IAI机械臂 篇1
电磁涡流检测一般由两大部分组成,一部分为探头信号激励、采集及后续信号处理装置,一部分为探头扫描控制装置。国内外较难购买到现成的产品能够同时具备上述两大功能,一般均需要通过后续升级改进将其有效地集成在一起。目前本课题组已经自主研发了一套高频电磁涡流检测装置,实现了激励信号的发生、感应信号的采集以及相应信号的预处理功能[3]。另外课题组还购买了IAI公司生产的高性能高精度三轴机械臂,拟用于实现线圈探头的移动扫描功能。该机械臂不仅可以实现平面结构的二维扫描检测,还可以实现曲面结构的三维扫描检测,且探头运动控制精度非常高。但该机械臂的运动控制使用IAI公司提供的专门软件,采用高度集成化的SEL语言进行开发。该方案虽然简化了用户的编程工作,但由于IAI软件不支持对外开发,不利于与其他硬件平台的协同工作。尤其是在高频电磁涡流检测系统中,上位机同时需要控制自主研制的硬件电路和IAI机械臂,若不能实时同步两大硬件平台,会出现探头坐标与硬件电路采集信号不匹配的问题,最终无法得到正确的损伤信息。
针对上述普遍存在同时又是电涡流检测系统中的具体问题,利用Lab VIEW开发环境重新进行了上位机程序及用户接口界面的设计,通过USB转串口进行数据和命令传输,实现了IAI机械臂和高频电磁涡流检测装置的同步控制。另外,Lab VIEW采用的图形化编程语言也大大缩短了系统开发周期[5]。
1 系统集成设计
整个系统硬件平台如图1所示。通过LabVIEW设计的上位机程序需要满足如下功能:与机械臂进行通信,控制机械臂运动;与电涡流检测硬件电路进行通信,设置电路工作状态,如激励信号频率,调理信号增益,采集数据上传等;上位机将接收数据图形化显示并存储等。机械臂夹持探头进行步进扫描运动,扫描方向如图中复合板标记的箭头方向。X轴一次移动一个步长距离,硬件电路对其进行采集并将结果发送给上位机,发送完成后继续前进一个步长,继续采集发送,直到移动至设定边界后返程,Y轴前进一个步长之后X轴继续开始步进运动,直到两轴都达到设定的扫描区域边界处,扫描即完成。下位机所有操作都需要通过上位机软件进行控制。
检测系统程序总体设计思路如下:(1)串口初始化、配置包括机械臂、硬件电路串口的波特率、停止位、奇偶校验位等设置;(2)硬件电路初始配置。包括激励信号频率设置、调理电路增益设置等;(3)控制夹有探头的机械臂沿X轴方向运动一个步长;(4)控制硬件电路进行数据采集,将结果通过USB转串口返回上位机进行存储并实时成像显示;(5)判断X轴运动是否已经达到扫描设定区域的边界,若是则回到X轴起始位置,并沿Y轴前进一步;若还未到达边界处,则回到步骤(3);(6)判断Y轴运动是否已经到达扫描设定区域边界,若是则扫描完成,结束程序;若还未到达边界处,则回到步骤(3)。系统软件流程图如图2所示。
1.1 机械臂的运动控制
采用IAI公司的TTA系列三轴机械臂。内部采用X-SEL控制器进行控制,独创的SEL语言必须在特定的联机软件中使用。鉴于此联机软件无法控制实验室研制的硬件电路部分,所以在本系统中不使用SEL语言及其联机软件,而使用Lab VIEW同时实现两者的控制。为了使用Lab VIEW程序与机械臂进行通信,必须了解其底层的通信协议,并按照其通信协议进行指令编写,通过USB通信传递给X-SEL控制器,从而控制机械臂运动。
IAI公司提供的上位机与X-SEL控制器之间的通信协议为Format B协议,配置好相应参数值后,主机可绕过X-SEL联机软件,通过此协议与机械臂直接进行连接。由于实际应用中,使用Format B协议实现控制较为复杂,可参考资料匮乏。为方便特殊用户后续的改进优化,在测试了解的基础上,对该内容进行了相关介绍。表1所示是SEL语言指令和Format B协议指令的对比。SEL语言通过类似助记符来描述指令,直观简便。Format B协议指令按照相应的数据格式进行指令的生成,较为复杂。
图3所示为Format B相对运动指令,该指令划分为若干部分,每部分含义如表2所示。其中,校验位的计算是取前面数字和字母的十六进制ASCII码之和的后两位。不同指令中间的参数个数及意义略有区别。
采用Lab VIEW软件中VISA(virtual instrument software architecture)库提供的子程序进行串口通信,实现上位机与机械臂通信。VISA虚拟仪器软件构架是一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口,VISA库中提供了串口配置、串口写入、串口读取和串口关闭等模块,用户可调用这些模块快速编写串口通信程序[6]。如图4所示,实现机械臂运动所需指令通过字符串合成来实现,用户设定运动速度和相对运动距离,通过格式转化和字符串合成,最终生成指令,通过串口写入到缓冲区,最终发送给机械臂控制器,从而实现控制。
