基于开放性系统的折弯机器人控制系统的开发探析

基于开放性系统的折弯机器人控制系统的开发探析

汪显成

上海研岩自动化设备有限公司 上海 201700

摘 要：近年来，对人口红利的收益逐渐消退，自动化技术越来越受到重视。金属板材制造业是一种危险性高、劳动强度大、工作环境恶劣的劳动密集型产品，机器人辅助自动化折弯成型成为近年来行业发展的热点。结合上海西翱工业自动化设备有限公司的折弯机器人，利用开放式的PC系统控制平台，进行了折弯机器人的硬件系统、软件系统和折弯跟踪算法的研究。实践证明，本设计具有良好的稳定性、良好的可扩充性、良好的人机交互接口、快速的反应和平滑的运行特性。

关键词：折弯辅助机器人；控制系统；折弯随动算法

自动化折弯加工主要由折弯机、折弯机器人、示教器、抓手、定位工作台和控制台等组成，配合 CNC折弯机，并配有原料台，成品仓库，工具架等配件，组成自动成型工艺装置。该折弯是自动折弯加工装置能完成对待加工板材的自动抓取、自动折弯和码垛等整套加工过程的全自动作业。与一般的机器人一样，折弯机器人也是由两个主要的部件构成，即主体和控制系统。在此基础上，本文提出了一种基于机械臂的机械臂运动机构设计方法。机器人的基本功能是对工作区内的运动位置、姿态、轨迹以及运动时间等进行操作，其性能的好坏直接影响到整个机器人的整体性能。同时，对机器人的控制进行研究，也被视为是最基本的工作。

一、基于开放性系统的折弯机器人控制系统设计

本文以上海西翱工业自动化设备有限公司折弯机器人为研究对象，利用 Beckhoff开放式计算机软件平台，研制出一套面向自动弯折成型加工的特殊控制系统。

（一）硬件系统设计

硬件是完成各类动作的实体载体，它直接关系到整机的性能，可扩展性，制造费用等。在此基础上，结合汇川公司的第三代伺服驱动器及伺服马达，研制出了一套具有自主知识产权的全自动折弯机控制器、 I/O及以太网扩展模块。该装置具有结构简单、易于安装、价格低廉等特点。硬件组成部分，由CX5140-0123动作控制器、EL1809数模输入装置2个、EL2809数模输出装置2个、EL3062数模输入装置1个、EK1110 EtherCAT总线扩展装置1个、手持式示教器1个、GT-H10式位移传感器2个、6个轴的伺服驱动装置和电动机构成。

其中采用嵌入式 PC机，CX5140为 TwinCATNC PTP级控制器，它能够完成“点到点”动作的编程，并可加装相应的插件卡，实现对电动凸轮、飞锯等的支持。本系统为模块式，体积小巧，以槽式方式进行，易于安装。该模块由2个EL1809数模输入模块、2个EL2809数模输出模块和一个 ErherCAT界面扩充模块EK1110依次插入构成一个整体。康科公司的SZ7ES系列教学设备通过 Profibus与控制器直接相连。HB0412数控弯管机与数字输入模块EL1809和数字输出模块EL2809连接，以实现对 I/O信号的交换。两台 KenzersGT-H10的位移感应器与一个双声道EL3062类比输入模组相连，以即时回馈后挡指端的位置。EK1110以有线方式与Z轴，A轴，X轴，Y轴，B轴，C轴的伺服驱动器按顺序串行。整个硬件体系都是通过最方便的方法来实现的，后面还可以再串联其他的伺服驱动器和马达，这样就具备了更好的扩展性。

（二）软件系统设计

对于折弯机器人来说，上海西翱工业自动化设备有限公司折弯机器人的硬件体系和市面上常见的机器人并没有什么不同，因为它有自己的特点，所以两者之间的差别只是一个软件层次。折弯机器人的整体工作过程如图3所示。

图 3 折弯机器人工作流程图

折弯跟踪控制是该工序的关键，它要求 CNC折弯机和机械臂之间相互配合，两者协调运动的轨迹的准确性和同步程度直接关系到整体折弯工艺的成败，其输入输出信号和工作流程如图4所示。

图 4 折弯随动的控制流程图

在此基础上，利用 ST编程在 TwinCAT中编制了相关的程序，并针对使用者的操作习惯，完成了一套完整的控制软件系统。该软件的人机接口包括：主接口（main），示教接口（Teach），人工模式（JOG），接口变量（I0），测试（Test），警报（Alarm），文件保存（Save）配方（Recipe）等几个部分。该系统具有明确、友好、简单的接口。该系统具有简洁、易扩充的特点，能满足用户的需要。

二、折弯随动算法的开发

在机械臂的自动折弯过程中，折弯跟踪是最重要和最困难的操作。当机械臂执行折弯跟踪时，机械臂的夹紧装置必须与折弯机械滑块的运动保持一致的配合，若机械臂的运动轨迹发生扭曲，将会严重地降低折弯的精度，严重的会导致装置的损伤，从而导致安全事故。为此，着重研究了自动折弯装置中的折弯跟踪这一核心问题。

（一）折弯随动过程的动作原理

折弯跟随工艺的作用机理如图1所示，以 A轴的运动轨迹作为研究目标，折弯跟踪的过程需要折弯与机械臂的协同工作，这就需要Z轴，Y轴，A轴三轴联动才能实现。通常，利用在夹紧装置上的真空吸盘吸附钢板，在抽吸时具有一定的间隔，从而达到对 A轴角偏差的补偿。所以，在跟踪移动时，A轴转角的准确性并不需要很高，从实践的应用经验来看，10度到15度的角偏差并不会对折弯的精度造成任何的影响，

这是在完全可以接受的范围内。然而，在加工过程中，Dy、Dz、 DA三者的定位关系对加工路径有很高的需求，不然将造成加工路径畸变，造成材料在板料上的滑移，从而降低折弯加工精度及装备运行的可靠性。

图1 折弯随动过程的动作原理图

（二）随动算法的功能单元开发

采用以 Beckhoff公司的CX5140-0123型智能机械手为核心，以 TwinCAT为基础，以 TwinCAT为基础，利用 ST语言实现了其函数块（function Block）的设计，其主要工作包括：在 TwinCAT中，完成“Bending_Following”函数模块的编制，然后将其编辑成“Bending_Following.li b”，由 PLC编程中直接使用，同时利用Twin-CAT NC提供的电控凸轮函数来实现对折弯跟踪的运动控制。

结束语：

综上所述，利用 Beckhoff公司的开放式系统平台，实现了折弯机器人的硬件系统、软件系统和折弯随动算法的研制，同时利用 TwinCATNC内置的电动凸轮函数实现折弯随动工艺的运动控制，提高了该系统的运动控制的动力学响应能力。实践证明，本设计的控制器具有良好的稳定性、良好的可扩充性、良好的人机交互接口、快速的反应和平滑的运行特性。

汪显成（1983.10）,民族：汉，性别：男，籍贯：江苏省苏州市，学历：本科，职称：中级，研究方向：人工智能机器人应用,AI机器人边缘控制