基于DeviceNet總線工業(yè)機器人在末級葉片淬火應(yīng)用研究

禹爭光，馮文，邱述林，張偉剛

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

基于DeviceNet總線工業(yè)機器人在末級葉片淬火應(yīng)用研究

禹爭光，馮文，邱述林，張偉剛

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

主要介紹ABB機器人自動葉片淬火系統(tǒng)控制原理和DeviceNet通訊協(xié)議特點，及其在汽輪機末級葉片淬火的應(yīng)用技術(shù)分析，同時介紹淬火系統(tǒng)硬件配置。主要討論在ABB第五代機器人控制器IRC5系統(tǒng)環(huán)境中，給出基于DeviceNet總線通訊的硬件設(shè)計和軟件編制過程等關(guān)鍵技術(shù)問題。最后實現(xiàn)ABB機器人與外設(shè)之間快速、柔性配合，提高生產(chǎn)效率。

工業(yè)機器人，DeviceNet總線，淬火系統(tǒng)，末級葉片

0 引言

汽輪機低壓部分葉片由于一直工作在飽和濕蒸汽腐蝕介質(zhì)環(huán)境下，同時承受離心力、蒸汽作用力、激振力及濕蒸汽所攜帶的水滴沖刷的共同作用，極易遭到水蝕，并且隨著沖蝕損傷的進一步惡化很可能造成汽輪機的葉片事故。在減緩末級葉片的水蝕速度應(yīng)用方面，目前世界上普遍采用的技術(shù)方法有:鑲嵌司太立合金、電火花強化、等離子淬火、火焰淬火、高頻淬火、激光處理、熱噴涂、電子束強化等，上述工藝技術(shù)在應(yīng)用、性能和成本上各有優(yōu)勢。其中，等離子淬火由于能通過等離子束實現(xiàn)瞬間加熱與瞬間冷卻，具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。在淬火操作過程中，由于工作溫度高、噪聲大和高強度弧光的惡劣環(huán)境，同時，葉片淬火帶為復(fù)雜的扭曲面邊沿，要求毫米級處理精度。所以采用智能化機器人作業(yè)具有相當(dāng)大優(yōu)勢。工業(yè)機器人還有利于實現(xiàn)工藝穩(wěn)定性和生產(chǎn)柔性，可高效組織生產(chǎn)。

由于每個工業(yè)機器人都采用專用操作系統(tǒng)，重點在于機器人各轉(zhuǎn)軸運動控制，沒有專用接口與外加設(shè)備（如:淬火設(shè)備和距離傳感器等）之間對大量采集數(shù)據(jù)進行有效交換和控制，不便實現(xiàn)一體化系統(tǒng)操作。若僅通過I/O硬連線方式傳遞數(shù)據(jù)和指令，將增大控制線數(shù)量，還會減慢數(shù)據(jù)傳輸速度。針對工業(yè)機器人上述問題，本系統(tǒng)先通過內(nèi)部總線，分別建立PLC為核心的淬火外設(shè)控制和人機交互系統(tǒng)，完成對淬火系統(tǒng)控制。最終通過DeviceNet總線技術(shù)，實現(xiàn)機器人、PLC和I/O板之間實時數(shù)據(jù)和信息交換，實現(xiàn)安裝簡潔，提高交互數(shù)據(jù)的及時性和生產(chǎn)過程的柔性，最終提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)組成

淬火工業(yè)機器人自動系統(tǒng)主要由六自由度工業(yè)機器人（ABB機械手）、等離子淬火設(shè)備、距離傳感器、PLC控制器、I/O板、夾持工裝臺、網(wǎng)關(guān)接口和控制系統(tǒng)編程軟件等組成。其中等離子淬火系統(tǒng)包括:等離子淬火槍、等離子電源柜、冷水循環(huán)機等。距離傳感器采用分辨率:5 μm，測量頻率:2 kHz激光測距儀，可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)包括:DeviceNet通訊網(wǎng)關(guān)模塊、12位A/D轉(zhuǎn)換模塊和人機交互界面（HMI）。系統(tǒng)原理框圖和現(xiàn)場布置圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 機器人淬火系統(tǒng)原理框圖

