（机械制造及其自动化专业论文）弯丝机器人控制系统的研发.pdf

摘要 摘要 随着金属线材制品在建筑、家饰及汽车领域中的广泛应用，目前，我国已 成为一个金属线材制品的生产大国。然而通过市场调研发现，目前我国在金属 线材的生产方式上还处于劳动密集型阶段，与现代设计制造所倡导的“高效、 高精度、高智能化 的理念相背离。随着技术交流的日益扩大，市场上虽然出 现了专门用于金属线材自动化生产的数控制造装备，但相关核心技术仍由国外 少数知名企业所掌握。要从根本上改变这一落后局面，有必要对金属线材成形 原理及其数控加工技术等关键技术进行深入研究，从而开发出具有自主知识产 权的金属线材数控成形装备。因此本论文围绕这一主题，以实现金属线材的智 能高效生产为目标，利用数控技术和可换多模位高柔性成形工艺技术，开发了 基于p c + 运动控制卡的开放式数控系统的弯丝机器人。该设备的成功研发是用 现代高科技技术改造传统产业的一项重要成果。本文的研究工作主要包含以下 几个方面的内容： 一、介绍弯丝机器人的功能和工作原理，并详细阐述了弯丝机器人的两大 硬件系统：机械系统和电气控制系统。 二、将线材成形方式细分为绕弯式、平面滚弯式和螺旋滚弯式三种成形方 式，并对每种成形方式的成形机理进行了详细的阐述。然后进一步分析了弯曲 回弹产生的原因，并且推导出了影响回弹量的几个主要因素。最后初步确定了 线材回弹控制方案。 三、确定了系统开发语言工具，接着介绍p c 与p m a c 、人机界面与p m a c 间 的通讯设置。最后针对加工界面中的代码自动生成显示模块和软键菜单模块进 行详细的阐述。 四、分析和确定弯丝机器人的控制方式，接着对整机的稳态特性和动态特 性进行调整。最后基于调试好的弯丝机器人，搭配所开发的数控系统，完成了 样机的整机测试工作。 关键词：金属线材；机器人；p m a c ；数控系统 a b s t ra c t a b s t r a c t a tp r e s e n t , w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fm e t a lw i r ep r o d u c t si na r c h i t e c t u r e i n d u s t r y , f u r n i s h i n ga n da u t o m o t i v ef i e l d s ，c h i n ah a sb e c o m eab i gp r o d u c e ro f m e t a lw i r ep r o d u c t si nt h ew o r l d h o w e v e r , t h em a j o rp r o d u c t i o nm o d eo fm e t a lw i r e f o r m i n g d i s c o v e r e dt h r o u g hm a r k e tr e s e a r c hi s l a b o r - i n t e n s i v e ，i n e f f i c i e n ta n d i n a c c u r a t ei n0 1 1 1 c o u n t r ya n dg o e sa g a i n s tt h ec o n c e p to f h i g he f f i c i e n c y , h i g h p r e c i s i o na n dh i g hi n t e l l i g e n c e a d v o c a t e db ym o d e md e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g w i t ht h eg r o w i n gt e c h n i c a le x c h a n g e ，s o m ei n t e l l i g e n tm e t a lw i r em a n u f a c t u r i n g e q u i p m e n t sw e r eb r o u g h ti nf r o mt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，b u tt h ec o r et e c h n o l o g i e s a r el i m i t e dt ot h ef o r e i g nc o r p o r a t i o n s t h ec o r et e c h n o l o g i e ss u c ha sm e t a lw i r e f o r m i n gp r i n c i p l