（机械电子工程专业论文）柔性腕综合性能测试试验台数控系统开发.pdf

摘要 本文结合国防科工委科研项目“柔性腕”，以开发柔性腕综合性能测试试验 台数控系统为目标，采用数字控制、机器人控制、软件工程学等技术，在开放式 控制系统构建、多任务实时调度、面向对象的程序设计以及力觉信号采集和力控 制等方面进行了大量工作。 首先，在详细分析本项目中柔性腕结构与性能要求特殊性以及试验台机械结 构的基础上，确立了以d m c ( d i g i t a l m o t i o nc o n t r o l l e r ) 数字运动控制器和工控 机系统为系统支撑的双c p u 开放式数控系统，“p c + 适配器”结构的系统硬件配 置方案。 软件设计方面，采用了面向对象的程序设计方法，并综合利用了多媒体定时 器和多线程技术，使用v i s u a lc + + 6 0 语言完成了对系统管理与调度、人机界面、 程序编译及力觉信号采集与力控制等软件模块的开发，实现了数控系统准确、可 靠运行。 构建了由拉压力传感器、信号调理、a d 转换及i p c 组成的力觉信号采集系 统，在分析力控制与位置控制之间关系的基础上提出了采用分段线性减速算法对 系统减速过程进行处理的方案，并通过速度、位置控制来实现柔性腕试验台的力 一位混合控制。 作为柔性腕产品化的关键设备，该研究成果已成功应用于对复合结构柔性腕 各项性能的测试。 关键词：柔性腕开放式数控系统面向对象的程序设计 a b s t r a c t a sap a r to ft h ep r o j e c t t i c o m p l i a n tw r i s t 。，t h i sd i s s e r t a t i o na i m sa tb u i l d i n gt h e c n co f s y n t h e t i c a lp e r f o r m a n c e t e s t - b e df o r c o m p l i a n t w r i s t b a s e do nt h e t e c h n o l o g yo fn u m e r i c a lc o n t r o l 、r o b o tc o n t r o la n ds o f te n g i n e e r i n g ，t h i sp a p e r d e a l sw i t hm e t h o d o l o g yo f b u i l d i n go p e na r c h i t e c t u r en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m 、 m u l t i t a s k i n g 、o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g 、f o r c es e n s i n ga n df o r c ec o n t r o l ，t h e f o l l o w i n g w o r kh a sb e e n c o m p l e t e d f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f t h ep e r f o r m a n c eo f c o m p l i a n tw r i s ta n dt h e s t r u c t u r eo ft e s t - b e d ，t h eh a r d w a r eo fc n ci sd e s i g n e d w i t ht h ei d e ao fb u i l d i n ga d o u b l ec p uc n c ，t h i sp a p e ra d o p t st h e “p c + a d a p t e r s t r u c t u r ew h i c hu s e sd m c r d i g i t a lm o t i o nc o n t r o l l e r ) a n di p c a st h es u p p o r tu n i to f s y s t e m i nt h es o f t w a r ed e s i g no fc n c ，s o m en e wm e t h o d sh a v eb e e na d o p t e dt oa s s u r e t h ep r e c i s i o na n ds t a b i l i t yo f s y s t e m ，s u c ha so o p 、m u l t i m e d i at i m e r a n dm u l t i t h r e a d a l lt h em o d u l e si n c l u d et h es y s t e mm a n a g e m e n t 、i n t e r f a c e 、p r o g r a mc o m p i l i n ga n d f o r c es e n s i n g & c