摘要：以高精度的汽車打磨機(jī)器人為主要研究對(duì)象，詳細(xì)分析其設(shè)計(jì)以及性能優(yōu)化相關(guān)技術(shù)。首先對(duì)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及其設(shè)計(jì)原理進(jìn)行闡述，接著詳細(xì)剖析其結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)以及傳感器，隨后基于各方案的智能化汽車打磨機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行總體評(píng)測(cè)，對(duì)不同機(jī)器人的性能通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出分析。

關(guān)鍵詞：汽車打磨；機(jī)器人技術(shù)；高精度；性能優(yōu)化；控制算法

中圖分類號(hào)：U461 收稿日期：2024-06-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408028

1 前言

高精度汽車打磨機(jī)器人作為汽車制造的重要研究方向，與汽車工業(yè)的發(fā)展密不可分。當(dāng)前，我國(guó)汽車工業(yè)正逐漸走向高速發(fā)展之路，因此對(duì)于高精度汽車打磨機(jī)器人的相關(guān)研究具有一定的研究?jī)r(jià)值。智能化是當(dāng)下研究的重點(diǎn)，將智能化技術(shù)合理應(yīng)用在汽車制造的生產(chǎn)線上，能夠保證汽車制造的高精度、高質(zhì)量，能顯著提升生產(chǎn)效率。而在打磨工藝上，智能化機(jī)器人能顯著降低汽車打磨的困難，推進(jìn)汽車零部件以及汽車工業(yè)向智能電子工業(yè)快速轉(zhuǎn)型。汽車打磨機(jī)器人的研發(fā)一般基于智能控制的連續(xù)主動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可確保機(jī)器人在與工件接觸時(shí)以正確的力度和位置進(jìn)行打磨，提高打磨過(guò)程的質(zhì)量和效率［1］。因此，開發(fā)高效、精確的連續(xù)主動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)汽車打磨機(jī)器人的智能化發(fā)展至關(guān)重要。

汽車打磨機(jī)器人主動(dòng)柔性控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)在國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者中占有重要地位。國(guó)外研究起步早，如研究人員提出了基于伺服驅(qū)動(dòng)器的主動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并利用伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確控制；國(guó)內(nèi)研究起步晚，如研究人員提出了基于D?模型的柔性主動(dòng)控制系統(tǒng)，該模型模擬了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，研究表明，使用該系統(tǒng)進(jìn)行車輛打磨時(shí)，定位精度較低，尤其是在機(jī)器人負(fù)載達(dá)到60%～90%時(shí)，嚴(yán)重影響打磨質(zhì)量，限制機(jī)器人的應(yīng)用范圍。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出利用模糊PID控制技術(shù)為汽車打磨機(jī)器人開發(fā)一種主動(dòng)靈活的控制系統(tǒng)。利用PID模糊控制算法，可對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化控制，提高定位精度，為汽車打磨機(jī)器人的智能化提供新的思路［2］。

2 高精度汽車打磨機(jī)器人的研發(fā)

21 設(shè)計(jì)硬件分析

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由三個(gè)模塊組成，即控制模塊、外部設(shè)備模塊和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊，如圖1所示。在本項(xiàng)目中，將西門子P7-PLC1200控制器用于機(jī)器人控制中。

本系統(tǒng)硬件模塊主要由觸摸屏控制臺(tái)和控制器組成，使用西門子P7-PLC1200控制器，參數(shù)見表1。該控制器靈活性高，指令集廣泛，對(duì)可編程邏輯能夠做到輸入與輸出間的靈活切換，能解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算以及布爾邏輯，在加工方面具有良好的同步性，能準(zhǔn)確滿足機(jī)器人的打磨任務(wù)［3］。

外部設(shè)備單元主要由工件夾具和打磨工具組成。工件夾具具有氣動(dòng)夾緊功能，可快速均勻地夾緊工件，并確保打磨過(guò)程中的穩(wěn)定性。具體技術(shù)特點(diǎn)見表2。

