机器人升降轴气动伺服平衡自重自调节控制系统及方法与流程

本发明属于钣金加工行业用轨道式五自由度直角坐标型机器人自动控制技术领域，具体涉及一种机器人升降轴气动伺服平衡自重自调节控制系统及方法。

背景技术：

在制造业转型升级的当下环境中，人口老年化问题日益突出，用工荒现象日益增多，作为制造业基础的钣金加工行业也同样如此。为了提高利润和发展空间，目前在钣金加工行业已开始逐步使用工业机器人替代人工工作。

目前在钣金行业中应用的机器人类型有轨道式直角坐标型、球面坐标型和多关节型，因钣金件的特点和加工方式较其他行业不同，轨道式五自由度直角坐标型机器人更适用于钣金行业，所以目前使用量较多。

直角坐标型机器人具有空间相互垂直的两根或三根直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部位置，其工作空间为一长方体。在直角坐标系Z方向运动的我们称为机器人的升降轴，升降轴通过升降伺服电机驱动减速机和皮带的方式控制升降轴做升降运动，为了降低升降伺服电机的功率，提高升降方向运动的稳定性和精度，需要平衡升降轴及工件的重量，目前普遍的做法是通过气动气缸平衡升降轴及工件的自重。

通过气动气缸平衡自重的工作原理是通过调节气缸内压力产生与重力方向相反的力来平衡升降轴及工件的自重，升降轴上升时气缸产生向下的推力，升降轴下降时气缸产生向上的拉力。现在的做法是当机器人要抓取的工件重量发生改变时，操作人员只能靠经验手动调节压力阀改变气缸内压力来平衡自重，在整个升降运动过程中气缸内压力只能平衡升降轴静止状态下的自重。但是在实际使用过程中，升降轴在上升和下落及停止时会由自重产生一个不断变化的惯量，这种惯量的变化除了对机械装置造成一定的损耗，还会造成升降伺服电机输出力矩急剧变化，导致升降运动和定位精度不稳定，进而造成加工产品质量不稳定，给用户带来不必要的经济损失。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的操作人员只能靠经验手动调节压力阀改变气缸内压力来平衡自重以及在整个升降运动过程中气缸内压力只能平衡升降轴静止状态下自重的技术问题，提供一种机器人升降轴气动伺服平衡自重自调节控制系统及方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种机器人升降轴气动伺服平衡自重自调节控制系统，包括升降伺服电机，所述升降伺服电机与减速机连接，所述减速机通过皮带传动与机器人升降轴连接，所述机器人升降轴的末端安装有机器人夹具，所述机器人夹具上安装有平衡气缸，所述平衡气缸通过气路与精密压力传感器、精密比例减压阀和气动动力源连接，所述减速机与机器人升降轴之间设有力传感器，所述力传感器、精密压力传感器、精密比例减压阀和升降伺服电机与控制处理系统相连。

进一步地，所述控制处理系统包括机箱以及安装在机箱内的处理器、运动板卡、AO接口模块和AI接口模块，所述处理器、运动板卡、AO接口模块和AI接口模块通过背板通讯交换信息，所述运动板卡与伺服驱动器连接，所述伺服驱动器与升降伺服电机连接，所述AO接口模块与精密比例减压阀连接，所述AI接口模块与精密压力传感器和力传感器连接，所述处理器通过通讯电缆与信息输入装置连接。

进一步地，所述处理器内设有一级闭环控制装置和二级闭环控制装置，所述一级闭环控制装置包括一级比较器，所述一级比较器的输入端连接有一级A/D转换模块和平衡值储存模块，所述一级A/D转换模块与力传感器连接，所述一级比较器的输出端连接有一级PID模块，所述一级PID模块与计算模块连接，所述二级闭环控制装置包括与计算模块连接的二级比较器，所述二级比较器的输入端还连接有二级A/D转换模块，所述二级A/D转换模块与精密压力传感器连接，所述二级比较器的输出端连接有二级PID模块，所述二级PID模块与D/A转换模块连接，所述D/A转换模块与精密比例减压阀连接。