圖2 機器人淬火系統(tǒng)現(xiàn)場布置圖

2 系統(tǒng)工作原理

首先通過PLC啟動，完成淬火系統(tǒng)自檢和程序初始化，人機界面（HMI）參數(shù)設(shè)置后，機器人通過DeviceNet總線，機器人系統(tǒng)進行葉片特征數(shù)據(jù)采集、傳輸和儲存。通過初始設(shè)置的參數(shù)和數(shù)據(jù)對淬火槍淬火工件建模，計算運動姿態(tài)和路徑，帶動淬火槍實現(xiàn)對各類復(fù)雜曲面的葉片產(chǎn)品淬火處理。保證了工件的加工質(zhì)量和產(chǎn)品的一致性，實現(xiàn)產(chǎn)品柔性產(chǎn)出。

3 工業(yè)機器人葉片淬火控制系統(tǒng)

在系統(tǒng)中，PLC、人機界面和機器人需分別進行編程和程序?qū)?。功能上分別完成:（1）等離子系統(tǒng)控制，葉片特征數(shù)據(jù)采集；（2）系統(tǒng)控制界面和參數(shù)設(shè)定，過程狀態(tài)顯示；（3）機器人運動控制；（4）緊急狀態(tài)中斷處理。其中，機器人依靠DeviceNet現(xiàn)場總線完成控制過程的數(shù)據(jù)和命令快速交換，實現(xiàn)各模塊控制和狀態(tài)檢測，采集系統(tǒng)錯誤產(chǎn)生機器人工作中斷。

整個淬火系統(tǒng)由PLC邏輯控制淬火系統(tǒng)及傳感器數(shù)據(jù)變換，通過DeviceNet總線交換信息。機器人獲取數(shù)據(jù)后，通過變換計算機械臂運動路徑及姿態(tài)，帶動頂端的淬火槍運動，完成淬火過程。所以交互數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性保證淬火系統(tǒng)正常工作。因此數(shù)據(jù)整理和交互IO在系統(tǒng)開發(fā)過程中將起到極其重要的作用。

3.1 通訊模式構(gòu)架

機器人在淬火過程中需要與淬火系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)定和距離位置跟蹤設(shè)備間相互配合，建立一些子系統(tǒng)實現(xiàn)相關(guān)功能。最后，各個子系統(tǒng)間的通訊基于DeviceNet系統(tǒng)總線進行。

PLC通過內(nèi)部總線和RS485方式與HMI，A/ D模塊通訊建立子網(wǎng)絡(luò)，控制除機器人以外的相關(guān)設(shè)備。

考慮信息的及時與可靠，在DeviceNet總線上設(shè)立I/O板，處理異常情況下，對機器人工作啟動和中斷處理。

系統(tǒng)中采用DeviceNet協(xié)議的作用是在工業(yè)機器人及PLC控制器之間進行數(shù)據(jù)交換。因此，這種通信是基于面向連接的（點對點或多點傳遞通訊模型建立）。這樣，DeviceNet既可以工作在主從模式，也可以工作在多主模式。在設(shè)置機器人與DeviceNet通信的方式上，系統(tǒng)提供了3種方式:MASTER，SLAVE和VIRTUAL。本系統(tǒng)中機器人與總線DeviceNet工作模式選擇為MASTER。在這種模式下定義從站上IO單元數(shù)，輸入單元區(qū)間[0～63]，輸出單元區(qū)間[0～63]，也就是說輸入輸出各提供了4個字節(jié)單元。對于機器人說，輸入相對機器人而言是機器人發(fā)送信號給PLC，輸出相對機器人而言是PLC發(fā)送信號給機器人。

