控制處理系統包括機箱以及安裝在機箱內的處理器、運動板卡、AO接口模塊和AI接口模塊，所述處理器、運動板卡、AO接口模塊和AI接口模塊通過背板通訊交換信息，所述運動板卡與伺服驅動器連接，所述伺服驅動器與升降伺服電機連接，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。

進一步地，所述處理器內設有一級閉環控制裝置和二級閉環控制裝置，所述一級閉環控制裝置包括一級比較器，所述一級比較器的輸入端連接有一級A/D轉換模塊和平衡值儲存模塊，所述一級A/D轉換模塊與力傳感器連接，所述一級比較器的輸出端連接有一級PID模塊，所述一級PID模塊與計算模塊連接，所述二級閉環控制裝置包括與計算模塊連接的二級比較器，所述二級比較器的輸入端還連接有二級A/D轉換模塊，所述二級A/D轉換模塊與精密壓力傳感器連接，所述二級比較器的輸出端連接有二級PID模塊，所述二級PID模塊與D/A轉換模塊連接，所述D/A轉換模塊與精密比例減壓閥連接。

進一步地，所述平衡值儲存模塊與計算模塊之間還設有前饋增益模塊。

進一步地，所述信息輸入裝置為手持式示教盒。

進一步地，所述運動板卡為6軸PC接口脈沖型伺服電機控制卡。

進一步地，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。

一種機器人升降軸氣動伺服平衡自重自調節控制方法，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器人升降軸、機器人夾具和工件的重量、機器人升降軸上升速度和加速度以及下降速度和加速度；

B、處理器中的計算模塊根據這些數據自動計算并在平衡值儲存模塊中保存機器人升降軸升降運動各階段的平衡值；

C、當處理器通過運動板卡控制伺服驅動器驅動升降伺服電機帶動機器人升降軸、機器人夾具和工件一同升降運動時，處理器會根據機器人升降軸運動階段計算結果通過背板通訊發送給AO接口模塊控制命令；

D、處理器根據力傳感器通過AI接口模塊的反饋結果和事先計算好的結果的比較不斷調整通過背板通訊發送給AO接口模塊的控制命令，同時處理器會根據精密壓力傳感器通過AI接口模塊的反饋結果和發送給AO接口模塊的控制命令的比較不斷調整通過AO接口模塊發送給精密比例減壓閥的電壓信號；

E、精密比例減壓閥通過AO接口模塊發出的電壓信號不斷調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生與機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。

本發明相對現有技術具有以下有益效果：本發明的機器人升降軸氣動伺服平衡自重自調節控制系統是在減速機與機器人升降軸之間設有力傳感器，同時安裝在機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動力源連接，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通過控制處理系統控制，當機器人升降軸運動（上升或下降）因自重產生的慣量發生變化時，本發明可自調節平衡氣缸內的空氣壓力，從而產生與機器人升降軸運動相匹配的推力和拉力，在機器人升降軸整個運動過程中做到始終平衡自重產生的慣量，有效解決了現有機器人升降軸升降運動中因自重產生的慣量變化所帶來的一系列問題，從而延長了機械裝置的使用壽命，同時變手動調節為自動調節，保證了機器人升降軸的穩定性，進而保證了加工產品質量的一致性。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明控制處理系統的結構示意圖；

圖3為本發明處理器內部結構示意圖。

本發明附圖標記含義如下：1、升降伺服電機；2、皮帶傳動；3、減速機；4、力傳感器；5、工件；6、機器人夾具；7、機器人升降軸；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、氣動動力源；13、信息輸入裝置；14、通訊電纜；15、處理器；16、運動板卡；17、AO接口模塊；18、AI接口模塊；19、機箱；20、背板通訊；21、伺服驅動器；22、平衡值儲存模塊；23、一級比較器；24、一級PID模塊；25、前饋增益模塊；26、計算模塊；27、一級A/D轉換模塊；28、二級比較器；29、二級PID模塊；30、D/A轉換模塊；31、二級A/D轉換模塊；32、一級閉環控制裝置；33、二級閉環控制裝置。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明。

如圖1所示，一種機器人升降軸氣動伺服平衡自重自調節控制系統，包括升降伺服電機1，升降伺服電機為SGM7G-75AFC6C伺服電機，升降伺服電機1與減速機3連接，減速機3通過皮帶傳動2與機器人升降軸7連接，機器人升降軸7的末端安裝有機器人夾具6，工作時依靠機器人夾具6抓取工件5，機器人夾具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和氣動動力源12連接，減速機3與機器人升降軸7之間設有力傳感器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1與控制處理系統相連。

