MCGS和PLC在拋光機(jī)器人上的應(yīng)用

陳富夫， 劉建新

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院 ，四川成都 610039)

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MCGS和PLC在拋光機(jī)器人上的應(yīng)用

陳富夫， 劉建新

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院 ，四川成都 610039)

摘要拋光軌跡和拋光力是拋光工藝中的兩個(gè)重要參數(shù)，本文通過運(yùn)用MCGS組態(tài)軟件，觸摸屏，PLC控制器等軟硬件設(shè)備對原有的拋光機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期要求，更具實(shí)用性。

關(guān)鍵詞機(jī)器人MCGS組態(tài)軟件PLC運(yùn)動控制

0引言

拋光是機(jī)械加工過程中的的一項(xiàng)重要工序，其目的是去除上一步加工后的加工痕跡，以及零部件四周和表面的毛刺，以獲得光滑、光亮的表面，滿足零件表面粗糙度等技術(shù)要求。目前該工藝的實(shí)施主要還是靠工人手持拋光工具對產(chǎn)品工件進(jìn)行打磨拋光，這種方式效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量次，工作工程中的細(xì)微粉塵非常傷害工人身體，高速旋轉(zhuǎn)的打磨機(jī)等工具也具有危險(xiǎn)性，稍有不慎就可能引發(fā)安全事故。同時(shí)伴隨用企業(yè)用工成本的持續(xù)上漲，加之機(jī)器人制造技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，目前國內(nèi)外許多制造型企業(yè)也都引進(jìn)了基于機(jī)器人的自動化技術(shù)，但這類機(jī)器人系統(tǒng)復(fù)雜，使用成本和維護(hù)成本都不低，對一些微利的制造企業(yè)而言是不小的負(fù)擔(dān)。針對這種情況，本文利用組態(tài)軟件，PLC控制器等軟硬件設(shè)備對前期搭建的拋光機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行了大膽地改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)了更合理的人機(jī)控制界面和控制程序，工人通過該界面就能非常方便的根據(jù)需要完成對工件的拋光。

1拋光原理介紹

根據(jù)赫茲接觸理論，兩物體因受壓相觸后將會產(chǎn)生局部應(yīng)力和應(yīng)變，在接觸點(diǎn)附近材料會發(fā)生局部變形，變形區(qū)域近似橢圓形，各處的形變量由于材料本身特性的不同也不同，這使得表面各單位面積上的壓力也不相同，但是垂直方向上將產(chǎn)生最大的力，這個(gè)力就是拋光力。拋光工具對模具表面進(jìn)行拋光時(shí)，在法向拋光力的作用下兩者之間形成一個(gè)接觸區(qū)域，模具表面材料的去除就發(fā)生在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，所以在拋光工藝中，拋光力恒定對拋光效果起著主要作用。針對大批量，規(guī)格化的產(chǎn)品，在人工拋光過程中的接觸力和工具運(yùn)動速度就很難保持恒定，影響拋光效果。

結(jié)合具體實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，拋光方式大致可歸結(jié)為兩類：一類是固定工件，拋光工具相對工件運(yùn)動；一類是固定拋光工具，工件相對工具運(yùn)動。但是對于表面積較大的工件，多數(shù)情況下采用的是第二種方式。此外，拋光軌跡的均勻性也十分重要，它保證了工件表面各點(diǎn)具有相同的材料去除率。由此推斷拋光過程中的拋光力和拋光運(yùn)動方式是影響拋光效果的兩個(gè)至關(guān)重要的因素。