打磨工具需要固定安裝在打磨支架上，其具體技術(shù)參數(shù)如表3所示，這些參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、功率、磨料類型等，直接決定了打磨效果的好壞［4］。

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元由機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置、六軸力傳感器、固定輸入輸出電纜和其他組件組成。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源，可使機(jī)器人執(zhí)行各種任務(wù)。本系統(tǒng)選用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元型號(hào)為RS10C，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)具體技術(shù)參數(shù)見配套手冊(cè)。六軸力傳感器可實(shí)時(shí)檢測(cè)三維扭矩和力信息，為機(jī)器人提供準(zhǔn)確的反饋。本系統(tǒng)選用CM3314六軸力傳感器，以便數(shù)據(jù)接收器接收數(shù)據(jù)［5］。具體技術(shù)參數(shù)見表4。

22 設(shè)計(jì)軟件分析

編程模塊是軟件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，由三個(gè)主要用戶程序組成：中斷程序、調(diào)用程序和主程序。中斷程序可以暫停當(dāng)前事件，并自動(dòng)恢復(fù)和維護(hù)中斷前后的API，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；調(diào)用程序是一系列用戶定義的命令，其他程序在需要時(shí)可以調(diào)用這些命令；主程序是程序中最重要的部分，是唯一可根據(jù)需要調(diào)用任意數(shù)據(jù)中斷和子程序的程序，主程序以循環(huán)模式運(yùn)行，并提供控制和編排整個(gè)用戶程序的指令。

控制程序執(zhí)行特定的控制邏輯?？刂破鞑捎肞ID模糊控制，是結(jié)合模糊邏輯和PID控制技術(shù)的先進(jìn)控制策略。通過(guò)PTP軟件，可輕松配置PID參數(shù)，以優(yōu)化閉環(huán)運(yùn)行；可調(diào)整加速度和速度系數(shù)，獲得更精確的結(jié)果。這種控制策略能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，能提高系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件的適應(yīng)能力［6］。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

31 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與測(cè)試方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證為機(jī)器人汽車方向盤開發(fā)的控制系統(tǒng)的性能，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在本實(shí)驗(yàn)中，使用了六軸汽車標(biāo)定機(jī)器人，該機(jī)器人具有四個(gè)坐標(biāo)系，包括鉸接坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系、儀器坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系（圖2），使機(jī)器人具有精確定位和轉(zhuǎn)向能力。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：控制單元啟動(dòng)機(jī)器人，它會(huì)按照預(yù)先設(shè)定的路徑對(duì)汽車零件進(jìn)行打磨，打磨完成后，機(jī)器人會(huì)將打磨后的部件移到卸載臺(tái)。在打磨過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)用自動(dòng)打磨機(jī)器人的傾斜角度在15°～30°之間變化，以確保打磨結(jié)果穩(wěn)定一致［7］。為了進(jìn)一步提高打磨過(guò)程的精度和效率，控制系統(tǒng)主動(dòng)靈活地控制實(shí)驗(yàn)打磨機(jī)器人，實(shí)時(shí)反饋，使打磨過(guò)程精確地適應(yīng)不同的零件形狀和打磨要求，如表5所示。

打磨機(jī)器人的實(shí)際打磨過(guò)程包括一組22個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，其中7個(gè)為焦點(diǎn)。這些焦點(diǎn)是通過(guò)分析汽車零件的結(jié)構(gòu)、材料和打磨要求確定，確保打磨過(guò)程的準(zhǔn)確性和效率，如表6所示。

