刀柄砂光處理的六軸數(shù)控拋光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐淼，康獻(xiàn)民

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刀柄砂光處理的六軸數(shù)控拋光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐淼，康獻(xiàn)民

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

針對(duì)人工拋光刀柄的質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，設(shè)計(jì)了由HUST-CNC-H6C六軸控制器為核心的一套數(shù)控拋光系統(tǒng)，以解決整個(gè)刀柄的砂光處理. 在軟件設(shè)計(jì)部分，特別加入了通過手搖輪正反轉(zhuǎn)來控制程序正反運(yùn)行的功能，同時(shí)也為后期的調(diào)試工作帶來了方便. 實(shí)踐表明：該控制系統(tǒng)在物理樣機(jī)上可對(duì)刀柄焊縫進(jìn)行一次性拋光處理.

拋光機(jī)；六軸控制；砂光處理

刀具的刀柄焊接處表面粗糙，需進(jìn)行砂光處理. 現(xiàn)有的刀柄砂光處理方式多為人工借助機(jī)械切屑材料表面得到平滑面. 由于人工拋光質(zhì)量不穩(wěn)定，勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵和噪音導(dǎo)致工作環(huán)境惡劣等，因此利用機(jī)器代替人工是必要的.

對(duì)于表面具有多樣性和無規(guī)律性的異形工件待拋光面，普通拋光機(jī)器難以滿足其拋光需求，而具有多軸聯(lián)動(dòng)方式的數(shù)控拋光機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意曲線或曲面的拋光，因此，它在異形工件的拋光處理上應(yīng)用廣泛，如在五金、手機(jī)零部件、平板電腦等加工上的應(yīng)用. 鑒于目前市面上尚未有專門的設(shè)備處理刀柄的砂光. 本文通過對(duì)刀柄焊縫砂光自動(dòng)化處理工藝的分析，擬設(shè)計(jì)一套完整的刀柄砂光處理數(shù)控拋光控制系統(tǒng)，以期能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的協(xié)同控制，從而完成對(duì)刀柄焊縫的砂光處理.

1 設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)以六軸控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，要求該控制系統(tǒng)能一次性完成對(duì)刀柄焊縫的砂光處理.

刀柄待拋光部位如圖1所示：其中位置1和3直線焊縫不平行，呈銳角；位置2為橢圓焊縫. 分析可知一次完成位置1和3兩條焊縫需要、、和4個(gè)方向的自由度；位置2的焊縫需要、、和4個(gè)方向的自由度，因此該系統(tǒng)需要對(duì)6個(gè)方向協(xié)同控制才能滿足一次性拋光處理的要求. 綜合其他方面的考慮，對(duì)控制系統(tǒng)的要求如下：1）能實(shí)現(xiàn)對(duì)各運(yùn)動(dòng)軸的單獨(dú)控制；2）能實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)軸之間的協(xié)同控制，如直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)等；3）具有報(bào)警和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，從而保證設(shè)備的安全運(yùn)行；4）支持人機(jī)交互界面，方便操作人員對(duì)程序進(jìn)行編改和調(diào)試.

1. 直線焊縫；2. 橢圓焊縫；3. 直線焊縫

2 拋光機(jī)的設(shè)計(jì)

數(shù)控拋光系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖2所示，其硬件部分主要包括三相電機(jī)、變頻器、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、傳感器、運(yùn)動(dòng)控制器和PC等；軟件部分主要包括承載于運(yùn)動(dòng)控制器之上的各種應(yīng)用軟件等. 運(yùn)動(dòng)控制器是信息處理的核心部分，PC用于信息顯示；限位傳感器和接近傳感器為數(shù)控系統(tǒng)的初始化提供參照和安全保障.

圖2 數(shù)控拋光系統(tǒng)框架圖

2.1 數(shù)控拋光機(jī)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于具有6個(gè)自由度的協(xié)同控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）已不能滿足其功能要求，而選用高性能的PLC將增加成本，故本文選用億圖HUST-CNC-H6C-6運(yùn)動(dòng)控制器作為拋光機(jī)的控制核心（完成邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制），硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

與傳統(tǒng)PLC相比，HUST-CNC-H6C-6性價(jià)比高，且能通過G代碼對(duì)各伺服系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，方便用戶調(diào)試程序（如對(duì)同一類型的加工曲面，只需改變相對(duì)應(yīng)的參數(shù)即可），通用性強(qiáng). 該控制器有位置控制和速度控制2種控制模式；脈沖方式有脈沖+方向、正負(fù)脈沖和A、B相脈沖；同時(shí)具有多軸插補(bǔ)功能和適時(shí)補(bǔ)償功能，能滿足控制系統(tǒng)的功能要求.

系統(tǒng)的輸入信號(hào)有接近開關(guān)、按鈕信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等，輸入信號(hào)有效. 接近開關(guān)選用電感式接近開關(guān)，這類開關(guān)抗干擾性能好，開關(guān)頻率高（），且只感應(yīng)金屬.

伺服系統(tǒng)選用性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的伊萊斯伺服電機(jī)和對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器. 伺服驅(qū)動(dòng)器采用DSP+FPGA體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有較快的數(shù)據(jù)采集和處理速度，集成度高、可靠性好，同時(shí)配有豐富的模擬量接口，能與多種上位控制裝置配套. 優(yōu)化的PID控制算法能實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩、速度、位置等的精確全數(shù)字控制，精度高、響應(yīng)快. 輸出信號(hào)有電磁閥、繼電器、報(bào)警燈等. 輸出點(diǎn)控制方式為有效.

