楊治山，張亦龍，雷麗琴

（1．天水電氣傳動(dòng)研究所集團(tuán)有限公司，甘肅 天水 741020；2．大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020）

在三自由度并聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，選用伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，在電氣性能方面憑借抗過(guò)載能力強(qiáng)、控制精度高和高速性能好的諸多優(yōu)勢(shì)，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受控制信號(hào)的作用能夠快速反應(yīng)，且具有很好的機(jī)械特性，因此在各行業(yè)有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，但是該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)復(fù)雜、系統(tǒng)搭建周期長(zhǎng)等諸多干擾因素，本文在綜合考慮調(diào)試周期、維護(hù)成本和經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，建立了符合機(jī)械手的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合虛擬調(diào)試NX軟件工具，搭建相應(yīng)的機(jī)械模型，建模完成以后可以通過(guò)仿真直接從庫(kù)中選取現(xiàn)有部件重建幾何模型。然后將運(yùn)動(dòng)控制器中數(shù)據(jù)庫(kù)所對(duì)應(yīng)的變量表與仿真軟件中事先約定好的控制和反饋信號(hào)，通過(guò)SIMIT建立虛擬API函數(shù)的通道，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器中的命令信號(hào)作為仿真軟件NX中控制信號(hào)的這一目的。在線(xiàn)監(jiān)控時(shí)，通過(guò)軟件的TRACE跟蹤功能，觀察運(yùn)動(dòng)過(guò)程中虛擬數(shù)據(jù)與實(shí)際期望不同的情況，此時(shí)再分析控制程序運(yùn)行狀況和仿真軟件NX中信號(hào)觸發(fā)情況及仿真序列運(yùn)行情況，根據(jù)軟件提示的錯(cuò)誤進(jìn)行修改，大大提高了自動(dòng)化調(diào)試的效率。

1 系統(tǒng)概述

1．1 控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常是由伺服電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械、控制設(shè)備和系統(tǒng)電源五個(gè)部分組成，在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常用n表示轉(zhuǎn)速，φ代替旋轉(zhuǎn)角速度來(lái)表示負(fù)載的旋轉(zhuǎn)速度，使用飛輪矩PQ2代替負(fù)載旋轉(zhuǎn)的慣量，K來(lái)表示系統(tǒng)的機(jī)械慣性。得到φ與n，PQ2和K的公式為：

式中：n為轉(zhuǎn)速，單位為r／min，M0和P為旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量和重量，單位分別是kg與N；n與Q為半徑與直徑，單位是m，g為重力加速度，取值10m／s2。

把公式（1）、（2）代入拖動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)方程式得出：

式中PQ2為旋轉(zhuǎn)體的飛輪矩，單位為N·m2。

圖1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型

1．2 仿真軟件NX的建模

在傳統(tǒng)的非標(biāo)自動(dòng)化流程下進(jìn)行設(shè)備研發(fā)，不僅設(shè)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)，還消耗大量的人力物力，從設(shè)計(jì)需求到產(chǎn)品制造階段的試錯(cuò)成本太高，再加上機(jī)械設(shè)計(jì)與電氣設(shè)計(jì)本身存在脫節(jié)的硬傷，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的可重復(fù)使用性能未得到應(yīng)有的保障。

在NX軟件中對(duì)該機(jī)械手進(jìn)行建模設(shè)計(jì)之初想要達(dá)到的目的是，使抓取執(zhí)行器被運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)并構(gòu)建成空間上的組合順序，其主要任務(wù)就是對(duì)執(zhí)行器的速度給定和位置控制。通過(guò)機(jī)器人每根軸的旋轉(zhuǎn)角度，推算出拾取機(jī)器人的空間姿態(tài)以及工作端的空間位置運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為正解；運(yùn)動(dòng)學(xué)反解是知道機(jī)器人的末端位置，反推每根軸的旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)三個(gè)主動(dòng)臂A1的旋轉(zhuǎn)角度為α1、α2、α3，從動(dòng)臂的長(zhǎng)度為B1，e為兩個(gè)電機(jī)軸的軸距，計(jì)算出末端執(zhí)行器的坐標(biāo)Q（x，y，z）點(diǎn)。如圖2所示。