1.2 硬件电路的控制
电磁涡流检测硬件电路以基于Cortex-M4内核的STM32F407VGT6芯片为控制核心,激励信号频率可达10 MHz。整个硬件电路负责产生激励信号、对感应信号进行调理并放大、将采集数据传送给上位机等功能。针对传输数据环节,本文设定了相关通信协议:通过不同的指令编码或加载不同的指令头来区分不同的指令信息,下位机收到指令后对指令加以甄别,以执行不同的动作。表3所示为设定的指令信息。
上位机与硬件电路通信方式同样采用VISA中模块实现。通过硬件电路返回的信息确定激励信号生成是否成功,具体合成控制指令方法与控制机械手方法类似。
1.3 上位机程序
检测数据存储方面采用TDMS文件格式进行数据的写入,TDMS文件是美国国家仪器公司新推出的数据管理系统,采用二进制方式存储数据,所以文件更小,速度更快[7]。
整个程序框图如图5所示。以扫描50 mm×50mm区域,运动步长1 mm为例,首先进行串口初始化、工作状态配置等工作,然后进入嵌套While循环,在内层循环中,实现采样、实时显示和数据保存等工作。每一次执行循环结构时,都需要执行一个条件判断语句,如果X轴(Y轴)运动到极限位置,则执行回程动作,并退出当前循环;如果未达到极限位置,相应地,增加一个步长,继续执行采集数据的指令。最终扫描完成,跳出循环,将探头回归初始位置、复位中间状态标识信息,以及关闭相应资源等工作。用户界面运行效果如图6所示。
在调试阶段,发现偶尔存在上位机软件发送指令后,机械臂未运动的现象。为消除这一现象,程序在下一条运动指令发送前还会对上一条指令进行校验,即发送读取坐标指令机械臂返回当前坐标值,将返回的坐标值与理论坐标值进行对比。如图7所示,如果对比结果在运动允许误差δ范围内(δ小于一个步长距离),则进行下一条指令操作;如果对比结果超过误差范围,则重复上一条运动指令发送,直到成功。通过此方法,提高了系统的可靠性和坐标、采样值对应的准确性。
2 集成电涡流检测系统实验与验证
2.1 扫描运动控制验证
为了检验系统的运动控制精度,进行了机械臂累积误差的测试实验。由于机械臂大小限制,检测时最多扫描400 mm长度的复合材料,所以控制X轴以0.5 mm为一个步长,移动800次,在终点处发送读取坐标指令,返回的实际坐标值与理论值相减,即得到其累积误差。重复上述步骤53次,统计落在各个区间范围内对应的实验次数。最终得到统计结果如表4所示。从表中可以看出,53次实验的累积误差均不超过±0.02 mm,说明系统运动精度较高。
2.2 复合材料损伤检测实验
实验采用多向铺层板(图8,铺层方式为[45°2/0°2/-45°2/90°2]2S)和编织板(图9),板厚皆为2mm,多层板表面加工出一条长30 mm的裂纹;编织板中间位置受到冲击损伤。
采用TR型探头(激励接收线圈分开)和绝对型探头(两线圈封装在一根探头中)进行扫描。两次扫描激励信号频率都处于对应探头的共振频率下(TR型探头2.7 MHz,绝对型探头2.0 MHz),这是因为在共振频率下探头的检测灵敏度和信噪比最高[8]。
针对多层板裂纹扫描结果如图10和图11所示,图中黑色粗直线为实际裂纹位置。图10为TR型探头扫描结果,图11为绝对型探头扫描结果。两次扫描区域为50×50 mm2,信号调理增益30 d B。图中黑线为裂纹实际位置,由于探头本身存在尺寸,在探头接近或离开损伤时探头一直有输出,会出现扫描结果比实际损伤宽;TR探头较绝对型探头宽,所以就同一损伤而言,TR扫描结果比绝对型结果要宽,裂纹宽度的检测精度较弱。但由于探头本身的构造,理论上TR型探头扫描结果能看出一定的纤维分布方向,而绝对型探头无此功能,这在扫描结果中也能得到验证[8]。
针对编织板冲击损伤扫描结果如图12所示,图中黑色圆圈为实际冲击位置。采用绝对型探头进行扫描,信号调理增益30 d B,扫描区域为50×40mm2,得到扫描结果如图12所示。图中左上方存在强度稍强的区域,是因为此区域靠近另一个冲击损伤中心位置。
从扫描的多个结果可以看出,集成的高频电磁涡流检测系统同步性好,精度较高,扫描结果中像素信息过渡平滑,没有出现不同步引起的像素错位现象,且能准确反映损伤的位置信息。对损伤实际大小的鉴别不实主要是受到探头本身尺寸地影响,后续可以通过升级探头和算法补偿来减小该误差。
3 结论
