（机械电子工程专业论文）七自由度柔顺手腕测试试验台控制系统开发.pdf

摘要 柔顺手腕是用于机器人轴孔装配作业的一种柔顺装置，本课题致力于研究开 发柔顺手腕测试试验台的控制系统。 本文根据柔顺手腕的结构和性能要求，在详细分析测试试验台的机械结构的 基础上，采用工业控制计算机( i p c ) 和多轴数字运动控制器( d m c ) 作为系统的控制 中心，配以p a n a s o n i cm i n a sa 4 系列交流伺服系统以及在此平台上自主开发的 数控软件，构成了开放式数控系统。本系统硬件体系结构具有开放式、模块化特 点，经济实用，具有良好的可靠性与控制精度。 在硬件结构上，主要在以下几个方面作了深入的研究：控制系统的硬件配置； 控制系统的硬件接口技术：力觉信号采集系统的设计。 在软件结构上，系统以w i n d o w s 2 0 0 0 作为操作系统平台，并采用面向对象的 程序设计方法，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 + 十6 0 语 言完成了对系统管理与调度，以及人机界面、程序编译及力觉信号采集与力控制 等软件模块的开发。从实际应用情况来看，能够达到c n c 系统软件对实时性、多 任务处理与协调能力、开放性和模块化、界面友好等要求。 本系统经初步试验得到了较好的应用效果。 关键词：柔顺手腕开放式数控系统运动控制器d m c 面向对象的程序设 计 a b s t r a c t c o m p l i a n tw r i s ti sak i n do fc o m p l i a n td e v i c ew h i c hc a nb eu s e di ns h a f ta n dh o l e m a t i n g ，t h i sp r o j e c ta i m sa tt h ec n cr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h et e s t - b e df o r c o m p l i a n tw r i s t i n t h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h ec o m p li a n tw r i s ts t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e ，a no p e nn c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) s y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h e a n a l y s i so ft h et e s t b e dm e c h a n i c a ls t r u c t u r e t h ec o n t r o lc e n t r eo f t h es y s t e ma d o p t s ap r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t ed i s t r i b u t e dd u a l - c p us t r u c t u r e ，w h i c hi sc o m p o s e do fa l l i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ( i p c ) a n dap r o g r a m m a b l em u l t i - a x e sd i g i t a lm o t i o n c o n t r o l l e r t h i sc o n t r o lc e n t r ec o n s t i t u t et h eh a r d w a r ep l a t f o r mw i t ht h ep a n a s o n i c m i n a sa 4s e r i e sa c s e t - c os y s t e m a n dt h es o f t w a r eo fn cs y s t e mi sd e v e l o p e d i n d e p e n d e n t l y s ot h i ss y s t e mh a sm o d u l a r i z a t i o na n d9 0 0 de x p a n s i b i l i t y t h i s s y s t e m s h a r d w a r es t r u c t u r ei s o p e n ，m o d u l a r i z e d , e m b e d d e d ，e c o n o m i c a la n d p r a c t i c a b l e ，a n di th a sg o o dr e l i a b i