o n t r o la r ed e v e l o p e d 谢血t h ea i do f v i s u a lc + 十6 0l a n g u a g e t h ef o r c es e n s i n gs y s t e mw h i c hi sc o m p r i s e do fs e n s o r s 、a da n di p ci sb u i l tu p h a v i n ga n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nf o r c ec o n t r o la n dp o s i t i o nc o n t r o l ，t h e s t a g g e r e dl i n e a rd e c e l e r a t ea r i t h m e t i ci sp r e s e n t e d t ot r e a tw i t l lt h es y s t e md e c e l e r a t e p r o c e s s w i t h t h eg o a lo f c o n t r o l l i n g t h ef o r c ei nd e c e l e r a t ep r o c e s s ，a ni m p l i c i th y b r i d f o r c e p o s i t i o n c o n t r o ls c h e m ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a st h ec r i t i c a le q u i p m e n to f c o m p l i a n tw r i s t si n d u s t r i a l i z a t i o n ，t h i sr e s e a r c hh a s b e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ep e r f o r m a n c et e s tf o rc o m p l e xs t r u c t u r ec o m p l i a n t w r i s t k e yw o r d s ：c o m p l i a n tw r i s t ，o p e na r c h i t e c t u r en u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e m ，o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鬟交，彳、 签字日期： 。年月b 日 学位论文作者签名：炎叹习、 签字日期： 。年月b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤注盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论丈的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 是乏r 彳、聊躲舶 签字日期：p 弘年月d 日 签字日期：o ；f 年月j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数控系统的发展概况 自五十年代第一台数控铣床在美国诞生以来，以往离散的机械n 1 2 e 序被计 算机高度集中起来，使机械制造实现智能化、全自动化成为可能，出现了机电一 体化的概念。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它实质上是信息技术、 计算机技术、制造技术等各种先进技术的结合，也是制造工业发展的必然。对于 制造业而言，数控系统的发展和应用是最具里程碑意义的变革。 1 1 1 数控系统发展回顾“”1 “” 数控系统是适用于机械控制的专用计算杌应用技术，它的产生、发展与微电 子元器件和计算机技术( 包括硬件和软件两方面) 的发展密切相关。机床数字控 制( n c ) 出现后，仅用了二十年，控制元器件发生了四次根本性的革命，既由 电子管到晶体管、小规模集成电路直至大规模集成电路。滚珠丝杠、滚动导轨、 调频变速主轴的应用，加工中心( m c ) 的产生，都给机床结构带来了极大的变 化。伺服系统也从步进电机、直流伺服电机发展到交流伺服电机，机床在机械结 构和功能方面有了极大的发展。这个时期数控技术主要依赖于硬件的发展。到了 七十年代初期又发展了计算机数控( c n c ) ，是软件技术在制造业中得以大显身 手。过去的硬件系统要作某些改变或是增加一些功能，都要重新进行结构设计， 而c n c 系统只要对软件做些必要的修改，就可以适应一种新的要求，随着工 业机器入、自动上下料机构、交换工作台、自动换刀装置的发展，自动化程度更 高柔性更强的所谓柔性制造单元( f m c ) 也随之应运而生。由于计算机通讯技 术和自动编程技术等方面的巨大进步，使得一台大型计算机控制若干台机床，或 由中央计算机控制若干台c n c 机床的计算机直接控制系统( d n c ) 成为现实。 