在升降伺服電機1通過驅動減速機3和皮帶傳動2帶動機器人升降軸7、機器人夾具6、工件5做上升運動時，平衡氣缸8在有桿腔內產生向下的推力，推力的大小由氣動動力源12通過精密比例減壓閥11產生的氣壓壓力大小決定；在升降伺服電機1通過驅動減速機3和皮帶傳動2帶動機器人升降軸7、機器人夾具6、工件5做下降運動時，平衡氣缸8在有桿腔內產生向上的拉力，拉力的大小由氣動動力源12通過精密比例減壓閥11產生的氣壓壓力大小決定。同時，在上述運動過程中，力傳感器4用來檢測機器人升降軸7、機器人夾具6、工件5在運動時因自重產生的慣量大小，精密壓力傳感器9用來檢測平衡氣缸8有桿腔內的實際壓力大小。

如圖2所示，控制處理系統包括機箱19以及安裝在機箱19內的處理器15、運動板卡16、AO接口模塊17和AI接口模塊18，處理器15為微處理器，運動板卡16為6軸PC接口脈沖型伺服電機控制卡，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、運動板卡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，運動板卡16與伺服驅動器21連接，伺服驅動器21為SGD7S-550A00A驅動器，伺服驅動器21與升降伺服電機1連接，升降伺服電機1通過伺服驅動器21驅動，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現設備參數設定、狀態顯示及故障報警等人機對話。

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

處理器15根據手持式示教盒內輸入的數據計算出升降運動各階段所需的設定平衡值并儲存在平衡值儲存模塊22內，平衡值儲存模塊22內的平衡值和力傳感器4通過一級A/D轉換模塊27的轉換結果在一級比較器23中進行比較，比較結果通過一級PID模塊24處理后傳遞給計算模塊26，計算模塊26的計算結果和精密壓力傳感器9通過二級A/D轉換模塊31的轉換結果在二次比較器28中再次比較，比較的結果通過二級PID模塊29處理后傳遞給D/A轉換模塊30，D/A轉換模塊30將結果轉換成對應的電壓信號發送給精密比例減壓閥11。在機器人實際工作過程中，升降階段的速度和加速度都很大，為了保證在高速運動狀態下能實時精準迅速的平衡因自重產生的慣量變化，采用了一級閉環控制裝置32和二級閉環控制裝置33的雙閉環控制模式，同時為了克服單獨使用一級PID模塊24和二級PID模塊29的控制局限，在一級閉環控制裝置32內加入了前饋增益模塊25，使得整個控制系統的動能實現最大化，從而保證了在高速運動狀態下能實時精準迅速的平衡因自重產生的慣量變化。

本發明在使用時，操作人員在手持式示教盒內輸入機器人升降軸7、機器人夾具6和工件5重量、機器人升降軸7上升速度和加速度以及下降速度和加速度后，處理器15中的計算模塊26根據這些數據自動計算并在平衡值儲存模塊22中保存升降運動各個階段的平衡值，當處理器15通過運動板卡16控制伺服驅動器21驅動升降伺服電機1帶動機器人升降軸7、機器人夾具6和工件5一同升降運動時，處理器15同時會根據機器人升降軸7運動階段計算結果通過背板通訊20發送給AO接口模塊17控制命令，在這一過程中處理器15會根據力傳感器4通過AI接口模塊18的反饋結果和事先計算好的結果的比較不斷調整通過背板通訊20發送給AO接口模塊17的控制命令，同時處理器15會根據精密壓力傳感器9通過AI接口模塊18的反饋結果和發送給AO接口模塊17的控制命令的比較不斷調整通過AO接口模塊17發送給精密比例減壓閥11的電壓信號，精密比例減壓閥11通過AO接口模塊17發出的電壓信號不斷調整輸出給平衡氣缸8的氣壓壓力，平衡氣缸8通過不斷變化的氣壓壓力產生與機器人升降軸7上升和下降階段自重慣量變化匹配的推力或拉力，在機器人升降軸7整個運動過程中始終平衡自重產生的慣量變化，實現了機器人升降軸7氣動伺服平衡自重自調節控制。