l i t ya n dm o t i o np r e c i s i o n t h i sp a p e rh a sd o n es o m ed e e pr e s e a r c h e si nh a r d w a r es t r u c t u r ea sb e l o w ：t h e h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，h a r d w a r ei n t e r f a c et e c h n i q u eo fc n c ， a n dt h ed e s i g no f t h ef o r c es e n s i n gc o l l e c t i o ns y s t e m w i n d o w s2 0 0 0i st h eo p e r a t i o ns y s t e mp l a t f o r mo fn cs y s i t e m ss o f t w a r e i nt h e s 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 e b e e na d o p t e dt oa s s u r et h e p r e c i s i o na n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，s u c ha so o p ( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 、 m u l t i m e d i at i m e ra 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 df o r c es e n s i n g & c o n t r o l a r ed e v e l o p e dw i t ht h ea i d o fv i s u a lc + + 6 0l a n g u a g e t h es y s t e m ss o f t w a r ei so p e n ，h a sg o o dr e a l - t i m ea n d m o d u l a r i z a t i o nc a p a b i l i t yw i t hf r i e n d l yi n t e r f a c e ，a n da l s oh a st h ec a p a b i l i t yo f m u l t i - t a s k sc o n c u r r e n tp r o c e s s i n g t h i so p e nn cs y s t e mh a sg o o da p p l i c a t o ne f f e c to nt h es 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 rc o m p l i a n tw r i s tw i t hs e v e nd o e k e yw o r d s ：c o m p l i a n tw d s t , o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，m o t i o n c o n t r o l l e rd m c ，o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g n 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，也不包含为获得叁盗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： 兰 签字日期： 矽夕7 年月日 j ，、j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂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文的复印件和磁盘。 ( 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：灸雾兰 签字日期：矿7 车月日 导师签名： 解嗍：7 脚日 第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论 现代工业的进步使得工业机器人在制造业装配领域得到广泛的应用，并显示 出高效、安全、稳定的优越特性。随着工业生产速度的提高，工件、机器人操作 手和周边设备的误差对装配质量的影响越来越大。 1 1 1 柔性自动装配技术 柔性自动装配技术是柔性制造技术的两大组成部分之一【l 】，集控制技术、装 配技术、传感与检测技术、柔性技术等各种前沿技术于一体。进入6 0 年代后， 发达国家已经及早将注意力放到了柔性自动装配技术f 2 】。