开放式折弯机器人控制系统及其折弯跟随技术研究

金钰飞，楼佩煌，钱晓明，武 星，吴 斌

JIN Yu-fei,LOU Pei-huang,QIAN Xiao-ming,WU Xing,WU Bin

（南京航空航天大学 机电学院，南京 210016）

0 引言

随着制造业的快速发展，钣金件在机床、电器、厨具及门业等诸多领域的应用越来越广泛，折弯是一种重要的钣金成形方法。目前，折弯主要采取人工辅助的方式，劳动强度大，生产效率低。特别是对于大型的工件，通常需要多个人相互配合才能完成折弯。因此，开发一种代替人工自动完成折弯动作的机器人，具有十分重要的现实意义。

传统的工业机器人控制系统是一种基于独立结构开发的，采用专用计算机、专用操作系统、专用机器人语言及专用微处理器的封闭式体系结构的系统，系统的专用性强，通用性差。本文介绍了一种基于计算机可编程自动化控制器CPAC（Computerized Programmab1e Automation Contro11er，简称CPAC)的开放式折弯机器人控制系统。该系统采用开放式的软硬件平台，具有良好的开放性和扩展性，可根据需求方便地进行功能扩展，能适应不同工况下的折弯工艺要求。

图1 折弯机器人的机械结构示意图

1 折弯机器人的机械结构

折弯机器人是一种“3+3”形式的六自由度直角坐标型机器人，包括X轴、Y轴和Z轴三个直线运动轴和A轴、B轴及C轴三个旋转运动轴，如图1所示。直线运动轴通过伺服电机驱动带轮，带轮旋转时带动同步带，在同步带的引导下，沿着导轨做直线运动。其中，Y轴采用了倍速机构，以增加行程和速度，并缩小整体空间结构。机器人末端安装吸盘或者夹爪以抓取工件，在折弯过程中，机器人末端的吸盘或者夹爪需要和板材一起做跟随运动。折弯跟随的准确度是决定折弯精度的关键因素。

2 折弯机器人控制系统硬件构成

在不同工作条件下，根据折弯工艺的不同，折弯机器人必须实现不同的控制功能和轨迹规划，这就要求控制系统具有良好的开放性和扩展性。根据以上设计思想，设计了如图2所示的模块化的硬件结构。

图2 控制系统硬件结构

2.1 CPAC自动化控制器简介

本系统采用深圳固高科技有限公司开发的集嵌入式PC、PLC与运动控制器为一体的CPACOtoBox-800-TPG系列运动控制器。它以Inte1标准X86架构的CPU和芯片组为系统处理器，采用高性能DSP和FPGA作为运动控制器处理器，能够同时执行多个任务并能进行优先级的排序，实现高性能多轴协调运动控制和高速点位运动控制以及普通PC机的所有基本功能。同时，CPAC以WinCE为系统平台，提供了遵循IEC61131-3工业控制语言编程的组态软件OtoStudio，包含任务配置、硬件配置、远程诊断、人机界面开发及数据采集等模块。通过模块化的软件架构，增加了控制系统的开放性、扩展性和移植性。

2.2 HMI界面

HMI部件采用型号为GRP2000的手持示教器和GRP-SD-Vxx的HMI发射模块。通过Googo1Link总线模式配置手持示教器16 In /16Out的数字量 IO模块，用于示教器上的按钮、LED信号的输入输出。OtoStudio提供了人机界面开发平台，通过将示教器上按钮按下及弹起的信号进行映射，读取布尔变量的数据来获得人机交互的结果。相对于使用Modbus通讯方式进行人机交互，这种方式的传输速度更快，信号更稳定。

3 折弯机器人控制系统软件设计

根据折弯机器人的功能需求以及OtoStudio软件的基本特点，合理规划折弯机器人控制系统的软件体系结构，使软件功能模块化，并追求最大限度的模块内的高内聚度和模块间的低耦合度。图3为系统的软件体系结构，系统划分为示教再现模块、运动控制模块、系统监控模块、文件管理模块与人机交互界面五类主模块。其中，运动控制模块是系统的核心模块，包括折弯工艺算法、正逆运动学、点动和连续运动及各轴回零算法等。