e s a n dc n cm a c h i n i n ga l en e e d e df u r t h e rr e s e a r c h e st o f u n d a m e n t a l l yc h a n g et h eb a c k w a r d n e s sa n dd e v e l o pt h ei n t e l l i g e n tm e t a lw i r e m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t 丽t l li n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t h e r e f o r e ， t h et h e s i sd e v e l o p st h ec n cw i r eb e n d i n gr o b o tt or e a l i z et h ef e a t u r e so f i n t e l l i g e n t a n de f f i c i e n tw i r ef o r m i n gt a k i n ga d v a n t a g eo ft h eo p e nc n c t e c h n o l o g yb a s e do n p c + p m a ca n dh i g hf l e x i b l ef o r m i n gt e c h n o l o g y 、析t l lm u l t i s t a t i o nd i e t h e s u c c e s s f u l d e v e l o p m e n to ft h ee q u i p m e n t i sa l l i m p o r t a n ta c h i e v e m e n to f t r a n s f o r m i n gt h et r a d i t i o n a li n d u s t r yw i t hh i g h n e wt e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t s o ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c i n gt h ef u n c t i o n sa n dw o r k i n gp r i n c i p l e so ft h ew i r eb e n d i n gr o b o t a n dd e s c r i b i n gt h em a i nh a r d w a r es y s t e m s ：m e c h a n i c a ls y s t e ma n de l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e mi nd e t a i l 2 t h ew i r e f o r m i n gm e t h o dw a sd i v i d e di n t ot h r e 宅g r o u p s ：r o t a r yd r a w b e n d i n g ，r o l lb e n d i n ga n ds p i r a lr o l lb e n d i n g e a c ho ft h ef o r m i n gm e c h a n i s mw a s d e s c r i b e di nd e t a i l t h ei n t e r n a lc a u s e sa n ds e v e r a lm a j o rf a c t o r sa n a l y z e da n d d e d u c e dr e s u l t e di nt h es p f i n g b a c k t h ec o m b i n a t i o no ft h er e v e r s eb e n d i n g s p r i n g b a c kc o m p e n s a t i o no b t a i n e dt h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h ea c t u a l m e a s u r e ds p r i n g b a c kw a su s e da st h es p r i n g b a c kc o n t r o ls c h e m e i i i a b s t r a c t 3 d e