进入9 0 年代以来，市 场激烈的竞争对产品的生产提出了多品种、小批量、高质量的要求，迫使制造业 开始采用先进的柔性加工系统和机器人柔性装配系统技术 3 1 。柔性自动装配技术 使厂家降低了产品成本，缩短了产品的生产周期，提高了市场的竞争能力。 在机器人装配过程中，装配精度的高低对产品质量产生最直接的影响。因各 参与装配对象都存在一定误差，从而引起装配过程产生机器人位姿误差、夹持器 定心偏差、装配件和基准件的加工误差、传送装置和随行夹具的定位误差等p j 。 在装配过程中，由于装配误差的存在，很容易产生装配零件的按紧和卡阻现 象，而单纯依靠提高机器人及周边设备的精度来解决该问题在技术上和经济上都 难以实现，因此使机器人具有一定柔顺能力是实现精密装配的经济有效的形式。 采用柔顺技术可主动或被动地调整装配体之间的相对位姿，来补偿装配误差，顺 利完成装配作业【4 j 。柔顺方法以柔顺系统与机器人本体的关系区分为内部柔顺和 外部柔顺两类1 5 j 。每类又有主动和被动两种方式。 1 1 2 柔顺手腕技术及其发展 作为机器人柔顺装配中的重要关键技术r c c 柔顺手腕的研究，在国外开始 于2 0 世纪7 0 年代初，国内在八十年代末相继开展研究。r c c ( r e m o t ec e n t e r c 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的一种柔顺装置，r c c 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，专门针对有倒角的插轴入孔装配 作业而设计，以后出现的许多柔顺装置和r c c 装置设计均建立在此基础卜1 6 j 。 第一章绪论 r c c 柔顺手腕是一个装在机械手与末端执行器之间的、具有多个自由度的 弹性装置，选择弹性体的刚度可获得不同的顺应性。它能利用装配过程中零件产 生的力和力矩校正其位置和角度偏差，辅助机器人完成装配作业。r c c 的重要 特征剧7 】：在其下端空间存在一个柔顺中心点，在该点上作用侧向力，只产生沿 力的方向的侧移，无伴随的角位移；作用在柔顺中心的力矩，只产生绕柔顺中心 沿力矩方向的角位移，无伴随的侧位移。在零件的装配过程中，只要将柔顺中心 置于插装零件的末端，产生的侧向接触力引起r c c 的侧向运动补偿零件配合的 侧向偏差，产生的接触力矩引起r c c 绕柔顺中心的转动将会补偿零件的角度偏 差，顺利完成装配作业。 一种典型的最早的被动柔顺r c c 装置是由m i td r a p e r 实验室设计的，它用 于机器人装配作业时，能对任意柔顺中心进行顺从运动【8 l 。 w h i t n e y 等介绍了一种采用层叠型橡胶弹性元件构成的r c c 手腕，这种手 腕由三个或六个弹性元件按某个安装倾角固定安装于两个端盘之间，如图1 - 2 ， 具有固定不可调节的柔顺特性1 9 】。 为了提高r c c 手腕的适应能力和系统集成化，出现了以r c c 为基础的可变 柔顺参数的v r c c 和带传感器的i r c c ，即主被动复合柔顺 1 0 l 。 目前外部柔顺技术中的被动柔顺手腕由于结构简单、成本低、完成插装作业 迅速，在生产中得到了广泛应用】。 1 1 2 1r c c 柔顺手腕的结构及其性能参数 本课题中试验台所要测试的柔顺手腕是普通层叠型被动柔顺结构。其结构如 图1 1 所示，它由两个安装盘和弹性元件组成，两端安装盘用于连接末端执行器 和机械手。弹性元件为橡胶与金属层叠复合结构，具有很好的柔顺性能。 此r c c 柔顺手腕的性能参数主要有下面几项【l2 1 ，如图1 2 ： ( 1 ) 横向刚度k ，：横向力与横向变形a y 的比值，即k ，= 兰； 掣 ( 2 ) 倾转刚度秘；绕y 轴或z 轴的倾转力矩肘，与倾转变形伊的比值， 铲台； ( 3 ) 轴向刚度k ，：轴向力只与轴向变形a x 的比值，即k ，= 兰；( 一般指受 压刚度) ； ( 4 ) 扭转刚度k ：绕x 轴的扭矩m ，与扭转变形伊的比值，即k p = 等； z x f p ( 5 ) 柔顺中心距离p ：自弹性元件中参与变形部分的下端中心到柔顺中心点 的距离i 第一章绪论 安装盘 x r ，矗x ) 图1 1 普通层叠型柔顺手腕图1 2 柔顺手腕性能参数示意图 1 1 2 2 柔顺手腕测试手段的发展 随着r c c 手腕的发展，其性能测试手段也发生着相应的变化。r c c 手腕性 能测试的手段主要有： 1 通用测试设备，如万能电子拉伸试验机等。采用通用设备可以测试柔顺 手腕的抗拉压、抗扭和抗剪切能力。但是无法测量其柔顺中心距，更难测量柔顺 手腕的柔顺补偿能力。测试过程繁琐，针对性不强，因此测量精度不高。 2 第一代r c c 手腕综合性能测试实验台。它由天津大学智能机械研究所 研制，其机械结构如图1 3 所示【l 引。实验台可以实现：x 轴加载、x 轴旋转扭矩 加载、y 轴加载。主要用于对柔顺手腕进行拉、压加载试验、位移补偿试验和模 拟轴孔装配环境实验，测量柔顺手腕的横向刚度、轴向压缩刚度、扭转刚度、倾 转刚度等参数。 