进一步地，所述平衡值储存模块与计算模块之间还设有前馈增益模块。

进一步地，所述信息输入装置为手持式示教盒。

进一步地，所述运动板卡为6轴PC接口脉冲型伺服电机控制卡。

进一步地，所述AO接口模块为RIO/AO模拟量输出卡，所述AI接口模块为RIO/AI模拟量输入卡。

一种机器人升降轴气动伺服平衡自重自调节控制方法，该方法包括以下步骤：

A、操作人员在手持式示教盒中输入机器人升降轴、机器人夹具和工件的重量、机器人升降轴上升速度和加速度以及下降速度和加速度；

B、处理器中的计算模块根据这些数据自动计算并在平衡值储存模块中保存机器人升降轴升降运动各阶段的平衡值；

C、当处理器通过运动板卡控制伺服驱动器驱动升降伺服电机带动机器人升降轴、机器人夹具和工件一同升降运动时，处理器会根据机器人升降轴运动阶段计算结果通过背板通讯发送给AO接口模块控制命令；

D、处理器根据力传感器通过AI接口模块的反馈结果和事先计算好的结果的比较不断调整通过背板通讯发送给AO接口模块的控制命令，同时处理器会根据精密压力传感器通过AI接口模块的反馈结果和发送给AO接口模块的控制命令的比较不断调整通过AO接口模块发送给精密比例减压阀的电压信号；

E、精密比例减压阀通过AO接口模块发出的电压信号不断调整输出给平衡气缸的气压压力，平衡气缸通过不断变化的气压压力产生与机器人升降轴上升和下降阶段自重惯量变化匹配的推力或拉力。

本发明相对现有技术具有以下有益效果：本发明的机器人升降轴气动伺服平衡自重自调节控制系统是在减速机与机器人升降轴之间设有力传感器，同时安装在机器人夹具上的平衡气缸通过气路与精密压力传感器、精密比例减压阀和气动动力源连接，力传感器、精密压力传感器、精密比例减压阀和升降伺服电机通过控制处理系统控制，当机器人升降轴运动（上升或下降）因自重产生的惯量发生变化时，本发明可自调节平衡气缸内的空气压力，从而产生与机器人升降轴运动相匹配的推力和拉力，在机器人升降轴整个运动过程中做到始终平衡自重产生的惯量，有效解决了现有机器人升降轴升降运动中因自重产生的惯量变化所带来的一系列问题，从而延长了机械装置的使用寿命，同时变手动调节为自动调节，保证了机器人升降轴的稳定性，进而保证了加工产品质量的一致性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明控制处理系统的结构示意图；

图3为本发明处理器内部结构示意图。

本发明附图标记含义如下：1、升降伺服电机；2、皮带传动；3、减速机；4、力传感器；5、工件；6、机器人夹具；7、机器人升降轴；8、平衡气缸；9、精密压力传感器；10、气路；11、精密比例减压阀；12、气动动力源；13、信息输入装置；14、通讯电缆；15、处理器；16、运动板卡；17、AO接口模块；18、AI接口模块；19、机箱；20、背板通讯；21、伺服驱动器；22、平衡值储存模块；23、一级比较器；24、一级PID模块；25、前馈增益模块；26、计算模块；27、一级A/D转换模块；28、二级比较器；29、二级PID模块；30、D/A转换模块；31、二级A/D转换模块；32、一级闭环控制装置；33、二级闭环控制装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种机器人升降轴气动伺服平衡自重自调节控制系统，包括升降伺服电机1，升降伺服电机为SGM7G-75AFC6C伺服电机，升降伺服电机1与减速机3连接，减速机3通过皮带传动2与机器人升降轴7连接，机器人升降轴7的末端安装有机器人夹具6，工作时依靠机器人夹具6抓取工件5，机器人夹具6上安装有平衡气缸8，平衡气缸8的伸出杆与机器人夹具6连接，平衡气缸8通过气路10与精密压力传感器9、精密比例减压阀11和气动动力源12连接，减速机3与机器人升降轴7之间设有力传感器4，力传感器4、精密压力传感器9、精密比例减压阀11和升降伺服电机1与控制处理系统相连。

在升降伺服电机1通过驱动减速机3和皮带传动2带动机器人升降轴7、机器人夹具6、工件5做上升运动时，平衡气缸8在有杆腔内产生向下的推力，推力的大小由气动动力源12通过精密比例减压阀11产生的气压压力大小决定；在升降伺服电机1通过驱动减速机3和皮带传动2带动机器人升降轴7、机器人夹具6、工件5做下降运动时，平衡气缸8在有杆腔内产生向上的拉力，拉力的大小由气动动力源12通过精密比例减压阀11产生的气压压力大小决定。同时，在上述运动过程中，力传感器4用来检测机器人升降轴7、机器人夹具6、工件5在运动时因自重产生的惯量大小，精密压力传感器9用来检测平衡气缸8有杆腔内的实际压力大小。

