自動(dòng)化打磨集成工作站設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏秋軒 胡旻輝 黃斌達(dá)

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇南京 211106）

0 引言

在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略背景下，以工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用為核心的智能制造工廠近年來(lái)得到了極大的發(fā)展[1]。隨著機(jī)器人易用性、穩(wěn)定性及智能化水平的不斷提升，大批量加工作業(yè)采用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)方式不但可以極大地提高生產(chǎn)效率，還可以極大地提高良品率和生產(chǎn)穩(wěn)定性，是未來(lái)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要發(fā)展方向[2-4]。

傳統(tǒng)的人工打磨方式存在許多劣勢(shì)，如對(duì)操作人員加工技能水準(zhǔn)要求較高，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、人工成本高，且由于人工技術(shù)水平不一，零件打磨質(zhì)量一致性也難以得到保證。目前，基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)打磨技術(shù)在很多領(lǐng)域有所運(yùn)用，例如練琛等人設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人與臺(tái)磨機(jī)的協(xié)同打磨系統(tǒng)，可以完成普通工件的打磨[5]；浙江工業(yè)大學(xué)的黃琴設(shè)計(jì)了基于工業(yè)機(jī)器人的水龍頭拋光系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)機(jī)器人夾持水龍頭，在砂帶機(jī)構(gòu)上進(jìn)行拋光[6]；劉海龍等人通過(guò)Robot Studio軟件，完成了對(duì)汽車輪轂打磨的仿真過(guò)程[7]；M .C.Lee等人基于一臺(tái)三自由度加工中心和一臺(tái)兩自由度工業(yè)機(jī)器人搭建出適用于曲面拋光的五自由度拋光設(shè)備，并完成實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證[8]。

以上應(yīng)用大部分是針對(duì)多批量、單一品種零件的自動(dòng)化打磨加工，且大多使用機(jī)器人夾持零件在打磨設(shè)備上加工的方式，而航空機(jī)載零件品種多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀各異，在機(jī)加工后需進(jìn)行表面拋光、毛刺清理及修形等加工，屬于最終的精加工工序，需要借助多種工具完成多項(xiàng)打磨內(nèi)容。本文針對(duì)航空機(jī)載零件，設(shè)計(jì)了具備高柔性、高度靈活性的自動(dòng)化工作站，可以配備各種柔性、剛性工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)多品種零件的自動(dòng)化集成打磨。

1 系統(tǒng)需求分析及總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

采用傳統(tǒng)人工方式打磨零件時(shí)，會(huì)根據(jù)不同打磨內(nèi)容采用毛刷、旋轉(zhuǎn)銼刀、砂紙等工具完成打磨。例如在清理毛刺時(shí)會(huì)使用旋轉(zhuǎn)銼刀或毛刷；在拋光時(shí)會(huì)使用砂紙、毛刷及百頁(yè)輪；在零件修形時(shí)會(huì)用到旋轉(zhuǎn)銼刀。其中毛刷和旋轉(zhuǎn)銼刀等工具也有很多分類。毛刷有陶瓷纖維刷、尼龍刷、布輪刷等，旋轉(zhuǎn)銼刀也有圓錐形和圓柱形、雙槽和單槽之分，打磨效果各不相同，需要多種工具配合完成打磨。

搭建打磨工作站系統(tǒng)，需要滿足物料流動(dòng)自動(dòng)化和信息自動(dòng)化兩方面需求。物料流動(dòng)自動(dòng)化一方面指將待加工件、工具等由外界搬運(yùn)進(jìn)系統(tǒng)，以及將加工好的成品、更換后的工具從系統(tǒng)運(yùn)出；另一方面指工件與工具等在系統(tǒng)內(nèi)部的搬運(yùn)與存儲(chǔ)。信息自動(dòng)化主要指在工作站系統(tǒng)加工時(shí)，需要獲取加工任務(wù)、工件要求、加工方法、切削參數(shù)及工具要求等方面的信息，并且將加工過(guò)程中的各種系統(tǒng)狀態(tài)信息存入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工狀態(tài)的監(jiān)控。