图1 3 第一代r c c 手腕综合性能测试试验台机械结构 与通用设备相比，第一代试验台有了极大的改善，可以完成多项指标的测试， 第一章绪论 但该设备测试精度不高，自动化程度较低。针对以上的缺点，又提出了七自由度 柔顺手腕测试试验台。 3 七自由度柔顺手腕测试试验台1 4 i 本课题即进行七自由度柔顺手腕测试试验台的控制系统的研究开发。该试验 台是在第一代试验台的基础上进行结构改进而来，具有七个自由度，可完成柔顺 手腕力学综合性能测试，包括： 测试柔顺手腕的抗拉压、抗扭、抗弯和抗剪切能力； 测试柔顺手腕弹性元件的各向同性； 测试柔顺中心的位置； 在不同的力作用下，测试柔顺手腕的位移补偿能力； 进行连续插拔试验，测试柔顺手腕寿命。 还可以模拟轴、孔相对位置在位移偏差、扭转角度偏差、插入角度偏差的装 配环境，测试柔顺手腕的柔顺性能。 1 2 数控技术的发展概况 1 2 1 数控技术的发展 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 是相对于模拟控制而言的。数控技术在制造业 中有广泛的应用，无论在硬件方面还是在软件方面，发展都很快。 它的发展与微电子元器件和计算机技术的发展密切相关。大体经历了四个阶 段 1 4 q 6 1 ： 1 硬件数控阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 ) 这个阶段的数控装置都是由元器件构成的专用控制机，称为硬件数控。控制 元器件在二十年内发生了四次根本性的革命，从电子管、晶体管、小规模集成电 路到大规模集成电路。硬件数控的特点是由硬件插补器输出脉冲，脉冲驱动步进 电机或其他的伺服机构拖动刀架运动。硬件数控多采用液压驱动。 2 计算机数控系统的发展和完善阶段( 1 9 7 0 - 1 9 8 6 ) 二十世纪七十年代，出现了计算机数控( c n c ) ，原来由硬件实现的功能逐步 改由软件完成，控制功能既增强又更灵活，并提高了系统的可靠性。 1 9 7 4 年以后，廉价的微处理器的出现很快就取代了小型计算机的数控，而 成为微机数控( m i c r o c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l 简称m n c ) 。数控系统更加智能 化、柔性化、模块化。数控系统产品也逐步实现了标准化、系列化。 3 高速高精度c n c 的开发与应用阶段( 1 9 8 6 1 9 9 4 ) 第一章绪论 3 2 位c p u 以其很强的数据处理能力在c n c 中得到了广泛的应用，使c n c 系统进入了面向高速、高精度的第八代。同时通过软件补偿等各种方法， c n c 系统的加工精度不断提高。 4 基于p c 的开放式c n c 的开发与应用( 1 9 9 4 ) 进入九十年代，基于p c 的c n c 控制器在美国亮相市场，此后获得了高速 发展，这个发展的热潮就是开放体系结构数控系统的研究与开发。 1 2 2 开放式数控系统的发展趋势 1 2 2 1 数控系统开放体系结构的研究进展 为解决封闭式体系结构的数控系统存在的封闭性、不兼容性等问题，近年来， 西方各工业发达国家相继提出了向规范化、标准化的方向发展，设计开放式体系 结构数控系统的问题。 开放式数控系统的主要研究目的是，要解决变化频繁的需求与封闭的控制系 统结构之间的矛盾，建立一种新型的模块化、可重构、可扩充的控制系统结构， 以增强数控系统的功能柔性，能够快速而有效地响应新的加工需求【1 7 】。 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i is 】【1 9 】： 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组合，并能在各种平台上运行。 归纳起来，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，并且不影响系统的正常协调 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。 控制系统采用开放式体系结构导致新一代控制器的产生，并成为未来制造业 的大支柱。因此，欧美及日本等工业发达国家都相继进行了大量的投入和研究， 其中最具代表性和影响的相关研究计划有以下几个【2 眦5 】：美国的n g c ( t h en e x t g e n e r a t i o nw 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 ) 和o m a c ( 开放的模块化结 第一章绪论 构控制器) 计划、欧盟的“自动化控制体系中的开放式体系结构”o s a c a ( o p e n s 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 e m ) 计划、日本的“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 tf o rc o n t r o l l e r ) 计划。 