2控制系統(tǒng)介紹

2.1系統(tǒng)組成及原理

該系統(tǒng)硬件由直角坐標(biāo)機(jī)器人骨架、PLC控制器、觸摸屏、伺服驅(qū)動器等組成。直角坐標(biāo)機(jī)器人是一種以單個(gè)運(yùn)動軸的直線運(yùn)動為基礎(chǔ),在空間上一般分為水平運(yùn)動的x軸和Y軸以及垂直運(yùn)動的Z軸組成的設(shè)備，該類機(jī)器人具有6個(gè)自由度，可以在允許的空間范圍中隨意運(yùn)動，因此具有很大的靈活性。由于需要保證機(jī)器人一定的運(yùn)動精度，所以該機(jī)器人所有軸的驅(qū)動均采用交流伺服電機(jī)作為動力源，電機(jī)型號均為松下A4系列的MSMD042P1U，伺服驅(qū)動器型號為MBDDT2210，相關(guān)參數(shù)設(shè)置為出廠設(shè)置，考慮到傳動的平穩(wěn)性以及系統(tǒng)的載荷能力，三軸均配置相應(yīng)的高精度齒輪減速器。系統(tǒng)采用臺達(dá)系列的小型PLC作為機(jī)器人控制核心，它通過接收上位機(jī)發(fā)出的指令來完成對機(jī)器人運(yùn)動的控制。觸摸屏作為人機(jī)交互的媒介，通過RS—232串口完成與下層控制器的連接，以便快速的將PLC內(nèi)存中的數(shù)據(jù)反饋到界面上?？刂葡到y(tǒng)總體框圖如圖1所示：

2.2PLC與MCGS的通信和數(shù)據(jù)連接

組態(tài)軟件MCGS是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，具有它豐富的動畫圖形功能和全中文的操作環(huán)境。作為人機(jī)交互的軟件媒介，它必須與PLC建立通信才能完成對機(jī)器人的控制和數(shù)據(jù)采集工作。點(diǎn)擊MCGS軟件的設(shè)備窗口，在彈出的設(shè)備窗口中選擇設(shè)備串口父設(shè)備，根據(jù)控制器種類選擇對應(yīng)的PLC種類，設(shè)置好后通訊參數(shù)后即可完成上位機(jī)與PLC的通訊連接。通訊連接建立以后必須在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中將MCGS中的變量和PLC寄存器一一對應(yīng)起來才能實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制。臺達(dá)DVP—32EH機(jī)型的PLC支持RS-232通訊方式，通訊參數(shù)設(shè)置為波特率9600，數(shù)據(jù)位7位，停止位1位，偶檢驗(yàn)方式。通訊連接及參數(shù)設(shè)置過程如圖2所示：

圖2　MCGS與PLC通訊連接及參數(shù)設(shè)置

2.3上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)操作界面是操作人員對設(shè)備進(jìn)行操作的接口，良好簡潔，結(jié)構(gòu)合理的人機(jī)界面在設(shè)備操作過程中尤為重要。在對工件拋光的過程中并不是對整個(gè)工件進(jìn)行全面拋光，而是根據(jù)工藝技術(shù)要求和工件表面的狀況對工件表面進(jìn)行選擇性的拋光，所以針對不同的情況需要對機(jī)械手進(jìn)行不斷的重新定位，考慮到這些因素，利用MCGS的頁面關(guān)聯(lián)性屬性，分別設(shè)計(jì)了用于不斷調(diào)整定位的“單軸監(jiān)控”界面和用于目標(biāo)位置拋光和參數(shù)輸入的“聯(lián)動監(jiān)控”界面，兩個(gè)界面中都利用坐標(biāo)圖來實(shí)時(shí)顯示各軸運(yùn)動情況，方便對異常情況進(jìn)行監(jiān)控。

2.3.1單軸監(jiān)控界面

該監(jiān)控界面主要用來對機(jī)器人的各個(gè)單軸進(jìn)行位置調(diào)整，通過MCGS設(shè)計(jì)軟件的工具箱選擇相應(yīng)的控件圖標(biāo)，在該界面上設(shè)置了“原點(diǎn)設(shè)置”、“返回原點(diǎn)”、“急?！?、“聯(lián)動”、“軌跡清零”以及X、Y、Z方向上的六個(gè)方向控制按鈕。調(diào)整好各軸位置后，“原點(diǎn)設(shè)置”用于設(shè)置目標(biāo)拋光區(qū)域的起點(diǎn)。整個(gè)界面設(shè)置了指示燈來監(jiān)控觸摸屏與PLC的通信情況，操作人員可以通過指示燈的狀態(tài)變化來發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)排除故障。

