終端盒體拋光裝備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

付宏文,孔袁莉,黃順舟,錢(qián)明明,楊 帥

(上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245)

0 引言

縱場(chǎng)磁體饋線系統(tǒng)中的線圈終端盒是國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆的重要組成部分，主要為磁體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳輸電流、冷卻液和數(shù)據(jù)信號(hào)等功能[1]。由于其特殊的用途，要求盒體具有耐低溫、無(wú)磁、強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn)。盒體原材料為熱軋成型的304不銹鋼板，板材表面非常粗糙，一致性差；焊接后，焊縫位于盒體內(nèi)部，盒體內(nèi)部狹小，人工打磨環(huán)境差且效率低下。

為了解決盒體內(nèi)外表面和焊縫的打磨及拋光問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人自動(dòng)化打磨拋光設(shè)備，用于線圈終端盒體的拋光打磨。與傳統(tǒng)打磨相比，該打磨拋光設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：①操作范圍大，連續(xù)性好；②表觀一致性好，提升產(chǎn)品質(zhì)量；③銑削加工方式，提高了打磨效率，側(cè)銑的方式具有防過(guò)切功能有效保護(hù)了工件本體；④降低生產(chǎn)成本，改善工人工作環(huán)境[2]。自動(dòng)化拋光打磨設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用為線圈終端盒體的高效率、高質(zhì)量生產(chǎn)提供了可靠的保障。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

全套設(shè)備主要包含：6自由度工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人直線移動(dòng)導(dǎo)軌、變位機(jī)、快換盤(pán)、打磨力調(diào)節(jié)裝置、打磨拋光執(zhí)行器、電氣控制系統(tǒng)等。設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 設(shè)備組成

由于盒體尺寸較長(zhǎng)，為了擴(kuò)展機(jī)器人的工作區(qū)域，設(shè)計(jì)了機(jī)器人直線移動(dòng)導(dǎo)軌用于提高機(jī)器人的可達(dá)性。變位機(jī)用于實(shí)現(xiàn)盒體的軸向旋轉(zhuǎn)，使得打磨拋光面始終位于靠近機(jī)器人側(cè)。打磨力調(diào)節(jié)裝置安裝在機(jī)器人末端，用于調(diào)節(jié)打磨工具與盒體表面的接觸力，確保加工表面的平滑柔順。針對(duì)盒體表面的特性，設(shè)計(jì)了3套執(zhí)行器用于盒體的拋光打磨，盤(pán)銑刀用于切削凸起的焊縫，打磨執(zhí)行器用于盒體表面打磨，氣動(dòng)執(zhí)行器用于盒體表面的拋光?？鞊Q盤(pán)主盤(pán)固定在力調(diào)節(jié)裝置的法蘭盤(pán)上，3個(gè)副盤(pán)分別與3套執(zhí)行器連接，主盤(pán)和副盤(pán)可以自動(dòng)分離和吸合，方便自動(dòng)化打磨過(guò)程中快速更換工具，3套執(zhí)行器各有分工，配合使用，實(shí)現(xiàn)盒體的全自動(dòng)化打磨拋光工藝。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用西門(mén)子S7-1500系列PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的總體控制。機(jī)器人與PLC通過(guò)Profinet總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊，PLC作為主控制器協(xié)調(diào)機(jī)器人配合工藝步驟的執(zhí)行。工控機(jī)作為人機(jī)交互設(shè)備，方便操作人員使用設(shè)備[3]，控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成

工控機(jī)與PLC采用以太網(wǎng)通信，并與力調(diào)節(jié)設(shè)備采用串口通信。上位機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)打磨拋光過(guò)程的自動(dòng)操作和手動(dòng)操作，兩種操作模式自由切換，簡(jiǎn)單方便。上位機(jī)通過(guò)串口通訊可設(shè)置和監(jiān)控執(zhí)行器的重量、接觸力大小等參數(shù)。

機(jī)器人行走導(dǎo)軌選用西門(mén)子V90系列電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，與PLC通過(guò)Profinet總線協(xié)議進(jìn)行通訊。機(jī)器人底座沿行走導(dǎo)軌精確水平移動(dòng)，拓展了機(jī)器人的可達(dá)空間[4]，實(shí)現(xiàn)對(duì)盒體的長(zhǎng)距離連續(xù)打磨作業(yè)。

打磨執(zhí)行器和盤(pán)銑刀電機(jī)選用科爾摩根AKM系列伺服電機(jī)，科爾摩根電機(jī)具有體積小、功率大、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)。打磨執(zhí)行器與盤(pán)銑刀選擇同型號(hào)電機(jī)，因?yàn)槎卟粫?huì)同時(shí)使用，兩個(gè)電機(jī)通過(guò)快換盤(pán)連接共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。科爾摩根電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與PLC通過(guò)Profibus總線協(xié)議通訊。

氣動(dòng)拋光執(zhí)行器使用工廠常有的壓縮空氣提供動(dòng)力。PLC通過(guò)I/O信號(hào)控制電磁閥的開(kāi)/關(guān)控制拋光執(zhí)行器的啟停。PLC以同樣的方式控制快換盤(pán)的開(kāi)合，方便執(zhí)行器的自動(dòng)更換。

打磨力調(diào)節(jié)裝置與工控機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行通信，與PLC通過(guò)I/O口通信。兩種方式可以自由切換，串口通信方便操作人員手動(dòng)設(shè)置力參數(shù)，I/O通信方便打磨過(guò)程中通過(guò)程序改變打磨力的大小。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備工作流程