1 2 2 2 基于p c 机的开放式数控系统 随着计算机技术的飞速发展，采用通用p c 机发展开放式数控系统已成为数 控系统技术发展的最新潮流。当前主要有三种开放式数控系统。 1 p c 板嵌入n c 中1 2 6 1 这种控制系统是把p c 板装入n c 系统的插槽中构成，其中p c 只作为前端 的人机界面。这种方式可进行前、后台编程，并利用p c 的存储和通讯功能。后 台仍由专用结构的n c 系统来实现机床控制，故只开放了非实时控制部分，实时 控制部分还是不开放的。其优点是原型c n c 几乎可以不加改动地使用，且数据 传送快、系统响应快。缺点是不能直接使用通用p c ，开放程度受到限制。 2 n c 植入p c 中 这种数控系统是把机床运动控制、逻辑控制功能用独立的运动控制器完成， 运动控制器通常由以p c 硬件插件的形式构成系统。数控上层软件( 数控程序编 辑、人机界面等) 以p c 为平台，是w i n d o w s ，l i n u x 等主流操作系统上的标准应 用，并支持用户定制，这样就构成了具有高度灵活性的控制系统。p c 做非实时 处理，实时控制由c n c 单元或运动控制板来承担。所以这类系统的优点是能充 分保证系统性能，软件的通用性强，而且编程处理灵活。但它们仍只是在一定程 度上开放。其软、硬件的一部分还是专用的，机床伺服系统、反馈设备的接口也 可能是专用的。 3 软件n c 1 2 7 1 所谓软件n c ，是指n c 系统的各项功能，如编译、解释、插补和p l c 等， 均由软件模块来实现。这类系统借助现有的操作系统平台( 如d o s ，w i n d o w s 等) ， 在应用软件( 如v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 等) 的支持下，通过对n c 软件的适当 组织、划分、规范和开发，可望实现上述各个层次的开放。这种“硬件功能软件 化”不仅不会导致任何系统性能损失，而且软件实现的灵活性和硬件平台无关性 将有利于系统实现更深入的开放性及系统性能的快速增长。 1 2 3 我国数控系统的发展现状 改革开放以后，我国数控技术逐步取得实质性的进步1 2 8 j 。其中华中l 型和中 华i 型是将数控专用模板嵌入通用p c 机构成的单机数控系统，航天l 型和蓝天 l 型是将p c 机嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成典型的前后台型结构。 第一章绪论 随着硬件的模块化和丰富性，c n c 研究的重点由硬件转向软件，我国的数 控发展加快了实用产品的生产。其中，武汉华中数控系统有限公司研制的华中i 型系列数控机床代表了国内数控技术较为先进的水平，提出了以“软”代“硬”， 扬长避短的技术路线。华中数控还开发了具有网络功能的开放式数控系统，具有 很好的开放性。 我国的科研人员正在展开一系列开发研究工作，跟踪世界数控技术，推动我 国数控产业的发展。 1 3 课题的研究意义和目的 目前，r c c 柔顺手腕在日本、欧美已经有系列化的产品，而国内尚无相关 产品。其主要原因是国内对弹性元件的理论研究和设计不够成熟。解决该问题的 方法，就是通过实验测试层叠型被动柔顺手腕的性能，确保其满足实际应用的要 求。同时通过对测试数据的分析，为其改进设计提出指导性建议。 为测试柔顺手腕的性能，保证同一类型柔顺手腕中各弹性体性能的一致性， 开发柔顺手腕测试系统很有必要，该设备要求能够完成对柔顺手腕的拉力、压力、 扭矩和侧向力加载实验、测量各种偏差补偿量、柔顺中心位置、柔顺手腕的各向 刚度和弹性元件的各向刚度等。 柔顺手腕测试系统是柔顺手腕产品化的关键设备。本课题就是针对柔顺手腕 的测试性能要求研制其测试试验台的控制系统，有利于柔顺手腕的系列化和产品 化。 1 4 课题研究的主要工作 本课题将根据柔顺手腕性能测试的具体要求，在七自由度柔顺手腕测试试验 台机械结构的基础上，研究开发柔顺手腕测试系统的控制系统。 课题研究涉及的主要工作： ( 1 ) 以“p c + 运动控制卡”的控制方案为基础，完成开放式c n c 系统总体方案 的设计； ( 2 ) 依据试验台的控制要求，选用合理硬件单元，实现控制系统的硬件结构 设计。本文采用d m c l 8 4 2 ( 数字运动控制卡卜i p c ( 工业控制用微机) 作为控制系统 的核心，驱动由伺服电机和驱动器构成的饲服控制系统，并辅以a d 和数字i o ， 以及由拉压力传感器、信号调理、a d 转换及i p c 组成的力觉信号采集系统， 构成了完整的开放式数控系统。 、 7 第一章绪论 ( 3 ) 在控制系统软件设计中，本课题采用面向对象的程序设计方法，综合利 用多媒体定时器和多线程技术，以w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统和v i s u a lc + + 6 0 语言 作为开发平台，编制数控系统的各控制模块，完成对系统的管理和调度、数据的 采集和力、位的控制，并提供了友好的人机界面； ( 4 ) 控制系统的联机与调试。 