基于HMI工業(yè)機器人砂拋單元砂帶磨損補償管理系統(tǒng)的開發(fā)

成楚楚，傅高升，陳鴻玲，宋莉莉，孫澤棠

（1.寧德職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，寧德 355000；2.福州大學 機械工程及自動化學院，福州 350108；3.閩江學院，福州 350108）

0 引言

隨著磨拋行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的人工作業(yè)已無法滿足現(xiàn)代加工需求，環(huán)境惡劣，效率低，依賴工人經(jīng)驗，加工一致性低已是磨拋行業(yè)亟待解決的問題，為了滿足該行業(yè)的自動化發(fā)展要求，使用工業(yè)機器人代替人工已成為了必然的趨勢[1]。

傅高升教授科研團隊就磨拋行業(yè)的問題，與福建長江工業(yè)公司，共同設(shè)計制造了CMP-60/4-A型工業(yè)機器人自動磨拋中心，已經(jīng)福建省經(jīng)濟貿(mào)易委員會的鑒定（閩經(jīng)貿(mào)技術(shù)鑒字[2011]2號），實現(xiàn)了磨拋多種材料、形狀各異、小批量工件的自動化[2]。之后，團隊在此基礎(chǔ)上與其他相關(guān)單位共同承接了福建省科技重大專項“智能機器人拋光系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化項目”，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“磨拋機器人及自動化生產(chǎn)線研發(fā)與應(yīng)用示范項目”[3]，項目已結(jié)題并獲得了頗豐的科研成果，本文為該項目研究中的一部分。

在項目研究過程中發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機器人砂拋柔性加工單元在磨削后期，砂帶因磨損導致工件磨削量減少，加工工件的磨削量不再滿足工藝要求，需調(diào)整磨削參數(shù)補償工件的磨削量。工廠使用線性提高砂帶速度的方式，而砂帶的磨損是非線性的，故該方法并不合理[4]。此外，傳統(tǒng)的砂帶失效檢測主要依靠人工判斷，對工人的經(jīng)驗依賴性強，還需停機檢測，影響生產(chǎn)效率，因此建立砂帶的自動補償管理系統(tǒng)十分必要。

作者先前已研究了砂帶磨削參數(shù)對工件磨削量的影響規(guī)律及砂帶磨損補償策略等方面內(nèi)容，并取得了一定的科研成果并發(fā)表了相關(guān)的論文，為砂帶自動補償管理系統(tǒng)建立提供了試驗、理論依據(jù)，本文在此基礎(chǔ)上，將工廠現(xiàn)有的非線性提速補償方法和作者已研究出的非線性提速補償策略相結(jié)合，建立工業(yè)機器人砂拋柔性加工單元中砂帶自動補償管理系統(tǒng)，以滿足磨削生產(chǎn)過程對自動化程度要求不斷提高的需求[5]。

1 砂帶失效點的確定

基于作者先前對砂帶磨損補償策略的研究，在砂帶管理系統(tǒng)中，確定砂帶的失效點是關(guān)鍵問題，本節(jié)將通過試驗確定如何判定砂帶的失效點。

砂帶非線性磨損后期，隨著砂帶磨損的加劇，工件磨削量低于工藝要求的額定值，此時的砂帶已失效，應(yīng)及時更換砂帶，避免不合格工件的產(chǎn)生。在磨削加工中，砂帶的磨損情況可通過砂帶的磨削性能判斷，主要包含以下幾個方面[6]：

2）磨削參數(shù)不變，當切向磨削力Ft低于某一額定值時，說明砂帶己失效；

3）磨削參數(shù)不變，當磨削溫度超過某一規(guī)定溫度時，說明砂帶已失效。

本文的研究對象為敞開式的磨削環(huán)境，不考慮第三種判定方法?；谥皩η邢蚰ハ髁Φ臏y試[7]，由于磨削環(huán)境復雜，而測量力的設(shè)備對環(huán)境要求較高，故水龍頭磨削工業(yè)生產(chǎn)線不適用該判定方法，因此最終確定通過識別工件磨削量來判斷砂帶是否失效。

基于非線性提速補償工件磨削量，在磨削過程中，砂帶速度一直以非線性的方式增長。工件的磨損可通過非線性提速的方法得以補償，然而后期隨著砂帶速度的不斷提高，工件磨削量是否也隨砂帶速度的增加依然呈上升趨勢，下文將通過試驗得到工件的磨削量隨砂帶速度的變化趨勢。

工件：水龍頭毛坯；尺寸：175mm×70mm×40 mm，周長為4m，寬度為90mm；材料：鑄造銅合金（ZCuSn3Zn11Pb4）；砂帶：80#DEERFOS韓國鹿牌，型號為JC122；試驗設(shè)備：IRB 4400-60/1.9 ABB工業(yè)機器人和CBB砂拋機，試驗設(shè)備如圖1所示。

圖1 試驗設(shè)備

工件速度：60mm/s、工件進給量：0.2mm，不斷提高砂帶速度，測量工件磨削量，記錄數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 砂帶速度對工件磨削量的影響