t e r m i n i n gt h es y s t e md e v e l o p m e n tl a n g u a g ea n dt o o la n dd e s c r i b i n gt h e c o m m u n i c a t i o ns e t t i n go ft h eh m ia n dp m a c ，t h ea u t o m a t i cc o d eg e n e r a t i o n m o d u l ea n ds o f t w a r em e n um o d u l ei nd e t a i l 4 a n a l y z i n ga n di d e n t i f y i n gt h ec o n t r o lm o d eo ft h ec h i cw i r eb e n d i n gr o b o t ， i m p r o v i n g t h es e r v o 。c o n t r o l p e r f o r m a n c et h r o u g h o u t d e b u g g i n gt h es t e a d y c h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h es y s t e m i n t e g r a t i o n t e s t e dw a sa c c o m p l i s h e dt h r o u g hm a k i n gu s eo ft h es o f t w a r es y s t e mw h i c hw a s m a t c h e dw i t ht h ed e v e l o p e dc n c s y s t e m k e y w o r d s ：m e t a lw i r e ；r o b o t ；p m a c ；c n cs y s t e m i v 第四章弯丝机器人软件系统 4 5 本章小结 本章首先确定了系统语言开发工具，接着介绍了软件系统的组成框架，并 针对p c 与p m a c 、人机界面与p m a c 问的通讯设置做详细介绍。最后在加工界面 设计部分，详细阐述代码生成显示模块和软件软菜单模块中的回零及i o 功能。 至此，整个系统的硬件系统和软件系统均已初步成形，接下来可进入下一步的 整机调试工作。 弯丝机器人控制系统的研发与应用 第五章弯丝机器人系统调试 5 1 弯丝机器人伺服控制方式选择及相应设置 5 1 1 伺服控制方式选择 篓磊刊l 一萋翥黧璧竺型沾 图5 1 伺服驱动器伺服环控制框图 如图5 1 所示，伺服驱动器由三个反馈系统构成：最内层电流环为电机提供 转矩；中间速度环用来控制速度；最外层位置环用来控制负载位置哺铂。 电流环由一个求和点、一个放大器和一个传感器组成。传感器用以检测电动 机的电枢电流，并产生反馈信号。该信号与速度误差信号在电流比较器的求和点 处进行运算得出电流误差，送入功率放大器，即而控制电机电枢上的转矩。与外 部两个环与负载有关不同，电流环直接与电机相连，故响应非常迅速，所以在扭 矩控制模式下的驱动器的运算量最小，动态响应最快。 速度控制方式包含了速度环和电流环。同理该控制方式最终也是通过电流指 令来实现对电机的控制。采用该控制方式的电机具有良好的运行稳定性，使系统 在不同的负载下可以保持速度不变，机床主轴就是一个需要进行速度调节的实例。 位置环为最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建，也可以在外部控制器 和电机编码器或最终负载间构建，根据实际情况来定。该模式下系统进行了所有3 个环的运算，此时系统运算量最大，动态响应速度也最慢，但位置精度最高。 具体选择哪种控制方式要根据控制器特性和机床运动功能需求来判断。例如 如果控制器本身的运算速度很慢( 比如p l c ，或低端运动控制器) ，就用位置控制 方式；如果控制器运算速度比较快，就可以用速度方式，把位置环从驱动器移到 控制器上，以减少驱动器的工作量，提高效率( 比如大部分中高端运动控制器) ： 如果有更好的上位控制器，还可以用扭矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开， 这一般只用于高端专用控制器，而且当采用此方式时不需用伺服电机。 5 2 第五章弯丝机器人系统调试 本系统在设计时，利用p m a c 自身运算功能特点，让其工作在位置环，伺服驱 动器工作在速度环。这样使本系统一方面即可以达到对位置的精确控制，另一方 面又可以达到运动平稳良好的效果。 