拋光打磨機(jī)器人智能控制系統(tǒng)研究與開發(fā)*

王　淼，楊宜民，李凱格，陶　林，仵桂學(xué)

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣州　510006；2.廣東省自動化研究所 廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東省現(xiàn)代控制與光機(jī)電技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室，廣州　510070)

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拋光打磨機(jī)器人智能控制系統(tǒng)研究與開發(fā)*

王淼1，楊宜民1，李凱格2，陶林1，仵桂學(xué)1

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣州510006；2.廣東省自動化研究所 廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東省現(xiàn)代控制與光機(jī)電技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室，廣州510070)

摘要：為解決手工拋光打磨效率低、對人體損傷大，傳統(tǒng)機(jī)器人拋光打磨操作復(fù)雜、成本高等問題，采用PLC控制五自由度拋光打磨機(jī)器人本體，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的運(yùn)動控制和力控制，并基于MCGS組態(tài)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而實(shí)現(xiàn)拋光打磨系統(tǒng)的智能化控制。該控制系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)控現(xiàn)場參數(shù)，對工藝流程的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使操作、維護(hù)更加方便。對保溫瓶的拋光打磨實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：拋光打磨時間為1.4s，較手工方式需3s而言，效率提高約47%。

關(guān)鍵詞：拋光打磨機(jī)器人；PLC；智能控制系統(tǒng)

0引言

隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代拋光越來越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)及民用產(chǎn)品上[1]。而傳統(tǒng)的拋光加工，一般采用手工打磨，不僅費(fèi)時費(fèi)力、效率低下，而且很難保證加工產(chǎn)品質(zhì)量的一致性；同時工業(yè)現(xiàn)場噪聲、粉塵對人體有極高的危害以及很多拋光行業(yè)公司沒有好的制度與不注重安全生產(chǎn)，嚴(yán)重影響員工的生命健康。針對國內(nèi)拋光控制系統(tǒng)自動化水平還不是特別高的現(xiàn)狀，采用新型的五自由度工件加緊機(jī)構(gòu)拋光要比普通手工拋光更能保證加工精度，使加工效率大大提高，而且設(shè)備投資少，成本低，工人工作環(huán)境得到很好的改善，同時為復(fù)雜空間曲面的加工開辟了一條更先進(jìn)的途徑。

近年來，工業(yè)化的自動化裝置發(fā)展速度，其最為突出的是PLC，可編程控制器因其抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用靈活、安裝和調(diào)試方便，維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)[2]。在五自由度工件加緊機(jī)構(gòu)的拋光打磨機(jī)器人系統(tǒng)中引用PLC控制，可以極大的提高拋光效率，而且相對于其它的運(yùn)動控制卡和控制器而言，PLC控制具有成本低、穩(wěn)定性高、易于操作等優(yōu)勢[3]。同時利用PLC控制與MCGS組態(tài)軟件技術(shù)的結(jié)合，能夠在保證拋光打磨機(jī)器人正常工作的情況下，實(shí)時顯示各部件的工作狀態(tài)，快速對故障做出預(yù)警和報(bào)警，實(shí)現(xiàn)拋光系統(tǒng)的智能化[4]。

1智能系統(tǒng)總結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

(1)系統(tǒng)工作模式。設(shè)計(jì)兩種可切換的工作模式：自動控制與手動控制。

(2)故障診斷與報(bào)警。系統(tǒng)能夠自動診斷出拋光機(jī)在作業(yè)的過程中各監(jiān)測部件是否發(fā)生故障，當(dāng)發(fā)生故障時能夠在觸摸屏中顯示，并通過聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警。

(3)狀態(tài)顯示及存儲。系統(tǒng)工作過程中各部件運(yùn)動參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)能夠在觸摸屏顯示，觸摸屏設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)存儲功能，存儲拋光機(jī)工作過程中有用的數(shù)據(jù)。

1.2智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)具備的功能，制定總體設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)[5]。智能系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該控制系統(tǒng)主要分為三個模塊：上位機(jī)系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)、報(bào)警控制部分，各部分完成的功能主要有:

(1)上位機(jī)系統(tǒng)：將整個工藝過程以直觀的畫面在觸摸屏上顯示出來，設(shè)定并記錄設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)，并且分析參數(shù)的變化趨勢，實(shí)施診斷和報(bào)警，完成高級控制策略；

(2)下位機(jī)系統(tǒng)：主要完成五自由度工件的夾緊與放松、平臺的左移右移、滑臺的前進(jìn)與后退、平衡的前頂與后撤等控制，以及能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與處理；