第二章实验分析及总体研究方案 第二章实验分析及总体研究方案 柔顺手腕的功能和性能要求，决定了试验台测试系统的结构，也是构建试验 台控制系统的依据。 2 1 测试系统的功能和性能要求 2 1 1 测试系统的功能要求 r c c 柔顺手腕综合性能测试系统要求实现的功能包括以下内容： a 柔顺手腕抗压、抗拉能力； b 柔顺手腕抗弯、抗剪能力； c 柔顺手腕抗扭能力； d 柔顺手腕补偿量，包括x 、y 向位移误差、u 、v 向偏角误差和r 向扭 转角误差，如图2 - 1 。 x r v 阜 厂n 、 。 缈 彳 图2 1 柔顺手腕偏差补偿量 e 柔顺手腕柔顺中心位置； f 柔顺手腕的疲劳及寿命； g 在各种组合偏差下，模拟柔顺手腕的实际工作环境。 2 1 2 测试系统的性能要求 根据柔顺手腕的测试要求，对测试系统的性能要求如下： ( 1 ) 该测试系统要求实现七个自由度运动，包括柔顺手腕轴向力加载进给运 动，侧向力加载进给运动，加载扭矩的旋转运动，可倾十字滑台产生位移偏差的 第二章实验分析及总体研究方案 平移运动和产生角度偏差的倾转运动。其中，加载轴向力进给行程不小于 2 5 0 m m ，定位精度0 0 2m m ；加载侧向力进给行程不小于1 0 0 r a m ，定位精度0 0 2 m m ；加载扭矩旋转范围不小于1 8 0 。，定位精度为3 0 ”；滑台平移范围不小 于3 0 m m ，定位精度为0 0 2 m m ；偏转范围不小于6 。，定位精度为1 ”。 ( 2 ) 实现轴向力、侧向力和扭矩的加载 a 压力加载范围为0 8 0 0 0 n ；拉力加载力范围为0 - - - , 2 0 0 0 n ；力精度误差 4 0 n ： b 侧向力加载范围为0 2 0 0 0 n ，力的精度误差1 0 n ，其中侧向加载力包 括拉力、推力和剪切力； c 最大加载扭矩不小于2 0 n m ，力矩控制精度为0 1n m 。 2 2 试验台的机械结构 为能实现柔顺手腕的性能测试要求，试验台的机械结构设计如图2 2 1 4 1 。 机械系统按功能又可分为三大模块即拉压、扭矩加载模块、侧向力加载机构 和可倾十字滑台模块，如图2 2 中的i 、i i 、模块。其中拉压、扭矩加载模块 和侧向力加载模块主要用来对柔顺手腕施加拉压载荷、扭矩载荷和侧向力载荷， 可倾十字滑台模块主要用来产生各种位移、角度偏差，模拟轴孔的实际装配环境。 在直角坐标系中测试系统基本结构如图2 - 2 ，其中y + z 平面为水平面，x 轴垂直于该平面。坐标中的z 轴定为柔顺手腕轴向力加载主轴的进给方向，y + 轴定为侧向力加载主轴的进给方向，r 轴为加载扭矩方向，可倾十字滑台沿x 轴和y 轴进行平移，并绕u 轴和v 轴实现倾转。 r 厂 一 z 嗽块 图2 - 2 测试系统坐标系设置 2 2 1 拉压、扭矩加载模块 拉压、扭矩加载模块主要用来对柔顺手腕施加拉、压和扭矩载荷，以及进行 第二章实验分析及总体研究方案 插拔试验。该模块的主轴进给方向定为z 轴，模块沿z 轴正向进给对柔顺手腕 施加压载荷；沿z 轴负向进给对柔顺手腕施加拉载荷；绕r 轴旋转对柔顺手腕 施加扭矩。 拉压、扭矩加载模块机构简图如图2 3 ，交流伺服电机l 经蜗轮蜗杆减速器 2 将运动和动力传递给滚珠丝杠ll ，丝杠转动使得丝杠上的螺母及其所带z 轴主 滑块1 3 沿z 轴作直线运动施加拉、压载荷；交流伺服电机3 经精密控制摆线减 速器4 将扭矩传递给减速器的输出轴，减速器输出轴的转动由连接部件传递给二 维力传感器，使与连接法兰连接的柔顺手腕产生扭转。 z 轴 图2 3 拉压、扭矩加载模块机构简图 2 2 2 侧向力加载模块 二维力传感器 侧向力加载模块主要用来对柔顺手腕施加侧向力载荷，以测试柔顺手腕的抗 弯和抗剪切性能，并与i 模块配合完成柔顺手腕试件各项同性测试和柔顺中心距 测试。将该模块的主轴进给方向定为y + 轴。此模块的力加载形式及机构工作原 理与拉压加载模块相似，由于侧向加载力较小，采用传动比小且准确的同步齿型 带作减速装置。此模块机构简图如图2 - 4 所示。 。羔，q 矿 d v v 、zvvv 1 同步齿型带；2 侧向力加载用伺服电机；3 滚珠丝杠：4 y + 轴主滑块；5 拉压传感器； 图2 _ 4 侧向力加载模块机构简图 第二章实验分析及总体研究方案 2 2 3 可倾十字滑台模块 可倾十字滑台模块能够实现平移和倾转，产生位移偏差和角度偏差以模拟轴 孔的实际装配环境。平移机构用来产生插入位移偏差，其机构简图如图2 5 ，采 用伺服电机、联轴器和做直线运动的滚珠螺母副实现；倾转机构用来产生插入角 度偏差，其机构简图如图2 - 6 ，伺服电机驱动滚珠丝杠副，带动三角形楔块直线 运动，从而使滑块沿三角形楔块斜面运动，工作表面实现绕旋转中心的倾转。 图2 5 可倾十字滑台平移机构简图 2 3 控制系统功能 图2 - 6 可倾十字滑台倾转机构简图 控制系统的功能是进行控制系统设计的依据。通过对功能要求的规范化，可 进一步分析和确定系统所要实现的任务，才可以确定系统的总体控制方案。 