操作人員首先將盒體起吊、裝夾完備，然后移動(dòng)導(dǎo)軌攜帶機(jī)器人至刀具庫(kù)附近，自動(dòng)拿取執(zhí)行器。移動(dòng)導(dǎo)軌攜帶機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到初始工位，力調(diào)節(jié)裝置自動(dòng)正確設(shè)置，執(zhí)行器啟動(dòng)，機(jī)器人調(diào)用打磨軌跡程序，執(zhí)行打磨任務(wù)。該段程序執(zhí)行結(jié)束，移動(dòng)導(dǎo)軌會(huì)攜帶機(jī)器人移動(dòng)到新的工位調(diào)取另一段打磨軌跡程序，繼續(xù)執(zhí)行打磨任務(wù)，直到打磨結(jié)束。

針對(duì)盒體表面打磨拋光，自動(dòng)化設(shè)備要進(jìn)行多道工序加工。首先是機(jī)器人取用盤(pán)銑刀，削除焊縫；然后更換打磨執(zhí)行器將焊縫磨平；最后使用拋光執(zhí)行器將盒體表面拋光。

3.2 自動(dòng)控制軟件流程

控制軟件設(shè)計(jì)分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，手動(dòng)控制情況下，操作人員可以單獨(dú)控制每一個(gè)設(shè)備和過(guò)程；手動(dòng)控制主要用于設(shè)備調(diào)試和檢修維護(hù)。自動(dòng)控制用于設(shè)備日常的加工運(yùn)行，方便操作人員操作[5]。自動(dòng)控制的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)流程

上電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢[6]，包括與機(jī)器人的通信，與電機(jī)的通信，電機(jī)的狀態(tài)等。然后保證機(jī)器人在home位的前提下，移動(dòng)導(dǎo)軌載著機(jī)器人到位置點(diǎn)1取執(zhí)行工具。機(jī)器人根據(jù)不同的工序需要取不同的工具，到達(dá)工位后設(shè)置工藝參數(shù)，啟動(dòng)執(zhí)行工具，開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)。執(zhí)行任務(wù)期間移動(dòng)導(dǎo)軌配合機(jī)器人移動(dòng)到相應(yīng)的工位，使機(jī)器人完成大范圍的打磨拋光作業(yè)。根據(jù)工藝要求，機(jī)器人先拿取盤(pán)銑刀對(duì)焊縫進(jìn)行銑削加工，將隆起的焊縫銑平；然后用砂帶機(jī)將焊縫處打磨處理，使焊縫表面光滑無(wú)凹凸；最后，機(jī)器人換用拋光執(zhí)行器將盒體表面拋光到Ra2.5以下，達(dá)到feeder盒體表面粗糙度加工要求。

3.3 自動(dòng)取放執(zhí)行器軟件流程

為了自動(dòng)切換三種執(zhí)行工具，本文采用了快換盤(pán)作為工具切換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工具的自由切換?？鞊Q盤(pán)的主盤(pán)與副盤(pán)之間裝有開(kāi)合傳感器，當(dāng)主盤(pán)與副盤(pán)吸合或者分離時(shí)，傳感器會(huì)將信號(hào)傳送給PLC，PLC根據(jù)傳感器反饋的信號(hào)決定機(jī)器人是否執(zhí)行下一步的運(yùn)動(dòng)指令。

執(zhí)行工具與刀具庫(kù)之間也有傳感器，PLC通過(guò)傳感器反饋信號(hào)判斷該刀具位是否有執(zhí)行器，如果刀具位空，則可以將執(zhí)行器放到該刀具位，否則禁止放執(zhí)行器，需要人工干預(yù)。同樣取執(zhí)行器之前也需先根據(jù)傳感器信號(hào)判斷該刀具位是否有執(zhí)行器，如果有執(zhí)行器，則可以取執(zhí)行器，否則禁止取執(zhí)行器。自動(dòng)取、放執(zhí)行器的軟件流程如圖4所示。

圖4 自動(dòng)取放執(zhí)行器軟件設(shè)計(jì)流程

4 實(shí)例

本文對(duì)使用盤(pán)銑刀銑削加工凸起的焊縫和使用拋光執(zhí)行器拋光盒體表面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，經(jīng)粗糙度檢測(cè)儀檢測(cè)，打磨后拋光前工件表面的粗糙度在Ra6.5左右，拋光后粗糙度達(dá)到Ra2.0以下，加工效果滿足加工工藝要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足表面粗糙度低于Ra2.5的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)表明適當(dāng)增加盤(pán)銑刀對(duì)焊縫的切削深度可以使切削后的焊縫表面更加光滑，可以減少焊縫表面拋光的時(shí)間，提升打磨效率，同時(shí)降低打磨砂帶的消耗速度，延長(zhǎng)砂帶的使用壽命，節(jié)約盒體打磨的成本。使用氣動(dòng)拋光執(zhí)行器對(duì)盒體進(jìn)行表面拋光，體現(xiàn)出了氣動(dòng)工具相較于電動(dòng)工具體積小的特點(diǎn)，保障了機(jī)器人操作空間，防止設(shè)備與盒體發(fā)生干涉現(xiàn)象。盒體焊縫表面切削、打磨前后對(duì)比如圖5所示，盒體表面拋光前后對(duì)比如圖6所示。

圖5 打磨效果圖

圖6 拋光效果圖

5 結(jié)論

本文針對(duì)線圈終端盒體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人自動(dòng)打磨拋光設(shè)備，通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性，通過(guò)不同執(zhí)行器的打磨拋光實(shí)驗(yàn)，確定了盤(pán)銑刀銑削焊縫，然后砂帶機(jī)逐次提高砂帶參數(shù)多次打磨拋光表面的加工流程。設(shè)備操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，打磨效果好，盒體表面粗糙度和一致性等滿足工藝設(shè)計(jì)要求。