結(jié)合人工打磨經(jīng)驗(yàn)與自動(dòng)化打磨系統(tǒng)的需求，工作站系統(tǒng)需要具備存放與更換各種工具功能、自動(dòng)上下料功能、調(diào)整零件打磨位置功能、人機(jī)交互功能及狀態(tài)監(jiān)控功能等。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人控制器、快換夾頭、控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)工具庫(kù)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、固定打磨頭、送料工裝臺(tái)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、吸塵裝置組成。

系統(tǒng)布局圖如圖1所示。工業(yè)機(jī)器人選用ABB機(jī)器人IRB4600-40/2.5，最大負(fù)載40 kg，有效臂展為2.55 m。旋轉(zhuǎn)工具庫(kù)有3層，每層4個(gè)存放位，分別成90°夾角，共12個(gè)工具存放位，用于存放工具與夾爪，并通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)與機(jī)器人程序配合，使工具庫(kù)旋轉(zhuǎn)至所需的工具位置，然后由機(jī)器人進(jìn)行更換夾取。工具及機(jī)器人末端都配有快換夾頭，用于機(jī)器人快速更換工具。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用氣缸驅(qū)動(dòng)齒輪齒條的方式，搭配精密減壓閥防止零件夾傷，以機(jī)器人搭配完成零件的翻轉(zhuǎn)，便于完成零件各面打磨。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)工裝，根據(jù)零件打磨位置旋轉(zhuǎn)至最佳打磨位置，回轉(zhuǎn)定位氣缸對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行定位，同時(shí)預(yù)壓氣缸可以對(duì)零件預(yù)壓夾緊。固定打磨頭共有4個(gè)，具有浮動(dòng)功能，可配備不同工具，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人夾持零件并通過(guò)不同打磨工具交替加工。送料工裝臺(tái)由氣缸驅(qū)動(dòng)料盤進(jìn)行送料?？刂葡到y(tǒng)由密封式電控柜、散熱過(guò)濾系統(tǒng)（高效散熱風(fēng)扇、濾網(wǎng)）等電氣控制元件組成。

圖1 系統(tǒng)布局圖

根據(jù)不同的零件質(zhì)量、零件體積、打磨工藝，機(jī)器人可以通過(guò)兩種方式進(jìn)行打磨加工：（1）由機(jī)器人根據(jù)指令切換合適的夾爪將零件夾持至伺服工作臺(tái)進(jìn)行定位夾持，機(jī)器人自動(dòng)切換不同的毛刷進(jìn)行拋光去毛刺后，切換夾爪將零件送至送料工裝臺(tái)；（2）由機(jī)器人根據(jù)指令切換合適的夾爪將工件夾持至不同的工具處進(jìn)行交替拋光去毛刺，加工完畢移送至送料工裝臺(tái)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電氣硬件設(shè)計(jì)

電氣控制硬件主要包括PLC、觸摸屏、伺服電機(jī)控制器、傳感器等，如圖2所示。工作站控制系統(tǒng)選用FX 5U-80MT/ES三菱PLC，該型號(hào)PLC 可以實(shí)現(xiàn)1.5K 字節(jié)/ms的通信速度，在編程軟件上可以進(jìn)行模塊組態(tài)，內(nèi)置SD 卡槽、2入1出模擬量、以太網(wǎng)接口等，穩(wěn)定性高、功能強(qiáng)、速度快。作為控制系統(tǒng)的核心，PLC 系統(tǒng)接收傳感器的狀態(tài)監(jiān)控信息，與機(jī)器人控制器通過(guò)I/O 端口進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸，同時(shí)與人機(jī)交互硬件觸摸屏通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在PLC 系統(tǒng)接收相應(yīng)指令后，通過(guò)對(duì)電磁閥、伺服控制器、變頻器等的控制實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、送料工裝臺(tái)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、旋轉(zhuǎn)工具庫(kù)等機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。機(jī)器人控制器作為機(jī)器人的控制系統(tǒng)，通過(guò)示教器對(duì)機(jī)器人路徑進(jìn)行編程，并根據(jù)程序?qū)C(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。觸摸屏作為人機(jī)交互硬件，負(fù)責(zé)打磨程序運(yùn)行、控制指令下達(dá)、工藝參數(shù)設(shè)置以及工作站的狀態(tài)監(jiān)控顯示等。傳感器作為檢測(cè)裝置，通過(guò)限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電管等元件對(duì)工作站中各種裝置狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并將信號(hào)傳輸給PLC。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 氣路設(shè)計(jì)