3.2 DeviceNet現(xiàn)場總線

DeviceNet是由美國Rockwell公司在CAN基礎(chǔ)上推出的一種面向?qū)ο?、基于連接和低成本的通信協(xié)議[1]。它支持主／從、生產(chǎn)者／消費者等通信結(jié)構(gòu)，其特點是以基于數(shù)據(jù)塊的編碼方式，支持選通、輪詢、循環(huán)、狀態(tài)變化和應(yīng)用觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳送方式，可實現(xiàn)不同廠商的同類設(shè)備信息互換，更重要的是它給系統(tǒng)所帶來的設(shè)備級的診斷功能[2]。

DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的主要特點是:短幀傳輸，每幀的最大數(shù)據(jù)為8個字節(jié)；無破壞性的逐位仲裁技術(shù)；最大可以操作64個節(jié)點，可用的通訊波特率分別為125 kbps,250 kbps和500 kbps 3種。DeviceNet網(wǎng)絡(luò)中的任何一個設(shè)備預(yù)和其他設(shè)備通信時，亦須先建立連接。每個連接用連接標(biāo)識符來標(biāo)識，它使用CAN規(guī)范中的11位仲裁區(qū)來定義。連接標(biāo)識符包括設(shè)備媒體訪問控制標(biāo)識符（MAC ID）和信息標(biāo)識符（Message ID）。標(biāo)識符分為四組，如表1所示。協(xié)議上講EDS文件包括:文件說明部分、設(shè)備說明部分、I/O特性部分、參數(shù)類部分、參數(shù)部分、參數(shù)列舉字符串部分以及參數(shù)組部分[3]。

表1 DeviceNet的11位連接標(biāo)示符

3.3 各單元配置

DeviceNet總線選用500 kbps為通訊速率，選用主/從模式，Polling輪詢工作方式。以機器人為主站，DeviceNet release2.0規(guī)格，采取Explicit messages類進行數(shù)據(jù)交換[4]，通過設(shè)備描述EDS文件來配置:（1）設(shè)備類型的對象模式；（2）設(shè)備類型的I/O數(shù)據(jù)格式；（3）配置數(shù)據(jù)和訪問數(shù)據(jù)的公共接口，實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)。外設(shè)12 V開關(guān)電源為DeviceNet總線供電。

機器人系統(tǒng)配置的站號:0，在EDS配置文件中，定義如下設(shè)置:

DSQC652 I/O板配置站號:20，采用機器人系統(tǒng)默認(rèn)配置。

PLC DeviceNet網(wǎng)關(guān)的站號:26。根據(jù)EDS文件輸入Vendor ID、Product Code、Device Type、Connection 1 Type等選項信息。本系統(tǒng)設(shè)置8字節(jié)交換數(shù)據(jù)信息。

4 RAPID編程與系統(tǒng)軟件控制

4.1 RAPID語言

通常RAPID應(yīng)用程序是由3個不同部分組成:一個主程序、幾個子程序（或稱為例行程序）和程序數(shù)據(jù)。除此之外，程序存儲器還包含系統(tǒng)模塊。USER模塊和BASE模塊在機器人冷啟動后自動生成[5]。

機器人控制程序包括一系列指令，其中描述了機器人工作的各種指令，如控制機械臂移動或者一個設(shè)置輸出等。RAPID指令一般都有相關(guān)參數(shù)的定義，并在指令中有一個特定的位置設(shè)置。

4.2 淬火系統(tǒng)編程

整個淬火系統(tǒng)程序由4部分組成:系統(tǒng)相關(guān)坐標(biāo)及變量定義、系統(tǒng)初始化、淬火控制和系統(tǒng)中斷報警。各部分間的通信由預(yù)先定義好的輸入輸出信號控制。

控制機器人各軸移動首先必須對軸的順序進行識別。以ABB2400機器人為例，它是一臺6軸機器人。其中1#～3#軸從控制按鈕的方向來分，水平方向是1#軸；垂直方向是2#軸；旋轉(zhuǎn)方向3#軸。4#～6#軸從按鈕的方向來分:水平方向是4#軸；垂直方向是5#軸；旋轉(zhuǎn)方向是6#軸。