(3)報(bào)警控制系統(tǒng)：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能通過聲光警報(bào)的形式報(bào)警，從而達(dá)到報(bào)警的目的。

圖1　系統(tǒng)框圖

2硬件設(shè)計(jì)

2.1復(fù)雜曲面的運(yùn)動控制

本研究利用可編程控制器PLC實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的運(yùn)動控制。即通過夾持裝置的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)待拋光物體的固定加緊，再在拋光裝置的夾橫向驅(qū)動裝置、縱向驅(qū)動裝置及轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置的三重作用下，實(shí)現(xiàn)待拋光物體的三個方向(相互垂直方向)上的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)待拋光物體的多角度多面向的轉(zhuǎn)動，拋光準(zhǔn)確，精度高。如圖2所示。

1.五自由度加持機(jī)構(gòu)2.拋光輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)3.交流電機(jī) 4.機(jī)架圖2　拋光裝置

2.2拋光打磨過程的力控制

五自由度加持機(jī)構(gòu)如圖3所示。五自由度加緊機(jī)構(gòu)為主要運(yùn)動機(jī)構(gòu)，包括推進(jìn)氣缸提供整體推進(jìn)的動力，通過控制推進(jìn)氣缸來控制拋光工件(回轉(zhuǎn)體)與拋光輪的位置和接觸力。平衡氣缸可根據(jù)回轉(zhuǎn)體的形狀控制導(dǎo)軌上部的機(jī)構(gòu)沿如圖Z軸旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到回轉(zhuǎn)體與拋光輪有為線接觸。且平衡氣缸的電動滑臺可驅(qū)動滑臺上的結(jié)構(gòu)沿W軸進(jìn)給運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體工件可以從頭到尾與拋光輪接觸摩擦，伺服電機(jī)為回轉(zhuǎn)體在拋光過程中沿W軸旋轉(zhuǎn)提供動力。氣缸通過三個轉(zhuǎn)軸鏈接固定可實(shí)現(xiàn)對回轉(zhuǎn)體的加緊，當(dāng)氣缸伸長時可實(shí)現(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)沿R軸旋轉(zhuǎn)從而加緊回轉(zhuǎn)體，氣缸收縮時可松開加緊，工件(回轉(zhuǎn)體)兩端通過列角接觸軸承加緊，與工件接觸端加裝聚氨酯墊片以增加摩擦力。

1.夾緊氣缸 2.伺服電機(jī) 3.進(jìn)給氣缸 4.直線滑臺 5.平衡氣缸

采用電氣比例閥來控制平衡氣缸，通過控制比例閥可以控制執(zhí)行元件在兩個方向上的運(yùn)動速度，調(diào)節(jié)其運(yùn)動速度，從而使平衡氣缸適應(yīng)回轉(zhuǎn)體的曲面運(yùn)動。通過加緊氣缸來固定加緊回轉(zhuǎn)體，主動力氣缸推動整體，使得保溫瓶被推進(jìn)到拋光輪，平衡氣缸根據(jù)回轉(zhuǎn)體的曲線控制導(dǎo)軌上部結(jié)構(gòu)沿Z軸轉(zhuǎn)動，以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體外表面與拋光輪線接觸，通過控制回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)以及軸向驅(qū)動電機(jī)可控制單位時間單位面積拋光的速度以及次數(shù)。

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

拋光打磨機(jī)器人智能系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為二部分：PLC控制軟件設(shè)計(jì)和觸摸屏人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。PLC控制軟件主要完成控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、故障診斷等功能；觸摸屏人機(jī)交互軟件的設(shè)計(jì)主要完成監(jiān)測作業(yè)流程、主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以及讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對異常工況進(jìn)行聲光報(bào)警等功能[5]。

3.1PLC控制軟件設(shè)計(jì)

選用的是三菱型號為FX3U-48M的PLC，其編程軟件GX Developer[6]。該編程軟件支持梯形圖、指令表、SFC、ST及FB、Label語言程序設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，可進(jìn)行程序的線上更改、監(jiān)控及調(diào)試，具有異地讀寫PLC程序功能[7]。PLC控制流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)開始后，第一步的工作是系統(tǒng)初始化，其次就是系統(tǒng)會根據(jù)反饋的信號進(jìn)行自檢，當(dāng)初始化正常時，系統(tǒng)便開始運(yùn)行，否則回到初始化的狀態(tài)。第二步便是進(jìn)入觸摸屏的參數(shù)設(shè)定的界面，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速值的設(shè)定。然后返回主界面，進(jìn)行手自動模式的選定。手動模式有氣缸的夾緊與放松、平臺的左移右移、滑臺的前進(jìn)與后退、平衡的前頂與后撤等功能。而自動模式包括上料、氣缸夾緊、電機(jī)正反轉(zhuǎn)、滑臺的前進(jìn)、平臺的右移、平衡的前頂、拋光曲線運(yùn)動、平衡后撤、滑臺后退、電機(jī)停止、氣缸放松、下料等一連串作業(yè)的循環(huán)模式。同時系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控各部件的運(yùn)動狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，會通過聲光進(jìn)行警報(bào)，并在觸摸屏上實(shí)時顯示故障。