工作站的氣路主要包括氣源、氣源處理裝置及控制氣路。氣源處理氣路中的元件主要有過(guò)濾減壓閥、油霧分離器、微霧分離器。其中過(guò)濾減壓閥起到減壓、穩(wěn)壓的作用，并過(guò)濾壓縮空氣中的大部分水分和雜質(zhì)；油霧分離器和微霧分離器可以對(duì)壓縮空氣中的油霧、水霧或粉塵進(jìn)行過(guò)濾?？刂茪饴分械脑饕扇晃逋姶砰y、速度控制閥及減壓閥組成。三位五通電磁閥作為方向控制閥，通過(guò)對(duì)氣體方向進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)方向；速度控制閥屬于流量控制閥，可以保持氣體流量不變，使其不受負(fù)載影響，從而控制執(zhí)行元件的作動(dòng)速度；減壓閥屬于壓力控制閥，通過(guò)對(duì)氣體壓力的控制，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出恒定的力。

氣路如圖3所示，工作站中送料定位氣缸、翻轉(zhuǎn)齒條推拉氣缸、回轉(zhuǎn)定位氣缸及回轉(zhuǎn)預(yù)壓氣缸需要不受負(fù)載影響，保持恒定的工作速度，因此利用調(diào)速閥進(jìn)行控制；預(yù)壓氣缸、夾爪、浮動(dòng)頭等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接接觸零件，需要保持合適的工作壓力，避免損傷零件，因此利用減壓閥進(jìn)行壓力控制。

圖3 氣路控制圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括觸摸屏編程、PLC 編程以及機(jī)器人編程。

觸摸屏選用Proface，通過(guò)GP-ProEX 軟件進(jìn)行編程。主要功能為設(shè)備輸入/輸出信號(hào)狀態(tài)監(jiān)視、氣缸控制、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)伺服控制、工具庫(kù)伺服控制等，如圖4～圖6所示。氣缸控制頁(yè)面可以對(duì)送料氣缸、預(yù)壓氣缸、翻轉(zhuǎn)夾爪、快換夾頭、回轉(zhuǎn)氣缸、翻轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作進(jìn)行控制；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制頁(yè)面主要對(duì)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度及速度進(jìn)行控制；工具庫(kù)控制頁(yè)面主要用于工具庫(kù)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度位置控制。當(dāng)用戶操作觸摸屏?xí)r，觸摸屏系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)PLC 系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)指令，從而完成對(duì)工作站機(jī)構(gòu)的控制。

圖4 氣缸指令頁(yè)面

圖5 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)指令頁(yè)面

圖6 工具庫(kù)指令頁(yè)面

三菱FX 5U 型號(hào)PLC 通過(guò)GXWorks3軟件進(jìn)行編程。程序模塊主要包括輸入/輸出映射、伺服程序、報(bào)警記錄、原點(diǎn)回歸、機(jī)器人信號(hào)等。輸入/輸出映射模塊定義了系統(tǒng)的輸入與輸出，輸入包括各種傳感信號(hào)與觸摸屏按鈕，輸出包括電磁閥，用于控制氣缸等機(jī)構(gòu)。伺服程序模塊定義了伺服位置范圍，并根據(jù)用戶要求對(duì)伺服電機(jī)輸出相應(yīng)速度與位置的脈沖信號(hào)，完成對(duì)伺服電機(jī)的控制。報(bào)警記錄模塊通過(guò)傳感器對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，將異常狀態(tài)傳輸給PLC，并記錄下異常位置。原點(diǎn)回歸用于系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)或異常時(shí)，將系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。機(jī)器人信號(hào)模塊定義了PLC 與機(jī)器人I/O 端口交互信號(hào)的功能，由于機(jī)器人輸入DI與輸出DO最多各為16個(gè)信號(hào)，無(wú)法滿足所需功能數(shù)量要求，因此采用組合信號(hào)的方式，如表1及表2所示。表1為機(jī)器人輸入信號(hào)定義，將DI3至DI9輸入定義為組信號(hào)GI1，可以實(shí)現(xiàn)64個(gè)輸入信號(hào)組合，以此實(shí)現(xiàn)更多功能定義。