圖2 三自由度機(jī)械臂空間坐標(biāo)系

該機(jī)械手正解公式主要用于控制機(jī)械手伺服電動(dòng)機(jī)的位置給定，而當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)在執(zhí)行完成一個(gè)控制命令后，通常會(huì)有一個(gè)完成信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，但是在NX軟件中這個(gè)輸出信號(hào)不能主動(dòng)觸發(fā)，需要建立時(shí)序運(yùn)行可執(zhí)行腳本，讓輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)反饋輸入的條件，當(dāng)條件滿(mǎn)足時(shí)，輸出信號(hào)才會(huì)觸發(fā)，從而執(zhí)行下一步動(dòng)作，為后面與運(yùn)動(dòng)控制器連接進(jìn)行虛擬調(diào)試打好基礎(chǔ)。

2 自動(dòng)化設(shè)計(jì)

基于TIA自動(dòng)化組態(tài)平臺(tái)下的虛擬仿真控制器，憑借計(jì)算硬件資源，真實(shí)地還原了實(shí)際運(yùn)動(dòng)控制器循環(huán)掃描、處理器將對(duì)裝置狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的工作方式，控制器從主周期任務(wù)的程序開(kāi)始逐條執(zhí)行用戶(hù)任務(wù)，直到所有任務(wù)結(jié)束，再次重新返回第一個(gè)主任務(wù)，繼續(xù)開(kāi)始下一輪新的掃描。

首先打開(kāi)TIA工程軟件，創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，根據(jù)實(shí)際要求選擇運(yùn)動(dòng)控制器的選型卡，然后啟動(dòng)虛擬仿真控制器，選擇下載按鈕，將硬件組態(tài)下載至虛擬軟件中。程序的架構(gòu)是由預(yù)設(shè)目標(biāo)位置坐標(biāo)到控制電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度的反解運(yùn)動(dòng)學(xué)，首先設(shè)置程序中的虛擬軸原點(diǎn)，通過(guò)上一節(jié)中的反解公式，計(jì)算機(jī)械手兩個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，由編碼器反饋的數(shù)據(jù)再計(jì)算出末端執(zhí)行器的位移坐標(biāo)Q（x，y，z），然后用指令實(shí)現(xiàn)虛擬軸與實(shí)際軸的角度同步。通過(guò)程序示教，定義出機(jī)械手末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡。示教程序可以完成虛軸進(jìn)行直線(xiàn)、圓弧插補(bǔ)、凸輪軌跡規(guī)劃，如圖3所示。

圖3 虛擬軌跡示教示意圖

在本文中運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是利用S7－PLCSIMAdavanced創(chuàng)建的虛擬運(yùn)動(dòng)控制器，與真實(shí)運(yùn)動(dòng)控制器具有相同的功能，然后借助TIA自動(dòng)化編程環(huán)境的工藝對(duì)象添加對(duì)應(yīng)位置的電機(jī)軸，同時(shí)添加Kinematics工藝對(duì)象，在基本參數(shù)下選擇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)類(lèi)型下拉菜單中的三腳架（帶定位功能），在機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)選項(xiàng)卡里，輸入機(jī)械手的機(jī)械參數(shù)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)生成背景數(shù)據(jù)，作為和仿真軟件NX機(jī)械數(shù)據(jù)交互的接口。這樣即使在沒(méi)有真實(shí)運(yùn)動(dòng)控制器的條件下，照樣可以進(jìn)行軟件調(diào)試工作，一臺(tái)計(jì)算機(jī)上就可以完成虛擬控制器與TIA的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，使軟件調(diào)試工作更加方便、高效和快捷。

3 聯(lián)合仿真

整個(gè)系統(tǒng)在一臺(tái)工作站的臺(tái)式機(jī)上完成，在NX項(xiàng)目中定義剛體的運(yùn)動(dòng)軸名稱(chēng)為MC－Axis－A1、MC－Axis－A2和MC－Axis－A3，在仿真軟件NX中創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)適配器選項(xiàng)卡，為模型的信號(hào)連接到外部建立其接口，下圖顯示了與信號(hào)適配器的信號(hào)耦合用于NX軟件模型中軸MC－Axis－A1的位置控制，如圖4所示。