由圖2可知，當砂帶速度小于25m/s時，提高砂帶速度，工件磨削量也變大；然而當砂帶速度高于25m/s時，工件磨削量增長變緩并開始下降。因為在磨削的初期，提升砂帶速度，同樣的時間內(nèi)砂帶與工件的接觸面積變大，由磨損變鈍的磨粒在高速下也參與磨削，工作的磨粒變多，總磨削量變大；隨砂帶速度的提高，砂帶震動變強，砂帶表面磨屑較難堵塞，利于磨削的進行。而后期，不斷提高的磨削速度導致彈性磨粒受工件的反沖擊頻率增加，提高了砂帶的彈性退讓，砂帶的實際切入深度降低，工件磨削量減少[8]。

2 磨削參數(shù)識別補償管理流程

根據(jù)作者先前的研究內(nèi)容可知，當工件磨削達到預定加工件數(shù)時，通過比較當前砂帶磨削條件下的工件磨削量m1與標準磨削量m0（本文中m0=11.3g[4,5]），若滿足式(1)，則不需進行進一步補償，按照原先的磨削參數(shù)繼續(xù)加工。

非線性提速補償策略下，砂帶的提速式(3)。

V1為當前砂帶的速度，V2是為了補償工件磨削量m1到標準磨削量m0，應(yīng)當提高到的砂帶速度。

砂帶智能管理系統(tǒng)磨削參數(shù)識別及非線性提速補償策略管理流程如圖3所示。

圖3 砂帶識別補償管理系統(tǒng)流程圖

該流程圖可解決線性提高砂帶速度補償方法與砂帶非線性磨損之間的矛盾，補償線性提速造成的累積誤差，保持工件加工的一致性。由于磨削加工工件型號、尺寸、材料不同，均會導致磨削狀態(tài)的改變[9]。該補償策略不需要根據(jù)磨削加工的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到砂帶磨損的數(shù)學模型，而是通過測量工件磨削量與標準磨削量的對比進行判斷，通過公式計算應(yīng)提高的砂帶速度。該方法可適用于各種加工條件下砂帶的在線補償，適應(yīng)自動化制造系統(tǒng)中加工對象不斷變換的需求，符合柔性加工的理念，適用于工廠生產(chǎn)。

3 基于HMI的可視化砂帶智能管理系統(tǒng)

本文利用PLC編程搭建磨削參數(shù)識別和非線性提速補償?shù)纳皫Э梢暬悄芄芾硐到y(tǒng)，通過HMI（人機界面），實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換[10]。

系統(tǒng)控制界面可在線監(jiān)控自動拋光系統(tǒng)的磨削參數(shù)，機器人自動拋光系統(tǒng)的控制界面如圖4所示。

圖4 機器人自動拋光系統(tǒng)控制界面

根據(jù)作者先前的研究，確定了砂帶的磨削參數(shù)識別方法及補償策略，現(xiàn)通過WinCC軟件建立砂帶可視化智能管理系統(tǒng)，顯示內(nèi)容如下：

1）當前加工數(shù)量

通過機械手帶動完成磨削的工件觸碰碰撞開關(guān)統(tǒng)計已加工工件的數(shù)量，通過智能管理系統(tǒng)HMI人機界面顯示結(jié)果。

2）砂帶提速系數(shù)及智能砂帶提速速度及當前砂帶速度變化曲線。

本文的提速補償策略在傳統(tǒng)線性提速的基礎(chǔ)上，結(jié)合非線性提速補償策略，更有效地補償了工件磨削量。砂帶智能管理系統(tǒng)讀取當前的砂帶速度，固定顯示傳統(tǒng)線性提速系數(shù)，并顯示通過PLC計算得到的智能砂帶的提速速度，通過數(shù)值與曲線相結(jié)合的方式，操作者可直觀了解當前砂帶的速度變化情況。

3）取樣工件磨削量及變化曲線

通過稱重設(shè)備測量工件磨削量，并通過HMI人機界面讀取并顯示測量結(jié)果。固定顯示標準磨削量，更直觀地比較取樣磨削量和標準磨削量。數(shù)值與曲線相結(jié)合，記錄歷史結(jié)果，更好地呈現(xiàn)工件磨削量的補償情況，便于砂帶的管理?？扇斯ぽ斎肴幽ハ髁?，若測量結(jié)果誤差較大，則可通過人工測量并輸入取樣磨削量值，避免測量誤差影響磨削參數(shù)的識別及調(diào)控，影響工件的加工一致性。

4）磨削參數(shù)、加工狀態(tài)及砂帶狀態(tài)

砂帶可視化智能管理系統(tǒng)固定顯示砂帶的磨削參數(shù)。此外，當加工單元工作時，加工狀態(tài)顯示為綠色；當加工停止時，加工狀態(tài)顯示為紅色。砂帶工作正常時，砂帶狀態(tài)為綠色；當應(yīng)提高的砂帶速度大于25m/s時，此時砂帶失效，砂帶處于報廢狀態(tài)，系統(tǒng)自動停止生產(chǎn)線的磨削工作，砂帶狀態(tài)燈變?yōu)榧t色，智能管理系統(tǒng)自動報警，提示工人及時更換砂帶。

5）非線性提速補償?shù)闹悄荛_關(guān)

本系統(tǒng)可智能選擇是否使用非線性提速補償策略，若點擊智能補償開關(guān)禁用按鈕，則關(guān)閉非線性提速補償策略，僅使用傳統(tǒng)提速補償方式對工件磨削量進行補償。

本文設(shè)計的砂帶智能管理系統(tǒng)界面如圖5所示。

4 結(jié)語