圖4　控制流程圖

3.2觸摸屏人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)具備的性能，選擇北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司推出的TPC7062TD，其實(shí)物圖如圖5所示。其人機(jī)交互界面采用的是MCGS組態(tài)軟件，是一套基于Windows平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件[8]。其設(shè)計(jì)思想獨(dú)特，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、流程控制、動畫顯示、實(shí)時數(shù)據(jù)處理和報(bào)警等功能，具有性能好、穩(wěn)定性高等選點(diǎn)[9]。觸摸屏的設(shè)計(jì)包括變量設(shè)置和界面設(shè)置[10]。變量設(shè)置是將MCGS的組態(tài)功能與PLC相應(yīng)的I/O口以及存儲單元建立通道聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)觸摸屏對PLC的控制。最后一般通過上位機(jī)的RS-232串行口和PLC上的編程口，建立物理上的通訊連接，從而達(dá)到操作PLC的目的。觸摸屏人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5　觸摸屏實(shí)物圖

圖6　人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

4試驗(yàn)及其結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，從表格可知，當(dāng)瓶輪接觸力為88N、拋光輪的線速度為39m/s、瓶的軸向移動速度為5.9m/s時，拋光效果最佳，拋光時間為1.4s。相比傳統(tǒng)手工拋光時間大約為3s來說，效率提升了47%。同時MCGS組態(tài)軟件的應(yīng)用改變了PLC 控制系統(tǒng)無法直觀地顯示現(xiàn)場參數(shù)變化的缺點(diǎn)，操作人員可實(shí)時監(jiān)控現(xiàn)場的參數(shù)，對工藝流程的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而更加直觀以及操作、維護(hù)更加方便。

圖7　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5結(jié)束語

本研究利用PLC控制五自由度拋光打磨機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的運(yùn)動控制與力控制，并與MCGS組態(tài)軟件技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而實(shí)現(xiàn)拋光系統(tǒng)的智能化。本研究的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該拋光打磨機(jī)器人智能系統(tǒng)人機(jī)交互良好、界面直觀、操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、設(shè)備成本低、拋光效率比傳統(tǒng)手工拋光有47%的提升，具有很廣闊的應(yīng)用前景。

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(編輯趙蓉)

Development of Intelligent Control System for Polishing Robot

WANG Miao1,YANG Yi-min1,LI Kai-ge2,TAO Lin1,WU Gui-xue1

(1. School of Automation,Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China ;2.Guangdong Key Laboratory of Modern Control Technology ,Guangdong Open Laboratory of Modern Control & O-M-E Technology, Guangdong Institute of Automation, Guangzhou 510070,China)

Abstract：In order to solve the low efficiency of manual polishing, on the human body injury, the traditional robot polishing the complex operation and the cost higher problems. The system is used PLC to control the five degrees of freedom robot polishing ,to realize the motion control and force control of complex curved surface. The system is also combined with the MCGS configuration software technology, so as to realize the human-computer interaction and the intelligent polishing system. The control system can real-time monitoring of site parameters and process parameters on the set.it has good human-computer interaction, stable and reliable, strong practicability and high degree of intelligence. The experimental on the thermos bottle results show that: the intelligent system of polishing time is 1.4 seconds. Compared with the traditional manual polishing time is about 3 seconds, the polishing efficiency is increased by 47%.

Key words：polishing robot；PLC；intelligent control system

中圖分類號：TH166;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：王淼(1989-)，男，湖南，廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)檫^程控制與自動化裝備，(E-mail)329275455@qq.com；通訊作者：李凱格(1986—)，男，天津人，廣東省自動化研究所工程師，碩士，研究方向?yàn)榫軝C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，(E-mail)kg.li@foxmail.com。

*基金項(xiàng)目：廣東省科學(xué)院優(yōu)秀青年科技人才基金(rcjj201504)；廣東省自動化研究所所長基金(C201401)

收稿日期：2015-01-24；修回日期：2015-03-31

文章編號：1001-2265(2015)12-0094-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.025