打磨單元設(shè)備保護(hù)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單星 高狄 尹文芳 梁憲峰 郭丹蕊

一、引言

在自動(dòng)化鑄件清理領(lǐng)域，由機(jī)器人抓取主軸，針對(duì)不同的清理特征選取相對(duì)應(yīng)的刀具對(duì)鑄件進(jìn)行定點(diǎn)清理是打磨行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)?？紤]到清理過(guò)程中鑄件的差異_生及未知性，易造成清理不徹底或者過(guò)磨的情況，除此之外，由于機(jī)械誤差、電氣故障等也可能造成清理不達(dá)標(biāo)的情況，考慮到持續(xù)過(guò)磨時(shí)會(huì)有刀具、主軸和機(jī)器人等設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)，從而影響到機(jī)器人的連續(xù)生產(chǎn)等后果。

當(dāng)前市場(chǎng)上應(yīng)用的主要有三種方式對(duì)鑄件打磨過(guò)程進(jìn)行保護(hù)。

（1）機(jī)械浮動(dòng)式去毛刺執(zhí)行器。執(zhí)行器通過(guò)內(nèi)部機(jī)構(gòu)對(duì)來(lái)自外界的力進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而避免打磨刀具由于受到較大的力磨損同時(shí)打磨工件也不會(huì)因?yàn)榱μ蟊粨p壞。然而單獨(dú)使用浮動(dòng)式去毛刺執(zhí)行器在加工過(guò)程中刀具出現(xiàn)發(fā)彈的現(xiàn)象嚴(yán)重，當(dāng)碰到較大的清理特征時(shí)刀具將自動(dòng)繞開(kāi)，無(wú)法保證殘?jiān)耆コ僬攥F(xiàn)階段浮動(dòng)式去毛刺執(zhí)行器仍處于國(guó)外壟斷狀態(tài)，國(guó)內(nèi)沒(méi)有自主研發(fā)且商業(yè)化的產(chǎn)品，對(duì)國(guó)內(nèi)中小型制造企業(yè)而言，無(wú)論是采購(gòu)?fù)緩竭€是采購(gòu)成本都是很大問(wèn)題。

（2）接觸式力矩傳感器。其屬于被動(dòng)補(bǔ)償，在對(duì)鑄件毛坯直接檢測(cè)過(guò)程中存在干擾大、測(cè)量誤差大以及傳感器易損壞等技術(shù)問(wèn)題。

（3）通過(guò)設(shè)計(jì)高精度的工裝。鑄件清理屬于鑄件后處理，此階段鑄件為毛坯狀態(tài)無(wú)準(zhǔn)確的定位基準(zhǔn)且鑄造變形等因素要實(shí)現(xiàn)工件精確定位難度太大。

綜合以上分析，本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)打磨單元閉環(huán)反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)上位機(jī)用Visual Studio 2013開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)實(shí)時(shí)采集變頻器參數(shù)信息及控制設(shè)備狀態(tài)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理控制機(jī)器人運(yùn)行方式，從而達(dá)到提高質(zhì)量及保護(hù)設(shè)備的目的。

二、主要研究?jī)?nèi)容及原理

為了保證打磨質(zhì)量同時(shí)保護(hù)打磨設(shè)備開(kāi)發(fā)了打磨單元設(shè)備保護(hù)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)變頻器讀取主軸運(yùn)行參數(shù)，間接獲取主軸承受力矩，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人進(jìn)給速度，保證主軸運(yùn)行安全和延長(zhǎng)打磨刀具使用壽命。當(dāng)鑄件某個(gè)位置毛刺較大時(shí)，降低機(jī)器人進(jìn)給速度。待監(jiān)測(cè)到變頻器參數(shù)趨于正常之后，將機(jī)器人狀態(tài)恢復(fù)到正常模式。通過(guò)以上方式完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)控制，以此保證設(shè)備安全。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)軟件需要通過(guò)UDP實(shí)時(shí)讀取打磨時(shí)參數(shù)，使用OPC服務(wù)器獲取整個(gè)打磨單元中各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，上位軟件通過(guò)模糊PID算法通過(guò)Modbus Tcp對(duì)機(jī)器人運(yùn)行方式實(shí)時(shí)調(diào)整，達(dá)到保護(hù)設(shè)備及提高打磨質(zhì)量的目的，軟件結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