七十年代末，八十年代初，由于计算机辅助管理物料自动搬运、刀具管理和计算 机网络、数据库的发展以及c a d c a m 技术的成熟，从而研制出更加系统化， 规模更大的柔性制造系统即f m s 。与此同时，控制模式也从传统的专用型封闭 式开环控制模式衍变为如今的通用型开放式实时动态全闭环控制模式。 1 1 2 开放式数控系统川7 m m l 1 c l l t i l l 开放式数控系统的概念在8 0 年代就已出现”。”1 ，i e e e ( 国际电气和电子 工程师协会) 总结了对开放式数控系统的定义是：开放式系统应能使应用程序在 不同厂商的各种平台上运行，能够与其它系统的应用程序相互操作，并具有用户 界面的一贯形式。由此可见，开放式系统必须提供接口能力、相互操作能力和界 第一章绪论 面的一致性。系统明确定义了这些模块之间的接口以及这些模块和实现平台之间 的接口，以便在构成一个完整、正确的功能化控制时，不同厂家的模块能相互合 作，进行有意义的组合，并能在各种平台上运行。 综合起来，开放式数控系统应有以下特点。( 1 ) 开放性，提供标准化环境的 基础平台，允许开发商的不同软、硬件模块介入：( 2 ) 可移植性，不同应用程序 模块可运行于不同生产商提供的系统平台，同时系统软件可运行于不同特性的硬 件平台之上；( 3 ) 可扩展性，其功能的增减仅表现为特定功能模块的装卸；( 4 ) 可替代性，不同性能、可靠性的功能模块可以代替，并且不影响系统的e 常协调 运行；( 5 ) 易操作性，标准化的接口、通讯和交互模型。因此，开放式数控系统 从一个全新的角度分析和实现了数控系统的控制功能，强调向模块化、平台化、 工具化和标准化发展， 早在1 9 8 1 年，美国国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性，开 始了名为“下一代控制器”n g c ( n e x t g e n e r a t i o n w o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) “叫的计划。随后1 9 9 4 年，美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司又启动了称 为“开放式、模块化体系结构控制器”o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r s ) ”的计划。使用这种结构，可以使制造者减少最初投资，缩短开发 时间，把使用者的专业技术集成在系统上，提供软硬件模块的“即插即用”。 与此同时，欧洲也提出了“自动化控制体系中的开放式体系结构”o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t c m ) 的概念，提 出了新型控制器的原则是：可组配、模块化和开放式，其核心技术是数字接口通 讯技术和通讯协议。 日本在1 9 9 4 年正式启动了由东芝机器公司、丰嗣机器厂和m a z a k 公司三家 机床制造商和日本i b m 、三菱电子及s m l 信息系统提出的“控制器开放系统环 境”o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t f o rc o n t r o l l e r s ) “计划，其目的是建立一 个国际性的工厂自动化( f a ) 控制设备标准。 目前，国内外研究的开放式数控系统概括起来有三种模式：“1 第一种叫衍生式，是专用n c + p c ，将p c 作为专用控制器的前端接口。在 传统的非开放式的c n c 上插入块专门开发的个人计算机模板，使传统的专用 c n c 带有个人计算机的特点。这里，传统c n c 没有改变，进行实时插补、伺服 控制、电源控制以及i o 控制等一些实时控制：p c 部分执行前端管理等非实时 控制，例如人机界面，存储和通讯。这是一种折中的方案，在专用的c n c 系统 中加入p c 的前端接口，使其具有p c 处理的柔性，也就是说，这种模式只具有 部分开放性，它不能实现n c 内核的开放。 第二种叫嵌入式，即p c + 适配器。p c 机作为系统的核心，将控制卡插入到 第一章绪论 p c 的标准扩展槽中完成各种标准数控功能，一般p c 机处理各种非实时性任务 j 系掣u 划衅 i l _ j 1 通讯系坑 iii ；i 操作系统 1 l 操作系统 l ；i 硬件 l1 硬件 l - r 控机开放式运动控制舞 图1 1 “p c + 适配器”开放式数控系统应用平台的典型结构 由控制卡处理实时任务。图1 1 给出了“p c + 适配器”开放式数控系统应用平台 的典型结构。这种模式中，p c 能提供一定意义上的开放，控制卡能保证实时性， 是目前研究以p c 为基础的数控系统的主流。美国d e l t at a ud a t as y s t e m 公司的 p m a c 、德国p a 公司的p a 8 0 0 0 、美国o r m e cs y s t e m 公司的o r i o n 、美国g a l i l 公司的d m c 、德国i n d r a m a t 公司的m t c 2 0 0 都是类似的这种模式。 