5 1 2 伺服驱动器参数设置 表5 1 伺服驱动器的参数设置表 参数号名称设置值 功能 p n 0 0 0 0旋转方向选n 0 0 0 0位0 ：设“l ”，改变电机旋转方向。位l ：设“0 ”为速 择和控制方度控制方式，设“1 ”为位置控制方式，“2 ”扭矩控制 式选择方式 p n 5 0 a 输入信号选n 8 1 0 0 位l ：设“0 一，使用s o n 信号( 伺服启动信号) 。位 择l3 ：设“8 ”，“正向超程功能无效”。 p n 5 0 b 输入信号选n 6 5 4 8 位o ：设“8 ”，“负向超程功能无效”。 择2 p n 5 0 e 输出信号选1 1 0 0 0 0 不使用定位完成、同速检测、多旋转检测和伺服准备就 择l 绪功能。 p n 5 0 f 输出信号选n 0 2 0 0 位2 ：设“2 ”，c n i 插头上的2 7 、2 8 脚用作控制刹车 择2 ( 带刹车 用的2 4 v 中间继电器的控制信号( b k ) 。 时设置) p n 5 0 6 伺服和刹车根据具 伺服o n 伺服o f f 可防止由于受机械可动 同时o f f 时，体要求 部分或者外力的影响 电机断电延设定 制动器o n制动器o f f 等，机械有时会在制动 迟时间 电机通电 l 电机不通电 器动作之前的时间内产 叫 生移动。 p n 5 0 6 p n 5 0 7刹车指令输根据具电机带刹车时设置；伺服关后，电机低于此设定值转速 出速度基准 体要求时输出煞车指令。厂定值“1 0 0 ”，单位r m i n 。 设定 p n 5 0 8伺l j g o f f 时，根据具电机带刹车时设置；伺服关后，延时此参数设定的时间 刹车动作延体要求后，电机刹车才开始动作。( p n 5 0 7 和p n 5 0 8 满足一个 迟时间设定条件，刹车就开始动作) 盟坠酶丽i 一 转速 p n 5 0 7 5 3 弯丝机器人控制系统的研发与应用 在选好伺服驱动器控制方式下，结合电机本身特性，需对伺服驱动器进行相 应的参数设置旧1 ( 见表5 1 ) 。 5 1 3p m a c 参数设置 表5 2p m a c 卡的参数设置表 表5 2 为p m a c 卡常用参数设置，表中x x 为卜8 电机号。当采用模拟量输出控制 方式时，由于p m a cc l i p p e r 卡数字转模拟控制( d a c ) 的方式采用的是p w m ( 脉冲 宽度调制) 控制方式，故为了正确使用d a c 输出，p m a c 卡的相应i 变量需作如下改 变铷： 1 7 0 0 0 = 1 0 0 1 ；1 - 4 号电机的d a c 输出的p w m 频率为2 9 4 k h z 1 7 1 0 0 = 1 0 0 1 ；5 - 8 号电机的d a c 输出的p w m 频率为2 9 4 k h z 5 4 第五章弯丝机器人系统调试 1 7 0 0 1 = 5 ： 1 7 0 0 2 = 3 ： 1 7 0 0 3 = 1 7 4 6 ； 1 7 1 0 3 = 1 7 4 6 ； 1 7 0 n 6 = o ： i x x 6 9 = l 0 0 1 ： 1 1 0 = 3 4 2 1 8 6 7 ； 相位时钟分频率为9 8 k h z 伺服时钟分频率2 4 5 k h z i - 4 号电机的a d c 频率 5 - 8 号电机的a d c 频率 脉冲输出模式为p w m 方式 第x x 号电机的d a c 输出极限为直流l o v 伺服中断时间 5 2p m a c 控制算法 在高精度的数控装置中，在系统的基本特性( 机械传动特性等) 和控制器的 相关参数确立以后，为了获得良好的稳态特性和动态特性，需要对系统的控制环 进行校正和调整，即通过伺服环滤波器的调节，从而达到系统伺服特性刚性好且 系统稳定及跟随误差小的目的劓。p i d 控制作为一种经典的控制方法，广泛应用于 系统控制。但随着数控系统控制精度要求的不断提高，再加上一些诸如负载扰动、 速度变化等因素的影响，常规p i d 控制已很难获得令人满意的效果。p m a c 控制器为 用户提供了更为良好的p i d + 前馈+ n o t c h 滤波的控制环算法，在此基础上，系统能 够实现更好的高速高精度的伺服控制功能。除此之外，p m a c 还支持用户开发的伺 服控制算法。 5 2 1 传统的数字pid 算法及其参数整定 对模拟控制器的理想p i d 算法进行离散化后，可以得到位置式p i d 控制算法： “( 七) = k p ( 七) + k p ( f ) + p ( 砷一p ( 七一1 ) ( 5 1 ) 式中，p ( 砷= ，( 七) 一y ( 砷，七一采样序号，( 砷一第七次采样输出值，p ( 砷一第七 次采样输入的偏差值。 