三、功能塊介紹

采用Visual Smdio 2013開(kāi)發(fā)環(huán)境中的c#語(yǔ)言編寫(xiě)上位機(jī)軟件。

Winform中含有大量的可視化拖動(dòng)控件，可以對(duì)空間控件完成陜速的功能實(shí)現(xiàn)，除此之外，c#是種完全面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言。本著函數(shù)內(nèi)部耦合，外部解耦的原則，本次開(kāi)發(fā)將各個(gè)功能分模塊進(jìn)行，各個(gè)模塊相互獨(dú)立，通過(guò)主界面調(diào)用完成相應(yīng)功能，如圖2所示。

1、設(shè)備保護(hù)控制系統(tǒng)與控制器信息交互

本系統(tǒng)借助于OPC服務(wù)器作為上位機(jī)軟件和控制器之間的橋梁，OPC是為了連接數(shù)據(jù)提供源（OPC服務(wù)器）和數(shù)據(jù)的使用者（OPC應(yīng)用程序）之間的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。其數(shù)據(jù)提供源可以是PLC、DCS和條形碼讀取器等控制設(shè)備。隨控制系統(tǒng)構(gòu)成的不同，作為數(shù)據(jù)提供源的OPC服務(wù)器即可以是和OPC應(yīng)用程序在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的本地OPC服務(wù)器，也可以是在另外的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的

至此可以將本系統(tǒng)和控制之間通信的變量已經(jīng)獲取成功并且存儲(chǔ)到lbShowBranch中，在主界面中可以通過(guò)對(duì)lbShowBranch中的變量進(jìn)行讀取和寫(xiě)入操作。

本次上位軟件主要完成從組態(tài)軟件中讀取整個(gè)打磨單元當(dāng)前狀態(tài)變量，根據(jù)實(shí)際需求讀取需要的變量信息，考慮到需要獲得狀態(tài)信息才可以進(jìn)行下一步操作，讀取打磨單元變量通過(guò)同步方式實(shí)現(xiàn)，具體代碼如下。

2、設(shè)備保護(hù)控制系統(tǒng)與變頻器信息交互

由于采集數(shù)據(jù)頻率要求較高，且個(gè)別數(shù)據(jù)的丟失對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響不大，所以本次選擇UDP通信方式，與TCP/IP的三次握手不同，UDP通信只需要設(shè)定Port或者IP之后就可以通信了，所以其通信會(huì)出現(xiàn)有丟包和數(shù)據(jù)缺失等情況，但同時(shí)UDP的信息傳送速度是極陜的。

在本系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)UDP通信只需以下幾行代碼。

3、設(shè)備保護(hù)控制系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人信息交互

對(duì)于整個(gè)打磨單元來(lái)說(shuō)，除了此設(shè)備保護(hù)控制系統(tǒng)運(yùn)行在工控機(jī)上，還會(huì)同時(shí)包含其他需要與機(jī)器人進(jìn)行信息交互的控制軟件，機(jī)器人本身帶有以太網(wǎng)通信功能，考慮到本次開(kāi)發(fā)的上位軟件實(shí)時(shí)采集變頻器參數(shù)，參數(shù)變化無(wú)規(guī)律性，為了保證工業(yè)機(jī)器人的正常運(yùn)行不會(huì)被打斷同時(shí)又能及時(shí)響應(yīng)上位軟件，本次控制軟件使用輸入輸出IO模塊與工業(yè)機(jī)器人通信。