雖然每支葉片對應(yīng)不同機組有不同的幾何尺寸，但都具有類似的幾何扭曲弧面。在自動淬火系統(tǒng)中基礎(chǔ)坐標(biāo)有:工件坐標(biāo)與工具坐標(biāo)。工具坐標(biāo)和工件坐標(biāo)必須在現(xiàn)場標(biāo)定好。通過帶動測距儀測試系列關(guān)鍵點，計算出試件坐標(biāo)，建立模型，根據(jù)淬火搭接率和淬火順序，依次計算出淬火軌跡坐標(biāo)點的數(shù)量和誤差將決定淬火系統(tǒng)的工藝水平。系統(tǒng)編程可以離線完成。

取得工件與工具坐標(biāo)后，便可開展獲取淬火軌跡坐標(biāo)點的工作。這個過程主要分為以下5個步驟:

（1）使機器人復(fù)位，淬火設(shè)備初始化，工件固定在工件臺上；

（2）在機械臂6軸上安放傳感器和淬火槍，旋轉(zhuǎn)選定距離測試儀；

（3）運行編寫淬火邊測試程序，通過DeviceNet總線，儲存數(shù)據(jù)在機器人系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)儲存區(qū)；

（4）結(jié)合HMI數(shù)據(jù)，在機器人端建立淬火模型，計算出淬火槍路徑、姿態(tài)、速度等機器人運行參數(shù)；

（5）最后，動態(tài)生成MOVE，MOVEJ等指令，完成工件淬火程序。

5 結(jié)束語

提出了一種基于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通過主從通訊控制，以1臺ABB2400工業(yè)機器人、等離子淬火系統(tǒng)與傳感器構(gòu)成的工業(yè)機器人自動淬火系統(tǒng)。系統(tǒng)適應(yīng)各種規(guī)格型線的葉片進行淬火處理，通過系統(tǒng)總線完成系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和通訊互聯(lián)功能。通過實驗證明，系統(tǒng)運行正常，由工業(yè)機器人淬火系統(tǒng)加工出的產(chǎn)品符合工藝質(zhì)量要求。

[1]魏震,張敬轅,謝劍英.面向?qū)ο竽Ｐ偷腄eviceNet協(xié)議及其實現(xiàn)[J].電氣自動化,2001,(4)：39-47.

[2]魏震,陳文,謝劍英.DeviceNet總線應(yīng)用層協(xié)議的實現(xiàn)[J].自動化與儀表,2002,(1)：31-35.

[3]ODVA.DeviceNet Specification Release 2.0[S].1999.

[4]張戟,謝劍英.基于現(xiàn)場總線DeviceNet的智能設(shè)備開發(fā)指南[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2004.

[5]葉暉,管小清.工業(yè)機器人實操與應(yīng)用技巧[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

Research on Quenching System for Last Stage Blades of Steam Turbine Based on DeviceNet Bus

Yu Zhengguang,Feng Wen,Qiu Shulin,Zhang Weigang

(DongFang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

An automatic quenching system for the last stage blades of steam turbine is introduced,and the system control theory, hardware configuration and the characteristic of DeviceNet bus are also disclosed in this paper.The hardware configures of system and the DeviceNet bus,and the key software programming process under the environment of the fifth generation controller（IRC5）are mainly disscussed.At last,the automatic quenching system has been provided,which can quickly communicate with other equipments and finally realize flexible manufacture,improve production efficiency.

industrial robot,DeviceNet bus,quenching system,last stage blades

TP242

A

1674-9987（2017）02-0069-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.02.016

禹爭光（1970-），男，工學(xué)博士，高級工程師，2005年畢業(yè)于電子科技大學(xué)微電子與固體電子專業(yè)，現(xiàn)從事新能源技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)工作。