第三种叫扩展式，即p c + c n c 接1 2 板。将c n c 接口板插入到p c 机的标准 插槽中，这里的p c 是不需要改造的通用p c ，整个系统由p c 扩展而成。个人计 算机即完成前端管理等非实时性任务，又完成如实时插补、伺服控制、电源控制 及i o 控制等一些实时任务，c n c 接1 2 板则担任沟通p c 接口和物理驱动器连接 的任务，能够最大限度地利用p c 的软硬件资源。 1 1 3 国内数控发展状况“1 进入8 0 年代，我国数控系统技术的开发研究有了较大的发展“”，尤其是经 过“六五”( 1 9 8 1 1 9 8 5 年) 规划引进国外技术，“七五”( 1 9 8 6 1 9 9 0 年) 规划对 引进技术的消化吸收，“八五”( 1 9 9 1 1 9 9 5 年) 规划国家组织科技攻关对自主版 权的开发及“九五”( 1 9 9 6 2 0 0 0 年) 规划国际组织产业攻关等各个阶段实施， 开发了具有我国自主版权的2 个基本系统平台、4 中数控系统及其派生产品。其 中，中华i 型、华中i 型是基于p c + 数控卡构成硬件平台而进行开发的。航天i 型是利用p c 机的体系结构设计的与通用p c 机兼容的微机，加上数控通用，专用 模板，构成了单机数控系统，在这个基础上，再与通用p c 机互连，构成了典型 的前后台结构的多机系统。蓝天i 型是在原7 5 0 0 系列的高档数控的基础上，通 过大规模可编程门阵列芯片( e p l d ) 二次集成，缩小化设计后与通用p c 互连， 构成了8 5 0 0 系统多机系统。现在，随着芯片技术及计算机技术的高速发展，利 用通用微机系统设计开发方式结构的数控系统，把开发工作转移到软件设计及控 第一章绪论 制算法上，在上述的4 种数控系统中都有了突破，他们都有五轴以上的多轴联动 功能。在新一代数控系统的开发研究上，国内与国外都站到了同一起跑线上，也 能够自行开发出国产数控机床所需要的各种类型的数控系统。 1 2 面向对象的程序设计技术“3 “1 随着数控技术的发展以及开放式数控体系结构的出现，人们对数控系统的要 求在不断提高，在这种情况下，数控系统的软件设计变得越来越复杂，设计良好 的软件系统框架成为数控系统开发的一个至关重要的环节。然而在现有的数控系 统中，软件设计仍大量采用单一流程面向过程的设计方法。因此在已有数控系统 相关文献中，对软件系统的介绍局限于功能模块的划分及其实现方法，而对于如 何处理功能模块之间的相互关系介绍的比较少。现有的软件系统设计方法制约了 数控系统功能的提高及改进，很有必要研究新型的数控系统设计方案。 面向对象的方法起源于面向对象的编程语言。“面向对象”一词源自于s i m u l a 语言，而真正的面向对象编程是由s m a l l t a l k 奠基的。s m a l l t a l k 现在被认为是最 纯正的面向对象编程语言。正是通过s m a l l t a l k 8 0 的研制与推广应用，使人们注 意到面向对象方法所具有的模块化、信息封装与隐蔽、抽象性、继承性、多样性 等独特之处，这些优异特性为研制大型软件，提高软件可靠性、可重用性、可扩 充性和可维护性提供了有效的手段和途径。8 0 年代以来，人们开始将面向对象 的基本概念和运行机制运用到其它领域，获得了一系列相应领域的面向对象技 术。面向对象方法已被广泛应用于程序设计语言、形式定义、设计方法学、操作 系统、分布式系统、人工智能、实时系统、数据库、人机接口、计算机体系结构 以及并发工程、综合集成工程等，在许多领域的应用都得到了很大的发展。1 9 8 6 年在美国举行了首届“面向对象编程、系统、语言和应用( o o p s l a 8 6 ) ”国际会议， 使面向对象受到世人瞩目，其后每年都举行一次，这标志着面向对象方法的研究 已普及到全世界。 面向对象的程序设计就是把面向对象的方法应用到软件工程的分析和设计 之中，从而建立适应需求的系统模型。近几年来，面向对象技术无论是在理论上 还是实践上都在飞速地发展，这种程序设计思想已经跨越了硬件平台和软件平台 的限制，成为了编程的主流风格。面向对象技术中最重要的就是“对象”的概念。 这种“对象”具有一定的属性和方法，这里的属性指对象本身的各种特性参数。一 个具体的对象可以有许多的属性和方法，面向对象技术的重要特点就是对象的封 装性，对于外界而言，并不需要知道对象有哪些属性，也不需要知道对象本身的 方法是如何实现的，而只需要调用对象所提供的方法来完成特定的功能。程序设 计中，程序员只是在编写对象方法时才需要关心对象本身的细节问题，大部分的 第一章绪论 时间是放在通过调用对象的方法来组织这些对象进行协同工作，从而大大缩短了 软件设计周期。 面向对象技术有以下的优点：“” ( 1 ) 维护简单。模块化是面向对象编程中的一个特征。实体被表示为类和同 一名字空间中具有相同功能的类，我们可以在名字空间中添加一个类而不会影响 该名字空间的其它成员。 ( 2 ) 可扩充性。面向对象编程从本质上支持扩充性。如果有一个具有某种功 能的类，就可以很快地扩充这个类，创建一个具有扩充的功能的类。 ( 3 ) 代码重用。由于功能是被封装在类中的，并且类是作为一个独立实体而 存在的，提供一个类库就非常简单了。 面向对象的方法克服了原有软件系统规模庞大、研制周期长、维护费用高、 软件系统过于复杂、应用软件不易集成等困难。随着o o p ( 面向对象编程) 、o o d ( 面向对象设计) 和o o a ( 面向对象分析) 的发展，最终形成面向对象的软件 开发方法o m t ( o b j e c tm o d e l i n gt e c h n i q u e ) 。这是一种自底向上和自顶向下相 结合的方法，而且它以对象建模为基础，不仅考虑了输入、输出数据结构，实际 上也包含了所有对象的数据结构。 1 3 课题的提出及意义“们“7 ”1 现代工业的进步，促进了机器人及其相关技术飞跃发展，尤其是工业机器人。 其在制造业的装配领域中得到了广泛应用，并显示出高效、安全、稳定的优越特 性。但随着工业生产速度的提高及被装配零件间动态作用加强，机器人操作手对 装配过程的动力学效应变得非常突出，工件和机器人操作手的固有质量特性对任 务的性能的影响逐渐加大。 r c c ( r e m o t ec e n t e rc o m p l i a n c e ) 正是针对机器人轴孔装配作业而设计出 来的一种适从装置! ，最初是由美国人w h i t n e y 领导的d r a p e r 实验室研制，专门 针对有例角的插轴入孔装配作业而设计。r c c 是一个装在机械手腕与末端执行器 之间，具有多个自由度的弹性装雹，选择弹性体的刚度可获得不同的顺应性。r c c 装置有一个突出的运动学行为，即结构本身确定了在空间上的一点，在该点可动 部件对施加的外力只产生沿力方向的平移，对施加的外力矩只产生沿力矩方向的 转动，这一点称为柔顺中心。将r c c 装鼍安装在机器人操作手上，可以帮助机器 人j i i 哽n 完成诸如插轴入孔等典型装配作业。 目前，常用的r c c 手腕有3 个弹性杆。为提高手腕的承载能力和可靠性，改 善手腕柔顺性能的各向异性，出现了采用4 个甚或更多弹性杆的r c c 手腕。由于 传统意义上的r c c 是一种机械装爱，其机械刚度( 柔度) 和柔顺中心是不可变的， 第一章绪论 因而专用性很强，近来又出现了一种柔顺中心和刚度可调节的r c c 装置，但机械 结构的复杂性增加，其柔顺中心和刚度的调节范围有限。在某些场合，为满足某 种刚度( 合成刚度) 要求，加大柔顺中心距离，也可采用双层或多层r c c 装置。近 年来，又相继开发出可变柔顺参数的v r c c 、装有传感器的i r c c 和主被动复合 柔顺装置，其中也采用了层叠弹性杆作为弹性元件。层叠弹性元件特性将直接影 响上述装置的性能优劣。因此，深入研究层叠弹性杆的设计理论和特性，己成为 设计r c c 装置的主要基础内容。 国防科工委科研项目“柔性腕”旨在进行特殊用途柔性腕的开发，项目中的 柔性腕采用先进的通用r c c 的层叠式结构进行设计。而本柔性腕与通用的r c c 相比较，其性能要求有很大提高，主要有以下几个特点： 性能范围要求宽：柔性腕承载范围大，要求抗拉1 0 0 0 n 抗压4 0 0 0 n ，且 有拔出动作。位移补偿范围为3 5 m m ，这也是通用r c c 所不具备的。 受力点不同：柔性腕受力点与轴线偏差6 0 r a m ，使柔性腕受力后易发生 倾转，部分弹性元件处于拉伸状态。 柔性腕水平安装使用：r c c 通常使用主要为垂直向下安装或所持零件较 轻，如果r c c 水平安装并进行操作时，在持重较大的情况下，必然造 成未插装前弹性体就以产生了变形，一方面致使r c c 横向柔顺力在平 面内表现为各向异性，另一方面使补偿的有效半径减小，最终影响r c c 的许用补偿范围。 目前，r c c 在日本、欧美已经成为系列化的产品，而国内还没有相关的产品 组织生产。究其原因，主要是由于层叠型弹性元件采用橡胶材料作为主弹性体， 其力学特性比较特殊，而国内对弹性元件的理论分析还不充分，理论设计的结果 也不够理想。解决这个问题的方法，就是通过试验验证来测试柔性腕的性能，确 保其满足实际应用的要求。同时，通过对试验数据的分析还可以进一步提出对以 后设计的指导性建议。由于本课题所涉及的柔性腕为国防军工项目，作为军工用 途的产品其性能要求更加严格，因此为了满足设计的要求必须对生产出的柔性腕 试件设计试验进行测试，保证同一柔性腕中各弹性体性能的一致性，必须设计研 发柔性腕综合性能测试试验台，该设备要求能够完成拉、压、加载试验，测量各 种偏差补偿量，柔顺中心位置，柔性腕各向刚度，弹性元件各向刚度等。 该项目的研制属于特殊专用数控系统及设备的研究与开发，是典型的机电一 体化范畴。该项目的研究成果将极大地促进柔性腕的系列化和产品化，填补国内 空白。 第一章绪论 1 5 课题研究的主要内容 柔性腕综合性能测试试验台是柔性腕产品化的关键设备。本课题将根据柔性 腕性能测试的具体要求，在设计确定测试系统整体方案的及总体结构的基础上， 研究开发柔性腕综合性能测试试验台数字化控制系统，使其能够完成对本项目中 的柔性腕综合性能的测试，从而确保生产出来的柔性腕产品达到各方面的性能要 求。 