对( 5 1 ) 式进行z 变换可得到控制系统的传递函数： 日( z ) = 缉+ 南+ 局( 1 _ z - i ) ( 5 2 ) 其中：k 一比例增益，k 一积分增益，局一微分增益，参数作用可见表5 3 。 图5 2 为该算法的原理图5 1 。 p i d 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性 5 5 弯丝机器人控制系统的研发与应用 确定p i d 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。p i d 控制器参数整定的 方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法；二是工程整定方法。其中工 程整定方法由于方法简单，易于掌握而在工程实际中被广泛采用汹3 图5 2p i d 控制原理图 5 2 2p m a c 控制算法 p m a c 卡为用户提供了p i d + 前馈+ n o t c h 滤波的控制环算法，该算法的部分原理 图如图5 3 所示。其中相关参数及其作用可见表5 3 。从整个原理图结构上可以看 出它是在速度和位置的反馈与速度和加速度的前馈并联的基础上，在串联上n o t c h 滤波器和限幅滤波器，最终在将最后结果输出至d a c 。此结构的特点是在保留了反 馈控制对偏差的控制作用的基础上，又增加一个扰动的前馈控制。该前馈调节器 不会改变系统的稳定性，只会对被调整的量起补偿作用。从而使系统在干扰引起 误差前就可进行补偿，达到及时消除干扰的作用。而串联的n o t c h 滤波器又可起 到防止系统由于滞后、静摩擦、卷曲及回差等问题引起系统产生机械谐振的作用。 相对于传统的p i d 控制的基础上，该算法增加了以下几种改进方法畸7 啪3 ：( 1 ) 积分 项的改进( 积分分离和抗积分饱和) ；( 2 ) 带死区的p i d 控制算法；( 3 ) 限幅滤波； ( 4 ) 前馈控制算法；( 5 ) n o t c h 滤波器；( 6 ) d a c 校准 计算控制输出的p i d 算法的实际公式如下口： 蚶声1 9 一p p 一+ 学 ( 5 3 ， 嬲1 姗椰( 力1 “7 2 数；彳y ( ，1 ) 是伺服周期n 内的实际速度；c 矿( 胛) 是伺服周期刀内的指令速度；c a ( n ) 第五章弯丝机器人系统调试 图5 3p m a c 控制算法原理图 表5 3p m a c 卡的控制环参数 5 3 弯丝机器人控制系统特性调整 p m a c 提供了两种主要信号源( 脉冲和正弦波信号) 对该系统进行调整。脉冲 响应过程主要是通过获取反馈信息来调整系统的p 、i 、d 等参数，从而使系统获 得良好的静态特性；而正弦响应调整主要是用来调整速度前馈、加速度前馈和摩 擦增益等参数从而使系统获得良好的动态特性。通常是先作脉冲响应调整，再作 正弦响应调整。在进行上述两项调试之前，都要对目标电机进行d a c 校准和开环 测试。其中d a c 校验是为了消除电机零漂：开环测试是为了测试该电机的编码器 的编码是否正常，速度的变化趋势与指令电流是否一致。在完成上述调试后就可 进行阶跃和抛物线响应调试。 5 弯丝机器人控制系统的研发与应用 5 3 1 脉冲响应信号调整 工程整定方法虽在工程实际中被广泛采用，但无论采用哪一种工程整定方法 所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行试错整定加以完善。试错整定法 无需使用数学公式计算，而是用图表记录器来观察被控变量对设定点变化或负载 扰动的响应曲线( 例如阶跃相应) ，基于对观测到的响应取消的分析来反复调控控 制器模式的参数，以达到满意的相应从而确定p i d 调节参数。该方法通常遵守先 比例，后微分，再积分的整定步骤。图5 4 为调试中可能出现的一些情况，其中 图5 4 ( a ) 为响应迟缓现象。原因：系统阻尼过大或刚性太小；调整方法：增加 或减小肠；图5 4 ( b ) 为超调和振动现象。原因：系统阻尼太小或刚性太大；调整 方法：减小或加大肠；图5 5 为参数调节后的阶跃响应曲线。曲线1 为电机指 令位置曲线，曲线2 为电机实际位置曲线，相关参数值如表5 4 所示。其结果表 明系统在无超调量的基础上，上升时间和调整时间数值都很小，因此可知该系统 具有良好的瞬态特性和稳态特性。 图5 4 脉冲响应曲线 z 0 04 0 0 6 0 0s 0 0l 嘲 舶a 擘t c 图5 5 阶跃响应曲线 表5 4 阶跃响应调试参数 5 3 2 正弦波信号调整 在脉冲响应曲线调整好的状态下，不要更改比例、积分、微分增益，再作正 弦响应调整。图5 6 为正弦波信号调试过程中可能出现的一些情况。( a ) 为理想情 况。跟随误差减到最小并且集中在中部，沿运动轨迹均匀分布：( b ) 为速度跟随误 差过大现象。