在分析了试验台机械结构之后，为满足试验台的测试要求，控制系统应具有 以下功能： ( 1 ) 对输入输出信号的响应 输入输出信号包括：a 操作面板开关、按钮的操作信息，输出指令( 指示灯 第二章实验分析及总体研究方案 或带有指示灯的按钮) ；b 监控机械设备的开关量信号；c 采集的模拟量信号 ( 2 ) 数据处理 面板按钮手动控制和软件自动控制； 为满足试验台的正常运行及操控特性的要求，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。 具有拉压力、扭矩和侧向力上下限设定和超限处理功能；可倾十字滑台x 、 y 轴位移，u 、v 轴倾角设定和超限处理功能； 在操作界面输入运动轴的位置、速度、最大力等参数来控制设备的运行； 操作界面可记录各测试参数，包括位置、速度、力和力矩等；可由功能选 择开关实现界面切换；具有数据记录、数据输出和打印功能。 2 4 数控系统的结构方案的选定 在分析了试验台机械结构，明确控制系统功能之后，就可以进行试验台控制 系统的设计。控制系统的总体方案依据试验台的机械结构而定。 2 4 1 运动控制方案的选定 控制系统中，运动控制方案主要有四种：单片机系统，p l c + 定位控制模块， 专用数控系统和p c + 运动控制卡。 一、单片机系统 单片机系统由单片机芯片、外围扩展芯片以及外围电路组成。此方案优点是 成本较低，但由于一般单片机i 0 口产生的脉冲频率不高，不能满足高分辨率的 控制要求。对于控制复杂运动的场合都需要自行编写算法，这必将使得二次开发 难度增大，开发周期长，系统不易升级。因此这种方案一般适用于产品批量较大、 运动控制系统功能简单且有丰富的单片机系统开发经验的用户。 二、p l c + 定位控制模块 采用p l c + 定位控制模块可以实现步进或伺服驱动系统的速度或位置控制。 1 3 第二章实验分析及总体研究方案 目前，许多品牌的p l c 都可选配定位控制模块。p l c 通常采用梯形图编程，对开 发人员来说简单易学，省时省力，并且它可以与h m i ( 人机界面) 进行通讯，系 统界面友好化。但由于p l c 是循坏扫描工作方式，因此实时性不高。这种方案主 要适用于运动比较简单、运动轨迹固定的设备。 三、专用数控系统 专用数控系统一般都是针对专用设备或专用行业设计开发生产的。它集成了 计算机的核心部件、输入输出外围设备以及专用软件。这种数控系统不需二次开 发，功能丰富，性能稳定可靠，使用者只需通过熟悉过程达到操作目的，因此被 广泛地采用。但这类专用数控系统成本高，只适用于控制要求较高且产品档次较 高的数控设备生产厂家和用户。 四、p c + 运动控制卡 随着p c 的发展和普及，采用p c + 运动控制卡将是运动控制的主要发展趋势。 这种方案可充分利用计算机资源，控制运动过程、运动轨迹都比较复杂且柔 性比较强的机器和设备。p c 机和运动控制卡这种方案随着p c 机的普及，是运动 控制系统的一个主要的发展趋势。在这种方案中，运动控制卡只需要从微机接收 控制命令，然后自己完成运动有关的控制：发脉冲方向信号、检测限位原点 等信号，几乎不占用微机c p u 时洲2 9 1 。 综上所述，显然无论从系统的开放性、可扩展性、技术的先进性等方面看， 第四种“p c + 运动控制卡”系统结构的优越性远非前三种系统结构可比，故本课 题采用第四种系统总体结构方案实施开发。 在运动控制卡领域，p m a c 也是性能优异的多轴运动控制器，并受到广大研 发人员青睐。然而，随着更多新型控制器进入市场，d m c 成为更受研发人员欢迎 的选择之一。由于d m c 产品种类繁多，价格相对便宜且使用相当简单，加上具有 与其他运动控制器同样的优异特性，其在开放式数控系统的应用愈加普及。所以 本系统中选用d m c 运动控制器p 引。 所以，本系统确定采用“i p c ( 工业控制计算机) 十d m c ( 运动控制器) ”结构 构建开放式控制系统。 2 4 2 试验台控制系统的工作原理 试验台的控制系统采用半闭环位置控制，反馈信号来自于安装在电机轴上的 编码器。控制框图如图2 7 所示【钔。 第二章实验分析及总体研究方案 图2 7 试验台控制系统框图 本控制系统的工作原理如下：运动控制卡直接插入到i p c 的p c i 标准插槽中， 构成主控制系统，控制由交流伺服电机和驱动器组成的伺服控制系统，再辅以基 本的输入输出i 0 卡，以及数据采集、传感器组成的数据采集系统，构成了一个 模块化的开放式控制系统。这种模块化的控制系统易于实现功能扩充，便于用户 根据需要进行配置和集成，开发周期短，成本低，控制精度高。 工控机上的c p u 和运动控制卡d m c 的c p u 构成主从式微处理器结构，两 个c p u 各自实现相应的功能，其中d m c 运动控制卡实现前台实时运动控制， 主要完成柔顺手腕轴向和横向加载机构主轴的运动、r 轴的旋转运动，以及工作 滑台的x 、y 、u 、v 轴的运动，工控机( 1 p c ) 则实现后台管理及人机界面接口 ( h m i ) 。