为保证试验台数控系统的实用性、先进性和可靠性，本文采用d m c l 8 4 2 ( 数 字运动控制器) 与工业控制用微机作为数控系统控制核心，并辅以a d 和数字 i o 模块，构建了双c p u 的开放式数控系统。 全文内容如下： 第一章介绍开放式数控系统以及面向对象的程序设计的国内外发展现状 和存在问题，阐述课题研究提出的背景及其意义。 第二章介绍柔性腕的结构及其综合性能测试试验台的机械部分结构，详细 描述了试验台工作原理和它所能实现的各种功能。 第三章介绍柔性腕综合性能测试试验台数控系统的硬件总体方案。依据现 代工控系统设计方法对系统各功能模块进行设计，采用d m c + i p c 为控制核心，辅阱a d 和数字i o ，完成对双c p u 开放式数控系 统的构建。文中对各部分的接口电路进行了详细分析。 第四章本章提出了柔性腕综合性能测试试验台数控系统的软件部分总体 方案。软件设计中采用面向对象的程序设计方法，以w i n d o w s 9 8 操作系统和v i s u a lc + + 6 ，0 语言作为开发平台，运用模块化设计技 术，编制了数控系统各控制模块。 第五章介绍了试验台力觉信号的采集系统构成，力觉信号的滤波处理以及 力控制方案和系统加减速益线，并对试验数据进行了分析。 第六章课题结论。 第二章柔性腕及其综合性能测试试验台结构 第二章柔性腕及其综合性能测试试验台结构 2 1 引言 本课题所涉及项目为柔性腕的开发与研究，该柔性腕采用通用r c c 的结构 进行设计。而与通用r c c 相比，其性能指标又有很大提升，并要求有一般装配 中所没有的拔出操作。国内对r c c 性能进行测试的专用设备尚属空白，因而开 发柔性腕综合性能测试试验台具有重要意义，它是实现柔性腕产品化的关键环 节。 本章重点研究柔性腕及其综合性能测试试验台的结构，并对柔性腕的各项性 能的测试试验进行了分析，这是构建试验台数控系统的基础。 2 2 柔性腕结构 本课题所涉及的科研项目为特殊性能柔性腕的研制，作为试验台的测试对 象，其结构如图2 1 所示。它是由上下连接盘、弹性元件及抗拉抗压过载杆组成， 两端的安装盘可用于连接末端执行器。弹性体为橡胶 与金属的层叠复合结构，具有很好的柔顺性能。 对柔性腕进行的性能测试主要包括： 插拔试验：柔性腕一端连接插头，另一端安装在 运动轴末端的连接法兰上。调整x 轴以及工作滑台的 位姿，在存在位移偏差、插入角度偏差或扭转角度偏 差等多种情况下，测试通过柔性腕的柔顺性能将插头 插入插座的情况( 如图2 _ 2 ) 。柔性腕的设计要求达到 3 5 m m 位移补偿，而且在插入时其受力点与柔性腕轴 线并不重合，而是有6 0 m m 的偏差。 柔性腕 插入角度 ， 图2 2 柔性腕插拔试验 安装盘弹性体 图2 1 柔性腕结构 - 一位移偏差 l 第二章柔性腕及其综合性能测试试验台结构 抗拉试验：通用r c c 一般不具备抗拉的性能，故其抗拉强度一般为2 0 0 n ，而本 柔性腕要求抗拉强度达到10 0 0 n 。 抗压试验：通用r c c 一般的抗拉强度一般为2 0 0 0 n ，本柔性腕要求可承受4 0 0 0 n 的轴向压力。对柔性腕施加轴向压力，根据力与变形的关系得出其轴向刚度。 侧向加载：对柔性腕施加侧向压力，以测试其柔顺中心的位置。在柔顺中心，施 加压力柔性腕只产生沿力方向的平移，施加外力矩只产生沿力矩方向的转动。根 据施加的侧向力与变形的关系可得出其侧向刚度。 2 3 试验台结构 根据本项目中柔性腕特殊的性能要求以及所需试验的内容，设计试验台机械 部分结构如图2 3 。 训f 厂卜u i 感器 连接浊兰 骣 t 作滑台 涡同目 = 2 啡 - d 、f 。鲴屠 斗毫 图2 3 试验台机械结构 如图所示，试验台机构主要由伺服电机、电动推杆、测力传感器以及各种传 动装置组成。其主体结构可分为四部分，即x 轴加载、x 轴旋转、y 轴加载以 及工作滑台。 2 3 1x 轴加载 x 轴是试验台的主要运动部件，可以完成对柔性腕试件的轴向加载以及插拔 试验。该轴由交流伺服电机驱动，其传动链为：电机一蜗杆一蜗轮一锥齿轮锥 齿轮一滚动丝杠一螺母滑块一推杆。通过推杆产生直线运动，由推杆连接力( 拉、 压) 传感器，经平行导杆将运动传到连接法兰，最后带动试验部件运动。x 轴末 第二章柔性腕及其综台性能测试试验台结构 端为连接法兰，柔性腕试件可通过过渡件固定到法兰上进行试验。x 轴传感器测 量范围为1 0 0 0 k g ，用于采集加载过程中轴向力的变化，并用于力控制。传感器 与末端执行器之间为球铰链连接，使法兰可以进行3 6 0 。旋转。由于电动推杆设 计时并未考虑旋转的影响，其在法兰旋转过程中由于摩擦也会产生旋转运动，这 对于位置控制以及传感器的信号采集都是不利的，因而需要利用与其平行的导杆 来对旋转自由度进行限制。 2 3 2x 轴旋转 柔性腕试件安装到x 轴连接法兰上之后，可通过旋转x 轴来达到所需角度， 主要用于产生扭转角度偏差。其传动链为：电机蜗杆一蜗轮一平行导杆一连接 法兰。 2 3 3y 轴加载 y 轴构成原理基本与x 轴相同，只是其不需要产生旋转运动，主要用于进 行y 轴轴向加载，测量柔性腕试件横向位移、横向刚度和弯曲刚度，确定柔顺 中心等。