原因：摩擦力作用造成；调整方法：增加积分增益k ；( c ) 为速度跟 随误差反向现象。原因：速度前馈过大；调整方法：减小速度前馈孙( d ) 为加 速度跟随误差过大现象。原因：物理系统限制造成；调整方法：减小突然的加速 度；( e ) 为加速度跟随误差过大现象。原因：加速度前馈过大；调整方法：减小加 5 r 第五章弯丝机器人系统调试 速度前馈k 疥( f ) 为加速度、速度跟随误差过大现象。原因：积分滞后和摩擦力 造成；调整方法：增加加速度前馈恸图5 8 为参数调节后的抛物线响应曲线。 其中曲线l 为指令速度曲线，曲线2 为实际速度曲线，曲线3 为跟随误差。图形 显示系统的跟随误差较小并且集中在中部，沿运动轨迹均匀分布，因此可知该系 统具有良好的动态特性。 5 3 3 调试结果分析 图5 6 正弦波响应曲线 表5 5 抛物线响应调试参数 将前馈控制与反馈控制结合起来，构成前馈一反馈控制系统是过程控制中较好 的一种方式。这样既发挥了前馈控制作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服 多个扰动和具有对被控变量实行反馈检验的长处。然而实际的工业对象会存在多 个扰动，若设置前馈通道，势必增加控制系统投资费用和维护工作量。因此前馈 控制对控制回路的r ：能有多少改善，是否有必要引入前馈控制器，这都需要通过 评估前馈一反馈控制系统的性能才能得出结论口羽。文献 7 3 - 7 6 都在一定程度上针 对在系统中是否应该引入前馈控制给予理论上的计算论证和数学模型上的仿真验 证。本文针对调试所得的图形数据进一步分析，对是否应该引入前馈控制给予论 证。表5 5 为调试过程所得到的数据。 弯丝机器人控制系统的研发与应用 1 2 - d 6 u 譬口 暑 爱- 1 2 1 2 e 管0 o 室 1 a e 1 2 芒6 暑0 曩 1 2 1 2 0 6 0 0 鑫 6 0 1 2 0 02 0 0 4 0 06 0 0s 0 01 0 0 0 霸幅e c 图5 7 无前馈结果图 埘e c 图5 8 带前馈结果图 i 图5 9 加速度图 对比表5 5 中a ( 图5 7 ) 和d ( 图5 8 ) 的最大速度跟随误差值，可以发现 在原v i d 控制的基础上引入前馈控制是有必要的。分析图5 8 不难发现速度跟随 误差最大点总是出现在指令速度为0 的附近，即图中画圈的地方。通过分析图5 9 ， 不难发现指令速度为o 的地方刚好为系统加速度突变的地方，图5 9 中曲线3 即 为可知指令加速度曲线，从而解释了为什么跟随误差最大点总是出现在指令速度 为0 的附近，而且是紧随其后。对比表5 5 中c 和d 可发现引入适当的加速度前 馈可减小该问题所产生的影响，与此同时也可减小实际加速度值与命令加速度值 之间的差值。图5 9 中曲线4 为实际加速度曲线。 对比表5 5 中a _ d 的最大跟随误差值，可发现速度前馈、加速度前馈和摩擦 前馈项三者对跟随误差的影响各不一样，与此同时再结合表5 3 中各参数的作用， 可得如下结论：在进行系统动态特性调试的过程中，由之前稳态特性调试中微分 增益所带来的阻尼作用作为引起速度跟随误差的主要扰动可以通过利用速度前馈 第五章弯丝机器人系统调试 作为主要前馈控制来进行克服。而对于由具体机械系统惯性和摩擦所带来的跟随 误差可分别由加速度前馈和摩擦前馈来进行克服，最后对于前馈控制补偿不完全 的部分，即扰动依旧作用于被控量所产生的偏离及其余扰动，则可由反馈控制来 消除。这样的控制系统即使在大而频繁的扰动下，仍然可以获得优良的控制品质。 5 3 4p l d + 前馈参数自适应调节 p m a c 虽然提供了强大的p i d + 前馈参数调节功能，但由于p i d + 前馈参数不能随 着数控加工过程状态的改变而自适应变化。因此，在这里应用自适应变参数p i d + 前馈控制策略能够更有效实现机床各轴的精确从动。该控制过程是通过p m a c 控制 器嵌入p l c 程序实现的，嵌入式p l c 程序以极高的采样速率监视系统速度反馈， 比较速度反馈值和给定值来判断采用何种p i d 参数和前馈参数口刀。 由公式( 5 1 ) 可得数字p i d 增量型控制算式： 删= 项d 一甜( j i 一1 ) = 【d ( 幼一d 七一1 ) 】+ k d + 局【d ( 助一2 e ( k 1 ) + d 七一2 ) 】 ( 5 4 ) 为了编程方便，可将式( 5 4 ) 整理成如下形式： 。 = 删+ 鲕d 砖一1 ) + q e e ( k 一2 ) ( 5 5 ) 式中q o = 砗一k + 局；q l = 一砗一2 髟；9 2 = 局 对比式( 5 1 ) 和式( 5 5 ) ，可知相对于位置型p i d 算法的积分项计算时与前k 次的误差都有关，计算量大、效率低而且易于出现问题。