1、 收稿日期:2023-02-24基金项目:北京市自然基金基于机器视觉的印刷辊筒表面缺陷智能识别系统研究(KZ202010015021);北京市教育委员会科研计划项目印刷机套筒装配机器人关键技术研究(KM201910015003);专业学位研究生联合培养基地建设-电子信息(21090223001)。第 31 卷 第 6 期Vol.31 No.6北 京 印 刷 学 院 学 报Journal of Beijing Institute of Graphic Communication2023 年 6 月Jun.2023基于印刷机轴孔装配的六自由度并联机构反解算法研究汪海飞,曹少中,赵 伟,杨青鑫(北京
2、印刷学院 信息工程学院,北京 102600)摘 要:印刷机套筒轴孔装配过程中由于套筒质量大、所需要的配合精度高、人工安装效率低且对工人身体会有一定的伤害。六自由度并联机构具有负载能力强和运动精度高等优点,因此使用六自由度并联机构作为装配过程的操作平台,六自由度并联机构的反解算法能让装配过程得到更好的控制,精度达到更高的要求。印刷机套筒装配机器人以六自由度并联机构为基础,以研华工控机为控制系统的平台,对六自由度并联机构进行反解算法的研究,为后续智能装配做好研究基础。关键词:六自由度并联机构;工控机;运动控制卡;反解中图分类号:TH165文献标识码:A文章编号:1004-8626(2023)06-
3、0033-04 印刷业作为文化产业的重要组成部分,兼具文化和制造业双重属性,是建设“文化强国”的重要基石。印刷装备制造业是印刷业发展的重要根基之一。印刷轴承套筒的装配作业是印刷设备生产线中最重要的环节,其装配精度影响印刷滚筒径跳、印刷滚筒轴向窜动、滚筒肩铁压力检测、印刷滚筒齿轮侧隙检测等参数,轴套质量大,装配精度要求高导致装配过程中的振动碰撞冲击等影响装配的干扰因素被放大,要求机器人控制系统具有很高的稳定性和鲁棒性,而实现控制往往需要高动态特性原动件,跟零件本身的大惯量相矛盾。因此设计承载力大而且动力负载比高的高精度六自由度并联机构作为系统运动机构。其中六自由度并联机构的反解算法是机构运动的基
4、础,因此对六自由度并联机构的反解算法的研究尤为重要,为后续实现智能装配打下坚实的基础。1 硬件结构组成1.1 六自由度并联机构串联机构和并联机构是机器人平台的两个常见结构,与串联机构相比,并联机构有很多明显的优势,如刚度、承载能力、误差、精度以及反解计算等指标,更重要的是六自由度并联机构可以在控制系统中实现实时计算。因此选择六自由度并联机构1-3作为系统的底座操作平台,平台图片如图 1所示:图 1 六自由度并联机构1.2 控制台结构对于印刷机轴套装配机器人的控制主要分为研华工控机和 Trio PCI208 运动控制卡。4-6研华工控机的主要优点有:可靠性强,有较强的抗干扰能力;兼容性广,能支持
5、多种主流操作系统以及汇编语言;实时性优越,具有快速响应能力,能对数据进行实时的采集、处理和输出;能同时与多个外围设备连接,输入输出功能强大,能完成不同设备的任务。工控机和六自由度并联机构的连接如图 2 所示:图 2 工控机与六自由度并联机构1.3 运动控制卡Trio PCI208 编程多轴运动控制器7是翠欧公司基于 DSP 和 FPGA 开发使用 PCI 总线控制的开放式结构的数字运动控制器。Trio 运动控制器在应用方面有很多优点,比如:将运动控制和逻辑算法有机结合,实现多种运动形式。可以实现直线、螺旋线、圆弧插补、运动叠加、虚拟轴控制、硬件位置锁存;提供多种功能模块,可以根据设计需求自己组
6、合使用。数字量输入、输出扩展;模拟量输入、输出扩展;现场总线接口扩展等;强大的运算处理能力;多种运行方式:应用程序用 Trio Basic 编程,下载到控制器,可以脱机运行;PCI 总线方式,使用C+、VC 等高级语言调用运动函数;进行多任务执行,把复杂任务划分为简单小任务,且每个任务是独立的,这样就把复杂运动控制变简单;能接收多种类型的位置反馈,增量式光电编码反馈、绝对式光电编码反馈、正/余弦编码反馈;控制器通过基于PC 的编程语言的 Active X 组件进行编程,此外还可以使用 Trio BASIC 编程语言在内部执行程序。OCX Component 控件,在 VC、VB、Delphi
7、中,可以直接调用运动函数。总的来说,Trio PCI208 运动控制卡采用先进的 FPGA 集成了高速、并行的逻辑处理能力使得其具有高性能、高可靠性、高集成的优点。2 软件系统印刷机套筒轴孔装配机器人软件控制系统在VS2015 平台中使用 C 语言进行控制程序的代码编写,使用 MFC 进行平台控制软件界面编写。控制系统8-9的逻辑如下:在平台控制软件中输入六自由度并联机构运动到的目标位姿,通过反解程序将目标位姿解算为目标杆长,将目标杆长发送给运动控制卡,运动控制卡控制伺服电机进行杆的运动,运动控制卡的控制通常是有两种控制模式,即数字控制和模拟控制。由于数字控制的可靠性更高,抗干扰能力强,安全性
8、能更高,所以优先选择数字控制。其整个系统的控制逻辑图如图 3 所示:图 3 控制系统逻辑图3 反解算法六自由度并联机构的反解,10是指根据上平台位姿求解六组机械臂的杆长,其具有一一对应的关系,在上平台质心点 P 建立上平台坐标系A,在下平台质心点 O 建立下平台坐标系C,如图 443北 京 印 刷 学 院 学 报2023 年所示,Bi表示平台运动后上平台各点的位置,Ai表示下平台各点的位置,li表示六组机械臂的杆长,A表示平台运动后上平台坐标系。图 4 六自由度并联机构Bi在坐标系C中的表示可表示为:CBi=CATABi=CATAATABi 其中CAT 示为已知量,AAT 为上平台位姿。AAT