2.3.2聯(lián)動監(jiān)控界面

通過“單軸監(jiān)控”界面中單擊“聯(lián)動”按鈕就能進(jìn)入“聯(lián)動監(jiān)控”界面。該界面用于對預(yù)定拋光軌跡的選擇和拋光區(qū)域的范圍設(shè)置，該系統(tǒng)中預(yù)置了四種常用的拋光軌跡模式，用于可根據(jù)需要結(jié)合零件大小選擇相應(yīng)的模式。該套系統(tǒng)仿照數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)置模式，通過設(shè)置拋光范圍的X軸、Y軸邊界坐標(biāo)、拋光速度、拋光進(jìn)給量等各種參數(shù)來達(dá)到加工要求， 聯(lián)動界面設(shè)計(jì)如圖3所示。設(shè)計(jì)好人機(jī)操作界面以后，需要再對控件定義變量(數(shù)據(jù)對象)，組態(tài)的上位機(jī)控制功能的實(shí)現(xiàn)還必須將定義的變量在MCGS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中與PLC相應(yīng)寄存器之間的連接，這樣才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的下置和上傳。

圖3　拋光聯(lián)動控制界面

2.4下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

PLC具有的抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的特點(diǎn)使得它成為工業(yè)現(xiàn)場廣泛采用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，同時(shí)由于該機(jī)器人控制系統(tǒng)并不算復(fù)雜，綜合經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，選用PLC做控制器是合適的。本系統(tǒng)采用的是臺達(dá)DVP-32EH型的可編程序控制器，具有32點(diǎn)I/O，軟件采用與控制器配套的梯形圖編程軟件?？紤]到整個(gè)控制程序較為復(fù)雜，考慮到程序的易讀性和可修改性，編程過程中采用了主程序加子程序的模塊化編輯思路，系統(tǒng)程序主要由主軸控制主程序、四種軌跡控制子程序、循環(huán)子程序、步長計(jì)算子程序組成，主程序通過控制器內(nèi)置的CALL指令來完成對子程序的調(diào)用。此外，在軌跡計(jì)算的過程中使用到了變址寄存器來輔助計(jì)算和存放目標(biāo)區(qū)域的地址，使得程序更加簡潔和方便。 PLC控制流程圖如圖4所示。

圖4　PLC控制流程圖

3實(shí)驗(yàn)運(yùn)行

最后在“聯(lián)動監(jiān)控”的控制界面選擇圓形軌跡模式(模式三)進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，設(shè)定目標(biāo)拋光區(qū)域的四個(gè)圓弧定位點(diǎn)(20,20)、(40，0)、(20,-20)、(0,0)，步進(jìn)長度(輪廓進(jìn)給量)為5mm，拋光過程及加工效果如圖5所示：

圖5　設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況

4實(shí)驗(yàn)結(jié)論和分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，拋光力的恒定通過對Z軸的控制得以實(shí)現(xiàn)，而對X-Y軸的控制則實(shí)現(xiàn)了對軌跡的均勻控制。該套運(yùn)動控制系統(tǒng)能根據(jù)操作人員輸入的工藝參數(shù)完成目標(biāo)區(qū)域預(yù)定軌跡的拋光工序，同時(shí)也可以根據(jù)現(xiàn)場情況隨時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)。但是不足之處在于垂直方向上的力不能直觀控制，這使得最佳拋光力必須經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)才能取得，這間接影響到了最終的拋光效果，這為系統(tǒng)后續(xù)研究和改進(jìn)指明了方向。

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第一作者：陳富夫(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：機(jī)電控制理論及其應(yīng)用技術(shù)。

Application of MCGS and PLC on Polishing Robot

CHEN Fu-fu, LIU Jian-xin

(School of Mechanical Engineering and Automation, Xihua University, Chengdu 610039)

Abstract：The polishing path and polishing force are two important parameters in the process of polishing. The motion control system for polishing robot was improved by using MCGS configuration software, touching screen, PLC Controller and other software and hardware equipments. The experiment results showed that the system had met the expected requirements and become more practical.

Key words：robot, MCGS configuration software, PLC, motion control

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：中國分類號：TP249 B

基金項(xiàng)目：四川省科技廳科技支撐計(jì)劃(2010GZ0132)。

收稿日期：2014-12-20