增量型p i d 算法在计算 过程中只与最近的三次误差值有关，而且易于实现从手动到自动的无扰动切换， 因此该算法在计算机编程和实际控制中应用得更为广泛。同理对p m a c 计算控制输 出的p i d 算法的实际公式( 5 3 ) 进行类似处理，从而可得p i d 参数自适应控制部 分的p l c 程序算法。 5 4 弯丝机器人整机测试 在调试好系统稳态和动态特性后，接下来可结合系统软件进行整机测试，在 这以第四章系统软件中生成的双n 模型为例进行测试。 5 4 1 建模 双n 建模模型如图5 1 0 所示，模型造型参数见图4 8 。 6 1 弯丝机器人控制系统的研发与应用 图5 1 0 双n 建模模型 5 4 2 模具参数设置 接下来需要根据实际模具情况设置折弯模具参数，如图5 1 1 所示。 图5 1 1 折弯模具参数设置 5 4 3 仿真 随着模具的确定仿真机床模型也随即确定，即可进行仿真，如图5 1 2 所示。 图5 1 2 双n 仿真模型 第五章弯丝机器人系统调试 5 4 4 实体加工 图5 1 3 双n 实体加工图 图5 1 4 双n 实体模型 在经过仿真加工无干涉现象后，接下来进入加工界面，机械回零和确定好加 工件数后，打开加工原文件，生成加工代码后，选择加工模式( 连续或者单步) 后，最后加工。加工过程如图5 13 所示，成形件如图5 1 4 所示。部分加工程序 如下： & 1 ：定义一号坐标系 # i - 3 4 7 6 7 9 3 x：1 号电机分配给x 轴 # 2 - 1 9 0 0 y：2 号电机分配给y 轴 # 3 - 1 9 6 6 0 8 0 z：3 号电机分配给z 轴 # 4 - 3 2 6 5 8 7 7 3 a ：4 号电机分配给a 轴 弯丝机器人控制系统的研发与应用 # 5 - 1 5 2 9 1 7 3 3 b ：5 号电机分配给b 轴 m o - y ：$ 7 8 4 0 0 ，0 ；电磁阀1 m i - y ：$ 7 8 4 0 0 ，0 ：电磁阀2 o p e np r 0 9 8c l e a r ：打开并清除8 号程序缓冲区内容 l i n e a r ：直线插补 i n c ：选择增量坐标系 t a5 0 0 ：加速时间 t s0 ：s 曲线加速时间 p i = o w h i l e ( p i p 2 )：p 2 为件数 ：程序段1 f5 0 0 0 0 0 0 ：进给速率 m o = = i ：电磁阀l 动作气缸上 x ( 1 3 2 2 5 4 + 6 0 )：起线长度+ 送料长度 y2 2 0：正折弯( 成形角度+ 角度补偿值) y 一2 2 0 ：折弯返回 ：程序段6 m o = = o m 1 = = 0 f5 0 0 0 0 0 0 x ( - 1 3 2 2 5 4 )：送料长度返回 f8 0 0 0 0 0 0 0 zl h o m e 4h o m e 5h o m e 3 h o m e 2 p i = p i + i e n d i 柑i l e c l o s e ：剪切 ：z 、a 、b 轴回零 ：y 轴回零 ：件数+ 1 ：加工完成 ：关闭缓冲区 第五章弯丝机器人系统调试 5 5 本章小结 本章首先分析和确定采用p m a c 工作在位置环，伺服驱动器工作在速度环的 伺服控制方式，并对p m a c 和伺服驱动器进行了相应设置。接着在分析传统p i d 算法的基础上，针对p m a c 带前馈的控制算法所做的改进给予分析，并给出了 p m a c 控制算法输出的实际计算公式。以p m a c 卡为控制器，结合电机进行实际 调试，针对调试中可能出现的问题和调试最终所得图形数据给予分析，论证了 带前馈算法的p m a c 伺服控制系统不仅具有良好的稳态特性而且拥有良好的动 态特性。引入p i d 加前馈参数自适应调节功能，可使系统运行更加稳定并且跟 随误差更小，进一步提高了系统的弯丝精度。最后结合调试好的弯丝机器人， 搭配所开发的数控系统，进行了样机的整机测试。其中以自己设计的双n 模型 为例进行了测试，从加工的效果来看，基本实现了弯丝机器人的功能要求。 弯丝机器人控制系统的研发与应用 6 1 总结 第六章总结与展望 随着金属线材制品在建筑、家饰及汽车领域中的广泛应用，目前，我国已 成为一个金属线材制品的生产大国。然而通过市场调研发现，国内线材成形技 术主要还是以劳动力密集型的生产方式为主，加工设备主要都是采用简单的手 动弯丝模具再加上少许半自动的成形设备，市场上出现的一些数控智能型金属 线材制品设备一般都是从德国、法国、日本和台湾等技术发达国家和地区引进， 且这些智能型设备的核心技术如几何成形软件、数控系统等都仅有少数国外知 名企业控制。