9、=cccss-sccsc+ssxscsss+ccssc-csy-scsccz0001 六组机械臂的杆长 li:li=(Bix-Aix)2+(Biy-Aiy)2+(Biz-Aiz)2 则已知上平台位姿即可求得六组机械臂杆长。4 实验使用 C 语言编写六自由度并联机构反解程序,以及平台控制软件界面,通过 Trio208 运动控制卡中 GetAxisVariable 函数实时读取六自由度并联机构杆长,将反解程序计算得到杆长与六自由度并联机构实际杆长进行对比完成六自由度并联机构反解验证。取 5 组上平台位姿数据(表 1),反解程序计算所得杆长如表 2 所示。表 1 上平台位姿数据序号/()/()/()
10、X/mmY/mmZ/mm11110102013100-13-24-12224-33200855-22-5-43表 2 反解程序计算所得杆长数据序号l1/mml2/mml3/mml4/mml5/mml6/mm197.42763790.33866382.66314296.32782790.09202894.037019298.65778897.90437876.869314101.06235680.64062791.538292382.19819064.72777571.39227651.19232458.68381187.569521489.21947794.40810381.82870373.
11、97199159.667523100.1938055119.127915100.598466119.349216136.475053145.271005104.538996 控制六自由度并联机构运动到上述 5 组位姿状态,读取实际杆长数据如图 5 所示:图 5 实际杆长数据5 结语经过工控机中 VS 代码编写以及软件控制系统的实验验证得到的数据可以得到六自由度并联机构的反解算法是正确的,能够通过该反解算法正确得到六自由度并联机构的六个杆长,为进一步将装配过程智能化提供了理论基础。53第 6 期汪海飞,曹少中,赵 伟,等:基于印刷机轴孔装配的六自由度并联机构反解算法研究参考文献:1朱博文,马立,
12、陈韦男,等.自动轴孔装配系统的现状与关键技术J.现代制造工程,2019(5):156-161.2 朱军涛.机械装配的自动化应用与发展J.河南科技,2019(7):39-40.3Yu B.Modeling,Control Design and Mechatronic Implementa-tion of Constrained Robots for Surface Finishing Applications D.Oklahoma:Oklahoma State University,2000.4 李光旭.蒸汽发生器装配机器人系统设计D.成都:电子科技大学,2013.5 Liu Song,Xu D
13、e,Znang Dapeng,et al.High Precision Auto-matic Assembly Based on Microscopic Vision and Force Informa-tion J.IEEE Transactions on Automation Science and Engi-neering,2016,13(1):382-393.6 Lin Yuhe,Qiu Yongrong,Chen Yanxiang,et al.A Novel Ori-entation and Position Measuring System for Large&Medium Sca
14、le Precision Assembly J.Optics and Laser in Engineering,2014,62(11):31-37.7 李新佩.印刷机套筒装配机器人设计、建模与控制方法研究D.北京:北京印刷学院,2017.8 吴遥.基于六维力传感器的柔顺装配理论与实验研究D.秦皇岛:燕山大学,2012.9 黄真,赵永生,赵铁石.高等空间机构学M.北京:高等教育出版社,2006.10 李磊.六自由度并联平台位置正解及控制方法研究D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008.Study of Six-degree-of-freedom Parallel Mechanism Inverse
15、Solution Algorithm Based on Press Shaft Hole AssemblyWANG Haifei,CAO Shaozhong,ZHAO Wei,YANG Qingxin(School of Information Engineering,Beijing Institute of Graphic Communication,Beijing 102600,China)Abstract:The assembly process of printing machine sleeve shaft hole is a large mass of sleeve,the req
16、uired fit accuracy is high,the manual installation efficiency is low and it can be harmful to the workers body.The six-degree-of-freedom parallel mechanism has the advantages of high loading capacity and high accuracy,so the six-degree-of-freedom parallel mechanism is used as the operation platform for the assembly process.The inverse solution algorithm of the six-degree-of-freedom parallel mechanism can make the assembly process better control and achieve higher accuracy.The inverse solution al