i p c 与d m c 之间通过实时、可靠的通讯来协调整个系统，共同完成控 制任务。 编码器是将运动转变成电脉冲，并将信号反馈到运动控制卡中。 运动控制卡是整个控制系统的核心，既要发脉冲给伺服电机驱动器，又要接 受编码器反馈的脉冲信号。主要是对速度、位置反馈信号译码、产生预定速度和 位置信号，使速度、位置闭环。整个控制系统的性能很大程度上取决于运动控制 卡的性能。 2 5 小结 本章重点介绍测试试验台数控系统的总体研究方案。依据测试系统的功能和 性能要求，介绍了七自由度柔顺手腕测试试验台的机械结构，明确了系统所要实 现的功能，并由此提出了满足实验要求的“i p c + d m c ”的双c p u 开放式数控系统 方案，并详细阐述了其工作原理。 第三章控制系统硬件的设计 第三章控制系统硬件的设计 合理的硬件配置是保障控制系统正常工作的前提，对软件设计和整个系统有 着重要的影响。本章详细阐述了控制系统的硬件配置和选择、元部件的接口技术， 以及力觉信号采集系统的设计。 3 1 控制系统的硬件配置 根据系统的功能分析，试验台控制系统硬件系统构成如图3 1 所示4 1 。 p c i 总线 图3 l 试验台控制系统硬件系统构成 柔顺手腕综合性能测试试验台控制系统的硬件分为以下几个部分： 1 主控单元，由研华工控机组成； 2 运动控制卡，实现伺服电机的位置读取、位置控制及微段实时插补； 第三章控制系统硬件的设计 3 i 0 卡，用于控制面板及各种辅助操作； 4 a d 卡，力信号数据的采集。 5 伺服系统。 3 1 1 系统i p c 主机的选用 以i p c 作为c n c 系统的核心，可以充分利用i p c 完备的硬件资源，有利于 c n c 装置的开放性，主要具有以下优越性1 3 2 1 ： ( 1 ) 给用户保留了一个完整的操作系统环境( 如d o s w i n d o w s ) ，使用户可以 利用操作系统提供的各种资源和功能调用，最大限度地发挥p c 机的特点。 ( 2 ) 将p c 技术移植到c n c ； ( 3 ) 有更多的硬件可供选择，避免了采用专用机的c n c 在更换硬件和服务时 的限制，使系统更新换代的速度加快而成本降低。 ( 4 ) 计算机选用一些部件，如u p s 、电子盘等，可进一步提高系统可靠性。 ( 5 ) c n c 加工程序的生成和验证可以离线运行。 ( 6 ) 使c n c 系统具有开放式的体系结构，给f m s 和c i m s 的集成工作带来方便。 柔性腕测试试验台上，工控机作为主机，将完成以下功能：编辑和调试d m c 程序、上位机监控程序；启动和初始化d m c ：系统管理等；用户干预系统运行， 设置运行参数；监控系统运行状态，绘制状态参数曲线。 根据系统要求，综合考虑主机的处理速度、扩充能力和插槽数目，本课题选 购研华( a d v a n t e c h ) i p c - 6 1 0 p 4 2 5 z e a ，其主要配置如下；p c a 一6 1 1 4 主板，c p u p 4 - 2 4 g h z ，内存5 1 2 m ，硬盘4 0 g ，标准p c 总线，1 7 寸l c d 显示器，键盘，鼠标， 软盘驱动器，光盘驱动器。 3 1 2d m c 运动控制器的选择 运动控制器是试验台数控系统实现速度和位置控制的关键硬件，由试验台的 机械结构可知，测试系统采用七个伺服电机控制七轴运动，因此可选用两个4 轴 或一个8 轴的运动控制卡。由于试验时，对实现运动并无轨迹要求，不需要各轴 联动，因此出于经济角度考虑，选择两块4 轴的运动控制卡。本课题采用美国 g a li1 公司生产的d m c 一1 8 4 2p c ib u s4 轴运动式数字控制器两块。 美国g a l i l 公司在世界上公认为运动控制领域的先驱及领导者，g a l i l 运动控 制产品迄今已发展到第4 代，采用3 2 b i t 最新微处理器技术，溶合最新控制理论 及网络技术，全部产品均可控制伺服电机或步进电机。独特的2 字符命令及w s d k 开发调试、a c t i v ex 等软件工具使得系统设置、调试、应用开发简单而快捷。 第三章控制系统硬件的设计 圈3 - 2d m c 一1 8 4 2p c ib u s 运动拄制 p c i 总线d 眦1 8 4 2 运动控制器( 如图3 - 2 所水) 是美围g a l i l 公司号为低 战本应用领域而鞋计。为了降低器成本而取消了一些不十分常用的功能( 如模拟 星输入、第二f 1 f o 、光隔发辅助编码器接口等) ，但保留了一些最土要i 晡用 的功能，例如多任务程序存储、符号化变量和数组、通用数字i o 、步进电机和 何服电机接口任意组合等。 眦一1 8 4 2 数宁运动控制器的内部功能框图如图3 - 3 所a t ”l 。其特点有： ( 】) 采用艟新的m o t o r o l z 3 2 位微处理器，可控制1 4 轴，扳上有2 mf 1 a s h 可擦写存储器2 wr a m 可存储用户程序、变量、数组台控制程序并可脱机运 行。 ( 2 ) 可接收最大1 2 r i z 伺服编码器反馈信号，3 姗z 步进