表1 機(jī)器人信號(hào)輸入

表2 機(jī)器人組信號(hào)輸入

機(jī)器人通過(guò)示教器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)路徑編程。ABB 機(jī)器人的編程語(yǔ)言為RAPID，具有較大的靈活性和拓展性，也支持用戶自己定義數(shù)據(jù)類型，是一種很強(qiáng)大的工業(yè)機(jī)器人編程語(yǔ)言。在編程時(shí)，主要使用機(jī)器人與PLC 交互的I/O 端口信號(hào)控制指令與機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)控制指令。其中，I/O 端口信號(hào)控制常用指令主要有SETDO（數(shù)字信號(hào)置位）、WAITDI（數(shù)字輸入信號(hào)判斷）、WAITDO（數(shù)字輸出信號(hào)判斷）、RESET（數(shù)字信號(hào)復(fù)位）等，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)常用指令主要有Move A BsJ（絕對(duì)位置運(yùn)動(dòng)指令）、MoveJ（關(guān)節(jié)軸運(yùn)動(dòng)指令）、MoveL（直線運(yùn)動(dòng)指令）、MoveC（圓弧運(yùn)動(dòng)指令）等。

3 調(diào)試與試驗(yàn)

為驗(yàn)證工作站的自動(dòng)化打磨效果，選用航空機(jī)載葉輪零件為試驗(yàn)對(duì)象，需要對(duì)葉輪葉片進(jìn)行修形并拋光，對(duì)外邊小葉片毛刺進(jìn)行去除。首先在PLC 系統(tǒng)中根據(jù)相應(yīng)打磨動(dòng)作順序，編寫自動(dòng)運(yùn)行程序，與機(jī)器人交互，實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到自動(dòng)化打磨的目的。在示教器中對(duì)零件抓取路徑、旋轉(zhuǎn)銼刀修形加工路徑、毛刷拋光與毛刺清理路徑進(jìn)行編程。

調(diào)試完成后進(jìn)行打磨試驗(yàn)，具體流程為：

（1）人工將零件放入送料工裝臺(tái)，通電后開始程序；

（2）送料工裝臺(tái)送料，機(jī)器人更換夾爪，將零件放入旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；

（3）工作臺(tái)氣爪夾緊零件，機(jī)器人更換旋轉(zhuǎn)銼刀進(jìn)行修形；

（4）機(jī)器人更換毛刷對(duì)零件表面進(jìn)行拋光，清理毛刺；

（5）機(jī)器人更換夾爪，將零件放入送料工裝臺(tái)；

（6）送料工裝臺(tái)下料，程序結(jié)束。

根據(jù)流程完成多個(gè)葉輪零件打磨，打磨前后如圖7、圖8所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)打磨效果良好，效率高，穩(wěn)定性好。

圖7 葉輪打磨前

圖8 葉輪打磨后

4 結(jié)語(yǔ)

本文以航空機(jī)載零件打磨為出發(fā)點(diǎn)，分析了自動(dòng)化打磨工作站系統(tǒng)需求，搭建了基于工業(yè)機(jī)器人與PLC的自動(dòng)化打磨集成工作站。該自動(dòng)化打磨工作站可以對(duì)零件進(jìn)行表面拋光、毛刺清理及修形，并通過(guò)控制系統(tǒng)與機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化零件打磨，具有較高的靈活度及柔性，可以完成大部分零件的打磨任務(wù)，大大解放勞動(dòng)力，為制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供參考。