外部設(shè)備與機(jī)器人硬接線主要借助于倍福模塊，IO模塊的輸出作為機(jī)器人的輸入，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打磨過(guò)程中變頻器參數(shù)變化，當(dāng)有異常情況時(shí)發(fā)送相應(yīng)的IO信號(hào)以此達(dá)到實(shí)時(shí)控制機(jī)器人運(yùn)行速度的目的。本次選用的IO模塊使用ModbusTcp通信。

在使用模塊時(shí)候，首先保證IO模塊的IP地址和運(yùn)行設(shè)備保護(hù)控制系統(tǒng)的工控機(jī)在同一網(wǎng)段內(nèi)，之后將IO模塊的Connect及read和write功能放置在單獨(dú)的名字為IOInstruction類(lèi)中方便主界面調(diào)用。

在主界面使用時(shí)只需完成連接IO模塊，當(dāng)需要控制機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，調(diào)用IOInstruction類(lèi)的write函數(shù)按照與機(jī)器人的約定通過(guò)IO模塊中發(fā)送命令。

四、系統(tǒng)可行性驗(yàn)證及結(jié)果分析

首先啟動(dòng)設(shè)備保護(hù)控制系統(tǒng)，軟件運(yùn)行之前需要一系列的參數(shù)檢查，包括與OPC服務(wù)器之間參數(shù)配置（保證與控制器之間通信正常），變頻器參數(shù)獲取通過(guò)UDP通信（IP地址+端口號(hào)），IO模塊的IP地址等，尤其特別注意若OPC服務(wù)器參數(shù)配置，若服務(wù)器尚未開(kāi)啟則系統(tǒng)提示啟動(dòng)服務(wù)器，服務(wù)器正常啟動(dòng)后檢查服務(wù)器中是否包含有軟件中使用的所有標(biāo)簽，若軟件中使用的標(biāo)簽服務(wù)器中并沒(méi)有創(chuàng)建，會(huì)導(dǎo)致軟件異常退出，所以啟動(dòng)前的各項(xiàng)檢查是必不可少的環(huán)節(jié)。

軟件啟動(dòng)完成之后，從控制器中獲取當(dāng)前生產(chǎn)狀態(tài)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)即工業(yè)機(jī)器人是否在工作，若在非工作狀態(tài)則軟件不會(huì)機(jī)器人控制，若在工作過(guò)程中，軟件實(shí)時(shí)讀取變頻器參數(shù)信息并將參數(shù)信息繪制成波形直觀顯示，通過(guò)一定的算法對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常，同時(shí)根據(jù)大量的數(shù)據(jù)分析正常工作范圍?？刂栖浖?shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集如圖3所示。

打磨階段的數(shù)據(jù)分析使用了后臺(tái)處理，由于需要實(shí)時(shí)讀取并分析數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)使用線程池，相比手動(dòng)創(chuàng)建的線程線程池可以復(fù)用，減少了創(chuàng)建線程的時(shí)間。

由圖4、圖5可知，同種型號(hào)的不同工件打磨時(shí)傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)也會(huì)有不同，驗(yàn)證了設(shè)備保護(hù)控制系統(tǒng)提出的初衷。

五、總結(jié)

打磨單元設(shè)備保護(hù)控制系統(tǒng)創(chuàng)造性的解決了鑄件毛坯異常特征隨機(jī)出現(xiàn)的技術(shù)難題?？梢杂行Ы鉀Q因清理特征差異_生、設(shè)備故障等原因造成打磨到工件本體和損壞設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)?？沙浞直ＷC清理加工系統(tǒng)的可靠性，防止加工系統(tǒng)的損壞或者重大安全事故發(fā)生。同時(shí)當(dāng)遇到較大的凸瘤等清理特征時(shí)，能夠保證完全、可靠去除。對(duì)鑄件自動(dòng)清理系統(tǒng)的剛性以及在震動(dòng)工況下的特性影響小?？梢钥朔?dòng)工具的缺點(diǎn)，沒(méi)有應(yīng)用場(chǎng)合限制。所以本系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械粗加工場(chǎng)合。