图3 折弯机器人控制系统的软件体系结构

折弯工艺算法是折弯机器人相对于通用机器人特有的运动控制算法，包括折弯跟随算法、板材翻边算法、包边板材联动算法以及板材定位算法等。其中，折弯跟随算法是折弯工艺算法的核心部分。

图4 折弯跟随模型

1）折弯跟随的基本原理

折弯跟随算法是指折弯机上模从夹紧点运动到下死点过程中，机器人的末端执行器（吸盘架、夹钳等）托住工件，防止额外的变形。如图4所示，在折弯变形过程中，机器人末端运行的速度、轨迹与工件上夹持点（或吸料点）保持基本一致，这就要求YZA轴的运行轨迹和实时速度满足弯曲变形的坐标变化。

2）折弯跟随的几何模型

折弯跟随的几何模型如图5所示，板材的一端有夹爪，当夹爪夹住板材时，通过Y轴、Z轴和A轴的运动，使夹爪与板材的相对位置保持不变。图中，在板材中性层与夹爪平面的交点处建立YZA坐标系，其中，V代表下模槽宽，L 代表夹爪上坐标系原点到折弯中心线的距离，α代表折弯角度，β代表板材倾斜角，△y、△z、△A分别为Y轴、Z轴、A轴的相对位移。将折弯机夹紧点对应机器人的位置作为折弯基准点，计算任意折弯角度对应折弯机器人YZA轴相应的坐标变化和运动速度。

图5 折弯跟随几何模型

（1）由角度和长度的相互关系，可得：

（2）由于中性层的内圆弧对计算结果影响较小，可将其忽略不计，于是得到如下△y、△z、△A的计算结果：

3）折弯角度测量装置设计

在式(1)～式(3)中，均有未知数α，为求得α的实时数值，设计了如图6所示的测量装置。

图6 折弯角度测量装置

所设计的测量装置采用了Novotechnik的接触式直线位移传感器，其测量的基本原理是通过相对直线位移转化折弯角度。具体实现方法如下。

（1）将角度不同、高度相同的Y型硬质合金架平齐放置，两者通过直线位移传感器固定，Y型架上端通过弹簧与外壳相连。测量装置整体嵌于折弯机上模中。

（2）当折弯机处于夹紧点时，测量装置与上模共同与板材接触，并处于同一水平面上。随着板材折弯角度的变化，角度不同的两个Y型架上升的位移出现偏差△L。

（3）通过数学模型，将直线位移偏差△L转化为折弯角度α。设Y型架的接触点到中心线的距离为L1和L2，均为测量装置的固有参数。得到△L的计算公式：

其中，△L可通过读取直线位移传感器得到，反求α：

将式(4)带入式(1)～式(3)，可得到任意折弯角度对应YZA轴相对于折弯基准点的坐标变化。实验观察发现，板材上没有夹爪滑动的痕迹，并且，板材没有出现其他的变形。这就证明折弯跟随动作与板材变形过程基本一致，跟随准确度较高。

4 系统软硬件资源的配置

系统的硬件资源包括数字量输入输出资源(DI/DO)、编码器计数资源(ENCODER)、脉冲输出资源(STEP)和电压输出资源(DAC)等，软件资源包括规划器资源（PROFILE）和伺服控制器资源（CONTROL），并通过轴资源(AXIS)将软硬件资源进行组合，如图7所示。在OtoStudio软件内部的PLC配置中进行各个资源基本属性的配置，并生成配置文件加载于不同工程中。

图7 软硬件资源配置

5 结束语

本文在计算机可编程控制器（CPAC）平台上开发了开放式折弯机器人控制系统。以CPAC作为硬件平台，通过脉冲方式控制伺服系统，系统扫描周期达到100μs。采用了分层模块化的软件体系结构，对各个软件模块的进行了描述。针对不同折弯工况要求，完成了折弯跟随、折弯联动、板料翻面等不同折弯工艺算法的集成，并对折弯跟随的基本原理和实现方法进行了详细的描述。实践证明，所设计的折弯机器人控制系统运行稳定，功能完善，并具有良好的扩展性和开放性。

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