圖4 仿真軟件種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與虛擬控制器的信號(hào)映射

模型之間通過(guò)剛體和運(yùn)動(dòng)副連接在一起，并為這個(gè)減速箱輸出軸分配一個(gè)速度控制接口；本文中運(yùn)動(dòng)控制借助SIMIT項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備層的仿真功能，SIMIT中具備過(guò)程對(duì)象層的仿真庫(kù)，從邏輯上講，底層的過(guò)程對(duì)象層、驅(qū)動(dòng)設(shè)備層、IO、CPU都可以仿真其真實(shí)過(guò)程。也就是說(shuō)，不同的應(yīng)用場(chǎng)景，SIMIT所仿真的層級(jí)不同。設(shè)置如下：SIMIT的兩個(gè)通訊端口和P1端口需要設(shè)置，其中通訊端口用于連接SIMIT軟件，需要與工作站物理網(wǎng)卡在同一個(gè)網(wǎng)段；P1端口用于連接虛擬運(yùn)動(dòng)控制器名為X1的網(wǎng)絡(luò)接口，注意P1端口與通訊端口不能處于同一網(wǎng)段。啟動(dòng)仿真軟件SIMIT后，在NX仿真軟件的菜單欄中選擇其外部信號(hào)配置選項(xiàng)卡，此時(shí)會(huì)跳轉(zhuǎn)到配置界面，然后選擇SHM選項(xiàng)卡，單擊添加新SHM按鈕圖標(biāo)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)建立一個(gè)新的SHM連接，鍵入新的名稱(chēng)，如：SIMITNXDemo。返回后在仿真軟件的菜單欄中選擇信號(hào)映射選項(xiàng)，在其設(shè)置界面中的類(lèi)型鍵入新連接的名稱(chēng)，此時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)執(zhí)行自動(dòng)映射任務(wù)，再單擊仿真軟件NX菜單欄下的功能播放按鈕，此時(shí)NX軟件會(huì)自動(dòng)與SIMIT之間的Shared－Memory建立通訊連接。打開(kāi)TIA軟件，將編譯好的運(yùn)動(dòng)控制程序下載到虛擬運(yùn)動(dòng)控制器中，在監(jiān)控表中監(jiān)視控制命令和反饋信號(hào)狀態(tài)，仿真軟件NX的時(shí)序運(yùn)行隊(duì)列也會(huì)同步運(yùn)行，至此聯(lián)合仿真組態(tài)策略全部完成。

圖3是虛擬伺服軸通過(guò)程序示教的虛擬軌跡，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于在空間坐標(biāo)系下存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的原因，用Trace跟蹤器跟蹤出實(shí)際模型執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖5所示，這樣就完成了虛擬調(diào)試，通過(guò)建立NX運(yùn)動(dòng)行為模型的仿真方式實(shí)時(shí)性更快、穩(wěn)定性更好、更接近實(shí)際工程系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖5 三自由度機(jī)械臂末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)軌跡

4 結(jié)論

本文圍繞NX聯(lián)合仿真的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型，首先規(guī)劃好運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的布局和設(shè)備資源，通過(guò)模型建立對(duì)其理論公式的推導(dǎo)分析，然后優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)作流程，集成好數(shù)據(jù)模型后，制作相應(yīng)的工藝仿真程序，分析加工的路徑與工藝參數(shù)，最后進(jìn)入調(diào)試階段，接入運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，部署SIMIT與PLCSIM Advanced耦合的IO信號(hào)，同時(shí)調(diào)試驗(yàn)證。在這樣的調(diào)試環(huán)境下，可以更早地發(fā)現(xiàn)編程錯(cuò)誤和邏輯混亂等棘手情況，無(wú)需等設(shè)備在物理環(huán)境中安裝完成，最大程度地避免真實(shí)物理環(huán)境下的硬件沖突等錯(cuò)誤，從而降低昂貴的修改成本。這使得自動(dòng)化項(xiàng)目調(diào)試的整體環(huán)節(jié)所需的時(shí)間縮短近一半，交貨時(shí)間總體縮短18%以上。

綜上所述，在NX環(huán)境中驗(yàn)證的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可替換任意虛擬資源為真實(shí)設(shè)備，進(jìn)行部分驗(yàn)證，最終替換為實(shí)際的物理設(shè)備，完成物理與虛擬映射的調(diào)試。