為評(píng)估小車打磨機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，在不同負(fù)載條件下，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)測(cè)試。這些測(cè)試的主要目的是評(píng)估機(jī)器人在60%～90%負(fù)載下的性能。為了避免測(cè)試結(jié)果的同質(zhì)化，使用了兩個(gè)參考系統(tǒng)：一個(gè)是自動(dòng)打磨機(jī)器人的伺服控制系統(tǒng)，另一個(gè)是靈活的主動(dòng)控制系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)分別代表了傳統(tǒng)和先進(jìn)的控制策略，通過(guò)與目標(biāo)系統(tǒng)（即自動(dòng)機(jī)器人的主動(dòng)控制系統(tǒng)）進(jìn)行比較，可以更準(zhǔn)確地評(píng)估目標(biāo)系統(tǒng)的性能和優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中使用了相同的自動(dòng)打磨機(jī)器人，并在不同的負(fù)載條件下（60%～90%）測(cè)試了三種系統(tǒng)的定位精度。通過(guò)記錄和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以比較每個(gè)系統(tǒng)在不同負(fù)載條件下的性能，從而更好地了解每個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性［8］。

32 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

重復(fù)定位精度實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)如表7所示，在比較汽車打磨機(jī)器人在不同負(fù)載條件下的周期定位精度時(shí)，分析了基于PID的模糊控制系統(tǒng)與基于伺服的主動(dòng)輔助系統(tǒng)之間的差異，對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行了比較。

汽車轉(zhuǎn)向機(jī)器人基于PID的模糊主動(dòng)輔助系統(tǒng)，在機(jī)器人負(fù)載的60%～75%范圍內(nèi)表現(xiàn)出更高的可重復(fù)定位精度，這表明基于模糊PID的控制策略能更好地適應(yīng)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性和中等負(fù)載下的環(huán)境變化，并提供更高的定位精度。研究結(jié)果表明，模糊PID控制能有效提高打磨機(jī)器人的性能［9］。與基于執(zhí)行器的主動(dòng)柔性控制系統(tǒng)相比，汽車打磨機(jī)器人的主動(dòng)柔性控制系統(tǒng)在76%～90%的負(fù)載下具有更高的定位精度。這一結(jié)果證實(shí)了主動(dòng)柔性控制系統(tǒng)在高負(fù)載下的優(yōu)勢(shì)：能有效提高機(jī)器人在中重負(fù)載下的定位精度和穩(wěn)定性。

綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論：在機(jī)器人負(fù)載的60%～90%范圍內(nèi)，基于模糊PID的汽車打磨機(jī)器人主動(dòng)柔性控制系統(tǒng)在可重復(fù)定位精度方面優(yōu)于基于伺服的主動(dòng)柔性控制系統(tǒng)［10］。這一結(jié)果不僅驗(yàn)證了模糊PID控制在提高打磨機(jī)器人性能方面的有效性，還為未來(lái)打磨機(jī)器人控制策略的選擇提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)闡述高精度汽車打磨機(jī)器人在提高汽車行業(yè)生產(chǎn)率和精度方面的應(yīng)用，分析設(shè)計(jì)原理、關(guān)鍵技術(shù)和性能優(yōu)化技術(shù)，為汽車行業(yè)提出了先進(jìn)高效的打磨解決方案。現(xiàn)有的汽車打磨機(jī)器人主動(dòng)柔性控制系統(tǒng)面臨著當(dāng)機(jī)器人負(fù)載在60%～90%之間時(shí)，重新定位精度較低的問(wèn)題，會(huì)影響打磨質(zhì)量，會(huì)增加成本和生產(chǎn)時(shí)間。為解決這一問(wèn)題，本文針對(duì)汽車行業(yè)的打磨機(jī)器人開發(fā)了一種基于模糊PID的柔性主動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)采用模糊PID控制算法，該系統(tǒng)可對(duì)機(jī)器人軌跡進(jìn)行精確控制，并顯著提高重復(fù)定位精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，能支持整個(gè)行業(yè)向智能化和電子制造方向發(fā)展，這一創(chuàng)新對(duì)汽車行業(yè)具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：

劉世強(qiáng)，男，1986年生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)槠囓嚿怼⒐I(yè)機(jī)器人。

基金項(xiàng)目：西安汽車職業(yè)大學(xué)2023年度校長(zhǎng)科研基金項(xiàng)目（23KY016）