相比x 轴，其所需加载的力要小得多，因而力传感器的测量范围也较 小，为2 0 0 k g 。为了减小试验台的外形尺寸，y 轴在电动推杆末端折向相反的方 向，如图所示。 2 3 42 1 2 作滑台 试验台的工作滑台可进行水平和垂直方向精确移动，并可调整倾角。工作滑 台朝向x 轴方向为工作表面，上面有不同位置的定位安装孔，可用于安装兴具 和过渡件。工作滑台底部通过滑轨与试验台相连，松开固定螺栓后可进行前后移 动，以调整与x 轴的距离。 2 4 小结 本章主要介绍了柔性腕的结构及其综合性能测试试验台的机械部分结构，详 细描述了试验台原理和它所能实现的各种功能，这些是进行试验台数控系统开发 的基础。图2 4 所示为我们研究开发的柔性腕综合性能测试试验台设备外观圈。 第二章柔性腕及其综台性能测试试验台结构 图2 4 柔性腕综合性能测试试验台 第三章试验台数控系统硬件结构设计 第三章实验台数控系统硬件结构设计 3 1 引言 硬件结构设计是构建数控系统的基础，数控系统硬件设备的性能及相互之间 的匹配将对其后的软件设计和整个系统的正常工作产生重要影响。现代工业环境 对数控系统硬件的要求包括可靠性、所采用部件的通用性、环境适应性及性价比 等，因此试验台数控系统的硬件结构设计对于试验台各项功能的实现具有举足轻 重的作用。 本章针对柔性腕综合性能测试试验台数控系统，运用先进的设计方法从硬件 方面阐述了开放式数控系统的构建。 3 2 工业数控系统设计方法 随着生产和科技的飞速发展，数控系统的规模和复杂程度不断提高，其所 处理的任务也日趋复杂，而各种新部件的不断推出，也推动了数控系统设计方法 的不断交革。 就设计方法而言，现在已有如下的趋向： 随着硬件性价比的大幅提高，智能化程度的逐渐加强，使应用设计重 心从偏重部件设计向系统本身性能设计转移。 软件设计逐步向结构化、模块化靠拢。 软、硬件功能相互渗透。 除特殊需要外，系统设计过程中不再单独进行部件的设计，而把主要精力 放在如何合理的组成系统上，即提高系统整体性能，如：协调系统内各部件及接 口的关系；兼顾系统的可行性和先进性，软件和硬件的目前需要和今后发展等。 数控系统的设计过程也要求进行规范化，其中包括功能规范和性能规范。 由于各种数控系统的设计都是在用户具体的要求之下进行，功能规范就是要明确 系统所要完成的任务，一个好的功能规范可阻保证系统开发后期不出现大的反 复，同时它也是系统测试和验收的重要依据。性能规范就是要对系统的各项功能 给出量化标准，它可以作为测试、验收的具体标准。 3 3 系统功能 系统功能的确定是进行数控系统设计的基础，通过对功能要求的规范化，可 进一步分析和确定系统的任务，根据实际任务的需要选择数控系统的各组成部 件，才可以最终确定总体方案。 针对前一章所述试验台机械部分的结构，为满足试验台的正常运行及操控性 第三章试验台数控系统硬件结构设计 的要求，使整个系统运行安全可靠，数控系统的工作方式应该包括：手动、数据 输入、自动运行三种运行方式。其中，手动方式是指通过键盘上的按键控制各轴 单独进行正相和负向的运动，便于设备的调试和点动。数据输入方式是先在控制 界面上输入单点的位置、速度、最大力等参数，而后通过按键来执行操作，从而 控制各轴进行精确的运动。自动运行方式使用户可以通过在控制界面连续输入多 个点的参数，实现对各轴连续运动的控制，这些参数包括各点位置、速度、允许 的最大力以及延时等。通过设置工作零点及从工作零点开始的工作循环次数，可 以实现各轴的循环运动，满足对柔性腕进行连续插拔的试验要求。 为实现力控制，数控系统中还应包括力觉信号采集环节，可以对系统运行过 程中力传感器的信号进行实时采集，并交给系统处理。 7 因此本试验台数控系统的测量指标包括：x 轴位移、速度；y 轴位移、速度； z 轴旋转角度、速度；x 轴拉压力及其曲线；y 轴拉压力及其曲线等。 3 4 数控系统硬件控制方案 图3 1 数控系统硬件配置 考虑到系统所应具备的上述功能，同时为使设计的数控系统具有良好的可扩 充和易修改的特性，本文采用“p c 十适配器”结构的开放式数控系统，以软件技 术的研究和开发作为主体，辅之以少量控审4 卡的开发制造，主要硬件设备采用市 第三章试验台数控系统硬件结构设计 场流行的工业计算机，从而可以充分利用计算机硬件技术和软件的数控技术，加 速系统的升级换代。整个系统的硬件结构如图3 1 所示： 控制系统主体采用运动控制卡嵌入到工业控制计算机的扩展槽中，工控机主 要负责数据的实时采集与处理、程序的调度与控制，以及与下位机的通讯。系统 的x 轴和y 轴上的装有力传感器，通过对传感器信号进行处理，可形成对力的 动态检测。实时控制由运动控制卡来承担，主要实现对各轴运动进行位置和速度 控制，形成位置和速度闭环。 系统的硬件配置如下： 1 工控机采用研华( a d v a n t e e h ) i p c - 6 1 0 p 4 2 5 0 ，内存1 2 8 m ，硬盘4 0 g ，标准 p c 总线，系统配置了支持1 0 2 4 x 7 6 8 点阵，2 4 位真彩色的图形显示卡和1 7 ”高分辨率彩色显示器。 2 由试验台机械部分结构可知，试验台伺服电机数目为三个，因而所选用的适 配器应至少可以控制三轴。