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器底層功能梯形圖的編程、人機(jī)畫面的規(guī)劃和實(shí)現(xiàn). 依據(jù)功能需要，采用模塊化設(shè)計(jì)該控制器的軟件部分. 為方便用戶快速了解和正確使用該控制系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)主要分為幾大模塊，具體如圖4所示.

圖4 軟件框架圖

在自動(dòng)運(yùn)行模式中，與以往一次性執(zhí)行完所有程序不同，本系統(tǒng)添加了單節(jié)執(zhí)行和手輪測(cè)試功能. 單節(jié)執(zhí)行是指對(duì)程序一步一步地執(zhí)行. 手輪測(cè)試是通過搖動(dòng)手搖輪手柄來控制程序的運(yùn)行和停止，即手柄正方向旋轉(zhuǎn)，程序正向運(yùn)行，手柄反方向旋轉(zhuǎn)，程序逆向運(yùn)行；手柄轉(zhuǎn)，程序運(yùn)行，手柄停，程序停止. 在自動(dòng)運(yùn)行前，可先通過單節(jié)執(zhí)行和手輪測(cè)試檢查工件在拋光運(yùn)動(dòng)過程中是否存在撞機(jī)危險(xiǎn)和程序中存在的一些問題，以保證設(shè)備和人員的安全.

3 物理樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡介

樣機(jī)由控制運(yùn)動(dòng)和拋光的兩部分機(jī)械組成. 控制運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要完成待拋光件的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，即通過伺服電機(jī)協(xié)同完成拋光所需要的軌跡. 拋光運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要完成砂帶的旋轉(zhuǎn)，即通過變頻器控制主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而滿足不同的工藝要求.

數(shù)控拋光機(jī)大體結(jié)構(gòu)裝配體如圖5所示. 從圖5可以看出，該數(shù)控拋光機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)由6套伺服控制系統(tǒng)組成，即、、3個(gè)位移軸和、、3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸. 6個(gè)運(yùn)動(dòng)軸在適配的控制系統(tǒng)操作下通過直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)方式，完成任意曲線或曲面的拋光作業(yè).

1. Y向伺服驅(qū)動(dòng)器；2. C向伺服驅(qū)動(dòng)器；3. B向伺服驅(qū)動(dòng)器；4. A向伺服驅(qū)動(dòng)器5. X向伺服驅(qū)動(dòng)器；6. Z向伺服驅(qū)動(dòng)器；7. 三相電機(jī)

4 自動(dòng)拋光實(shí)驗(yàn)

自動(dòng)拋光實(shí)驗(yàn)是指在控制系統(tǒng)上載程序后，對(duì)裝夾在物理樣機(jī)上的待拋光工件進(jìn)行自動(dòng)拋光作業(yè)，以驗(yàn)證控制系統(tǒng)的功能完整性和可靠性等，待拋光刀柄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

a.拋光前 b.拋光后

圖6 拋光前后效果對(duì)比圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該數(shù)控拋光系統(tǒng)能一次性完成刀柄的砂光處理任務(wù)，且砂光后各部分銜接良好，能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求.

5 結(jié)語

本文通過對(duì)刀柄砂光處理的研究，完成了六軸數(shù)控拋光機(jī)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等方面的初步設(shè)計(jì). 該系統(tǒng)在合作企業(yè)自主開發(fā)的物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中，能一次完成對(duì)刀柄焊縫部位的砂光處理. 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：啟動(dòng)程序便可自動(dòng)完成生產(chǎn)，對(duì)作業(yè)人員的操作要求較低，生產(chǎn)管理更方便. 在手輪測(cè)試模式中，能清楚地看到各工況下刀柄與拋光輪之間的位置狀態(tài)，為調(diào)試人員修改程序和設(shè)計(jì)人員改進(jìn)設(shè)備提供了條件. 該拋光機(jī)是能實(shí)現(xiàn)6個(gè)方向協(xié)同控制的六軸控制系統(tǒng)，只要稍加改造，便可適用于衛(wèi)浴零件拋光、五金配件加工等，具有廣泛的應(yīng)用和推廣前景. 各軸的運(yùn)行速度分配和運(yùn)動(dòng)方式的切換銜接將在后續(xù)研究中改進(jìn).

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[責(zé)任編輯：韋 韜]

Design of a Control System for Six-axis Numerical Control Polishing

XUMiao, KANGXian-min

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In order to solve problems of unstable effects in the artificial processing of handles, this study designs a numerically-controlled polishing system with a HUST-CNC-H6C six-axis controller as the core to achieve the sanding treatment of the entire handle. In the software design part, a direct and inverse hand wheel are added to control the direct and inverse operation of the control procedures. This also brings about convenience for later debugging. Practice shows that the control system can achieve one-time polishing processing of the handle on the physical prototype.

polishing machines; six-axis control; sanding treatment

1006-7302（2015）01-0074-05

TP23

A

2014-09-16

徐淼（1988—），男，湖北鐘祥人，在讀碩士生，主要從事自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)及其仿真研究；康獻(xiàn)民，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，博士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要從事機(jī)械設(shè)備故障檢測(cè)和自動(dòng)化研究.