在这种形势下，为了扭转这一被动局面且进一步提升国内金属线 材制品的加工效率和精度，厦门大学机电工程系智能装备技术研究室弯丝机器 人课题组与厦门锻压机床有限公司合作开发了弯丝机器人，利用数控技术和可 换多模位高柔性成形工艺技术相结合，实现多品种金属线材制品的高效和高精 度成形。 根据课题组的分工，本论文主要完成了如下方面的工作： 1 ) 介绍弯丝机器人的功能和工作原理，并引出了弯丝机器人的两大硬件系 统：机械系统和电气控制系统。最后分别针对两大硬件系统的每个模块再做详 细阐述。 2 ) 将线材成形方式细分为绕弯式、平面滚弯式和螺旋滚弯式三种成形方 式，并对每种成形方式的成形机理进行了详细的阐述。然后进一步分析了弯曲 回弹产生的原因，并且推导出了纯弯曲状态下线材弯曲回弹的公式，并对该公 式进行了分析，指出了影响回弹量的几个主要因素。最后初步采用数值模拟反 向回弹补偿与工程实际弯丝回弹结果相结合的方式作为线材回弹控制方案。 3 ) 确定了系统语言开发工具，接着介绍p c 与p m a c 、人机界面与p m a c 间 的通讯设置。最后在加工界面设计部分，详细说明了代码生成显示模块和软件 软键菜单模块中的回零功能、i o 功能。 4 ) 分析和确定采用p m a c 工作在位置环，伺服驱动器工作在速度环的伺服 控制方式，在此基础上，对伺服驱动器和p m a c 进行与控制方式相匹配的参数设 “ 第六章总结与展望 置。接着分析p m a c 控制算法，并对弯丝机器人控制系统稳态和动态特性进行调 整。最后结合调试好的弯丝机器人，搭配所开发的数控系统，进行了样机的整 机测试，测试证明本设备基本实现了线材高效高精度智能成形的功能要求。 6 2 展望 本系统虽然已经具备了一般数控系统的基本要求如建模、仿真、代码自动 生成和基本智能控制等，并且结合机床调试能实现弯丝机器人的基本加工功能。 但是作为一套合格的系统不仅要可以正常运行，而且要有较强的稳定性和坚固 性，更重要的是日后客户的功能扩展需求和实际操作中出现的系统问题解决， 将会是不断完善的主攻方向。在本论文的研究中，由于开发时间、个人能力及 实验条件等各方面的原因，项目的研究还存在不足之处，今后将重点在以下几 方面进行研究和改进： 忍 1 ) 由于线材的矫直效果不好，所以经常会出现线材跑偏的现象，影响加工 效率和精度，希望在接下来工作中能给予改善 2 ) 由于送丝力不够大且送丝阻力大的原因，导致本设备在滚弯成形时的线 材成形半径受到一定限制，希望在接下来工作中能得到进一步地改善 3 ) 线材成形精度有待提高，特别是针对回弹控制方面，需要建立一套更加 完善的回弹数据库。 4 ) p m a c 是一块功能很强大的运动控制卡，其还有很多功能有待继续挖掘 开发，希望能好好利用。 控制系统需要在加以完善，使其看起来能更加友好，功能更加强大，系统 更加稳定。软件设计出来不可能完善地，需要日后不断修改和完善。 6 7 参考文献 参考文献 【l 】徐建平，夏国平我国装备制造业的国际比较及对策研究【j 】中国机械工程， 2 0 0 8 ( 2 0 ) ：2 510 - 2 51 8 【2 】胜t h e 线材弯曲机及弯曲方法：日本，0 0 8 1 0 0 7 0 p 2 0 0 0 0 5 1 5 【3 】m 布罗吉，m 比拉弯曲管、棒、型或金属线材的线状材料的弯曲机：意大利。 0 1 11 6 2 9 3 【p 】2 0 0 0 0 2 1 3 【4 】山口一，春山直辉线簧成形装置：日本，0 3 1 0 7 7 5 5 p 2 0 0 3 - 0 3 3 1 【5 】赵章风，李克彬，林伟明三维数控线材成型机控制系统【j 】轻工机械， 2 0 0 7 2 5 ( 4 ) ：81 8 4 【6 】卢楚才基于a n s y s 的线材滚弯过程的数值分析及优化设计【d 】浙江工业大学硕士论 文，2 0 1 0 【7 】黎均洪，彭跃云线材弯曲机：中国，0 1 2 5 5 7 5 2 p 2 0 0 1 - 0 9 1 3 【8 】麦志华线成形机的成形装置：中国，2 0 0 8 2 0 0 9 2 8 5 0 p 2 0 0 1 0 9 1 3 【9 】秦嗣光一种金属线材弯曲机：中国，2 0 0 9 1 0 0 18 5 7 0 p 2 0 0 9 0 9 2 4 【l o 】陈翠兰旋转机头式弯丝机：中国，2 0 1 0 2 0 2 2 3 5 0 7 p 2 0 1 0 0 6 1 1 【1 l 】饶锦福，饶金火钢筋自动弯曲机：中国台湾，2 0 0 5 1 0 0 6 4 3 3 0 p 2 0 0 5 0 4 1 4 【1 2 】魏勇数控钢筋弯曲机：中国，2 0 0 8 2 0 2 1 9 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