我们选用的是p c i 总线的d m c - 1 8 4 21 - 4 轴运动 控制器，这是美国g a l i l 公司的新产品，价格较低。其主要性能包括： 采用3 2 位高速m c u ，提供了许多运动控制方式，如定位、j o g 、 直线圆弧插补、仿型示教、电子齿轮、龙门同步驱动、电子凸轮、 螺旋线、正切跟随等功能。 双位置反馈接口功能可以消除机械换向间隙及滚珠丝杆离散误差。 除回零、限位、急停、高速锁存( o 1us ) 事件触发接口之外，还 为用户提供通用数字i o 接口。 d m c 数字运动控制器同时提供与伺服、步迸及液压马达的接口，用 户可以进行任意组合使用，实现控制系统最佳配置。 多任务功能可以同时执行8 个应用程序；控制器本身具有应用程序、 参数、变量、阵列元素存储功能，即使脱离主机控制器亦能正常运 行。提供了功能强大的2 字符命令集，在一般应用场合，用户可以 直接进行编程，快捷、简单，从而节省开发费用。 除此之外，g a l i l 公司还提供了相当齐全的软件工具，支持q n x 、d o s 、 w i n d o w s 3 x ，9 5 ，9 8 ，2 0 0 0 ，n t ，l i n u x ，a c t i v e x 、d l l ，使得用户能够以 此为基础开发独特的人机界面及一些高级控制算法。可以接收由a u t o c a d 产生的d x f 格式及h p g l 产生的p l t 格式的文件。 3 互联模块采用p i c m - - 2 9 0 0 ，这是美国g a l i l 公司为1 8 x 2 系列数字运动控 制器设计的新产品。其具有以下特点： 该模块通过1 0 0 针信号电缆与d m c 数字运动控制器相连接，用户 通过p h o e n i x 连接端予与外部信号相连接。 1 4 - 第三章试验台数控系统硬件结构设计 所有t t l 电平输入输出信号进行光电隔离电路处理，提高了整个 系统的抗干扰能力，用户也可以很方便地实现外部信号与d m c 数 字运动控制器之间接口。 每件p i c m 2 9 0 0 提供与4 个坐标轴信号接口，如果使用4 轴以上 d m c 数字运动控制器时，可以选用2 件p i c m - 2 9 0 0 。 4 i o 卡采用研华( a d v a n t e c h ) p c l ，7 3 14 8 b i td i g i t a li oc a r d 。 提供了4 8 路可编程数字量i o 口。 每个端口仿真一个8 2 5 5 可编程外设接口( p p i ) 模式0 的操作，但能 够提供比8 2 5 5 更高的驱动能力缓冲电路。 p c l 7 3 1 的d i o 端口组合成了六个8 位的端口，用户可以通过软 件对输入或输出端口分别进行配嚣。 可以通过一个5 0 脚o p t o 一2 2 兼容接口与s s r 模块载扳直接相连。 5 输出端子板采用p c l d 一7 8 5 b ，这是专门为工业控制应用设计的继电器输出端 子板。它包括2 4 个电磁s p d t 继电器，由p c l 。7 2 2 ，p c l 一7 2 4 和p c l 7 3 1 ( a ) 的2 4 位数字量输出口驱动。 6 i o 输入扩展板采用研华的p c l d 7 8 2 b 。这是一个带2 4 路光隔离的输入扩 展板，其技术指标包括： 所有输入口都带l e d 显示。 逻辑输入低电压 o 8 v d c ，逻辑输入高电压+ 3 v d c 至+ 2 4 v d c ，逻 辑输入高电流7 6 m a 至5 0 m a ，隔离电压可达2 5 0 0 v d c 。 具有2 4 路光隔离数字输入及5 0 芯o p t o 一2 2 兼容接口，极限电压从 3 v d c 一2 4 v d c ，可通过改变限流电阻调节。 可通过跳线选择电压输入模式或干接点输入模式。端子全部采用螺 丝连接，接线方便。 d m c 提供了i o 接口，可以用于连接8 个数字输入量和8 个数字输出量， 有的类型还具有模拟量输入口。但从图中可以看出，基于系统的开放性方面的考 虑，本系统设计时并没有利用这些接e l ，而是使用了专门的i o 卡p c l 7 3 1 ，以 提供更多的输入输出接点，为数控系统的进一步扩展功能做准备。下面将对图中 部分的接口进行说明。 3 5d m g 硬件接口技术 d m c 是g a l i l 研制专业用于精密运动的控制器，目前有2 5 0 ，0 0 0 台以上的 运动控制器在全世界稳定运行，精密、使用方便、价格低廉及技术支持有力的特 点使其应用领域涉及医疗、半导体、纺织、物料搬运、食品加工、机床、产业机 第三章试验台数控系统硬件结构设计 械、航天、测试测量等众多领域。 微 替 3 2 位微处 型 理器i d c u 计 ( r a m 算 特 母r o m 机 皿p r o m ) 幽3 2 d m c 结构框图 图3 2 所示为d m c 通常用的结构框图，p c 通过读写f i f o 与d m c 微处理 器实现命令写入和状态读出。d m c 微处理器通过电机驱动器和编码器输入高速 接口与电机驱动器连接。若用于驱动步进电机，高速接口有脉冲指令输出和方向 控制输出；若用于驱动伺服电机，高速接口有速度命令输出