如图2所示，控制处理系统包括机箱19以及安装在机箱19内的处理器15、运动板卡16、AO接口模块17和AI接口模块18，处理器15为微处理器，运动板卡16为6轴PC接口脉冲型伺服电机控制卡，AO接口模块17为RIO/AO模拟量输出卡，AI接口模块18为RIO/AI模拟量输入卡，处理器15、运动板卡16、AO接口模块17和AI接口模块18通过背板通讯20交换信息，运动板卡16与伺服驱动器21连接，伺服驱动器21为SGD7S-550A00A驱动器，伺服驱动器21与升降伺服电机1连接，升降伺服电机1通过伺服驱动器21驱动，AO接口模块17与精密比例减压阀11连接，AI接口模块18与精密压力传感器9和力传感器4连接，处理器15通过通讯电缆14与信息输入装置13连接，信息输入装置13为手持式示教盒，手持式示教盒用来实现设备参数设定、状态显示及故障报警等人机对话。

如图3所示，处理器15内设有一级闭环控制装置32和二级闭环控制装置33，一级闭环控制装置32包括一级比较器23，一级比较器23的输入端连接有一级A/D转换模块27和平衡值储存模块22，一级A/D转换模块27与力传感器4连接，一级比较器23的输出端连接有一级PID模块24，一级PID模块24与计算模块26连接，平衡值储存模块22与计算模块26之间还设有前馈增益模块25，二级闭环控制装置33包括与计算模块26连接的二级比较器28，二级比较器28的输入端还连接有二级A/D转换模块31，二级A/D转换模块31与精密压力传感器9连接，二级比较器28的输出端连接有二级PID模块29，二级PID模块29与D/A转换模块30连接，D/A转换模块30与精密比例减压阀11连接。

处理器15根据手持式示教盒内输入的数据计算出升降运动各阶段所需的设定平衡值并储存在平衡值储存模块22内，平衡值储存模块22内的平衡值和力传感器4通过一级A/D转换模块27的转换结果在一级比较器23中进行比较，比较结果通过一级PID模块24处理后传递给计算模块26，计算模块26的计算结果和精密压力传感器9通过二级A/D转换模块31的转换结果在二次比较器28中再次比较，比较的结果通过二级PID模块29处理后传递给D/A转换模块30，D/A转换模块30将结果转换成对应的电压信号发送给精密比例减压阀11。在机器人实际工作过程中，升降阶段的速度和加速度都很大，为了保证在高速运动状态下能实时精准迅速的平衡因自重产生的惯量变化，采用了一级闭环控制装置32和二级闭环控制装置33的双闭环控制模式，同时为了克服单独使用一级PID模块24和二级PID模块29的控制局限，在一级闭环控制装置32内加入了前馈增益模块25，使得整个控制系统的动能实现最大化，从而保证了在高速运动状态下能实时精准迅速的平衡因自重产生的惯量变化。

本发明在使用时，操作人员在手持式示教盒内输入机器人升降轴7、机器人夹具6和工件5重量、机器人升降轴7上升速度和加速度以及下降速度和加速度后，处理器15中的计算模块26根据这些数据自动计算并在平衡值储存模块22中保存升降运动各个阶段的平衡值，当处理器15通过运动板卡16控制伺服驱动器21驱动升降伺服电机1带动机器人升降轴7、机器人夹具6和工件5一同升降运动时，处理器15同时会根据机器人升降轴7运动阶段计算结果通过背板通讯20发送给AO接口模块17控制命令，在这一过程中处理器15会根据力传感器4通过AI接口模块18的反馈结果和事先计算好的结果的比较不断调整通过背板通讯20发送给AO接口模块17的控制命令，同时处理器15会根据精密压力传感器9通过AI接口模块18的反馈结果和发送给AO接口模块17的控制命令的比较不断调整通过AO接口模块17发送给精密比例减压阀11的电压信号，精密比例减压阀11通过AO接口模块17发出的电压信号不断调整输出给平衡气缸8的气压压力，平衡气缸8通过不断变化的气压压力产生与机器人升降轴7上升和下降阶段自重惯量变化匹配的推力或拉力，在机器人升降轴7整个运动过程中始终平衡自重产生的惯量变化，实现了机器人升降轴7气动伺服平衡自重自调节控制。