利用实验室自主研制的高频电磁涡流检测硬件平台以及IAI公司的三轴机械臂产品,本文设计编写了上位机控制软件,实现了对不同硬件平台的精确、稳定控制,完成了一套基于复合材料结构的高频电磁涡流检测系统的集成工作。集成系统稳定性好、工作可靠,能实现对复合材料的无损检测且检测结果清晰。另外,还重点研究了IAI公司X-SEL控制器与PC机的Format B通信协议,为今后此类设备的改装、升级提供了相关指导。
参考文献
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机械臂让人拥有六臂不是梦 篇2
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耳机线再也不易打结了
机械臂外文翻译 篇3
机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展, 出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时, 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序, 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低;后者因设计复杂, 需较多继电器,接线繁杂, 易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力, 保证了系统运行的可靠性,降低了维修率, 提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。1．工业机械手的概述
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及为工人交工伤费带来的挑战。
随着我国工业生产的飞跃发展，特别是改革开发以后，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操作钎焊、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业自化，已愈来愈引起我们重视。
机械手是模仿着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率;可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中能够代替人进行正常的工作。2．机械手的组成
机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。1.执行机构
机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。2.传动系统
执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。3.控制系统
机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。3．机械手的分类和特点
机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。主要特点：
(1)机械手（上下料机械手、装配机械手、搬运机械手、堆垛机械手、助力机械手、真空搬运机、真空吸吊机、省力吊具、气动平衡器等）。
(2)悬臂起重机（悬臂吊、电动环链葫芦吊、气动平衡吊等）
(3)导轨式搬运系统（悬挂轨道、轻型轨道、单梁起重机、双梁起重机）4．工业机械手的应用
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：
(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。
(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。
(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。
应用机械手可以代替人从事单调﹑重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温﹑污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床﹑自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和操作对象而不同，常见的有夹持﹑托持和吸附等类型。运动机构一般由液压﹑气动﹑电气装置驱动。机械手可独立地实现伸缩﹑旋转和昇降等运动，一般有2～3个自由度。机械手广泛用于机械製造﹑冶金﹑轻工和原子能等部门。