0 引言

　　隨著人們對產(chǎn)品外形和表面質(zhì)量要求的提高，在產(chǎn)品精加工過程中，經(jīng)常采用拋光加工。特別對復(fù)雜曲面(如水龍頭、航空發(fā)動機(jī)葉片、水輪機(jī)葉片等)的拋光加工，一般只能采用手工作業(yè)，不僅費時費力，效率低下，而且產(chǎn)品的均一性差，精度不高。機(jī)器人拋光系統(tǒng)，使用機(jī)器人離線編程技術(shù)，集標(biāo)定、生產(chǎn)、檢測于一體，它不僅改善了工人的工作條件及提高生產(chǎn)效率，而且加工后工件的表面質(zhì)量及一致性大大提高。本文介紹機(jī)器人柔性拋光的重要組成部分機(jī)器人柔性拋光機(jī)床的電控單元，它的設(shè)計直接影響工件的加工質(zhì)量和系統(tǒng)的可靠性。

1 機(jī)器人柔性拋光機(jī)床的機(jī)械設(shè)計原理

　　本拋光機(jī)床屬于機(jī)械輪拋光，即將剪成圓形的布、呢、絨毛氈等數(shù)層重疊縫成車輪狀，安裝在拋光機(jī)床的主軸上，使其旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行拋光的方法。機(jī)器人柔性拋光系統(tǒng)的特點是根據(jù)被加工工件的形狀產(chǎn)生拋光路徑，由機(jī)器人自動完成加工的過程，因此要求機(jī)器人柔性拋光機(jī)床要有如下功能：

　　·加工過程中，拋光輪與工件的接觸點A點始終保持不變

　　·當(dāng)被加工件的拋光力大于某閾值拋光力時，拋光輪迅速向后移動，使拋光力小于閾值拋光力或保持恒等拋光力

　　基于如上特點設(shè)計機(jī)器人柔性拋光機(jī)床工作原理如圖1所示。行程開關(guān)、齒條1、齒條2、齒輪等組成輪徑檢測機(jī)構(gòu)；伺服電機(jī)、減速器、滾珠絲杠、導(dǎo)軌等組成拋光機(jī)床主體移動機(jī)構(gòu)，完成拋光輪的進(jìn)給；拋光輪、三相變頻電機(jī)、變頻器等組成拋光輪調(diào)速機(jī)構(gòu)；輪徑檢測機(jī)構(gòu)中的齒輪的軸與拋光機(jī)主體移動機(jī)構(gòu)固聯(lián)在一起，完成兩機(jī)構(gòu)的聯(lián)動。

圖1機(jī)器人柔性拋光機(jī)床工作原理

　　輪徑檢測機(jī)構(gòu)原理：設(shè)初始位置，拋光輪半徑為R1，此時，移動拋光機(jī)床主體移動機(jī)構(gòu)，輪徑檢測機(jī)構(gòu)中的齒條2也隨之移動，當(dāng)行程開關(guān)閉合時，停止移動，此位置為拋光機(jī)床主體移動機(jī)構(gòu)的初始位置。當(dāng)拋光輪磨損后，半徑變?yōu)镽2，移動拋光機(jī)床主體移動機(jī)構(gòu)，輪徑檢測機(jī)構(gòu)中的齒條2也隨之移動，當(dāng)行程開關(guān)閉合時，拋光機(jī)床主體移動機(jī)構(gòu)相對初始位置移動δ。根據(jù)機(jī)構(gòu)運動學(xué)可得：

　　同時能保證拋光輪與工件接觸點A點和初始位置的A點重合。

　　力控制原理：拋光力為拋光輪與工件之間的作用力，實驗表明，它與驅(qū)動拋光輪的變頻電機(jī)的電流有關(guān)系，其實驗曲線如圖2所示。圖2的曲線作為力反饋信號，通過PID控制或模糊力控制來保證拋光力小于閾值拋光力或保持拋光力為恒力，從而滿足拋光工藝的要求。

圖2拋光力與測量電動機(jī)的電流傳感器輸出關(guān)系實驗曲線

2 機(jī)器人柔性拋光機(jī)床的控制原理

　　根據(jù)機(jī)器人柔性拋光機(jī)床工作原理，其控制主要由輪徑檢測機(jī)構(gòu)控制、拋光機(jī)床主體移動機(jī)構(gòu)位置控制及拋光力控制等組成。

　　2.1 輪徑檢測機(jī)構(gòu)控制

　　伺服電機(jī)通過減速器和滾珠絲杠帶動拋光機(jī)主體移動機(jī)構(gòu)運動，當(dāng)輪徑檢測機(jī)構(gòu)中的行程開關(guān)閉合時，停止拋光機(jī)主體移動機(jī)構(gòu)的運動，PLC的CPU模塊讀取伺服控制模塊中伺服電機(jī)的編碼器的值并計算拋光機(jī)主體移動機(jī)構(gòu)相對初始位置的移動距離δ，根據(jù)式(1)計算出拋光輪磨損后的輪徑。

　　2.2 拋光機(jī)床主體移動機(jī)構(gòu)位置控制

　　拋光機(jī)床主體移動機(jī)構(gòu)的運動由伺服電機(jī)通過減速器和滾珠絲杠帶動驅(qū)動。左、右極限位置由行程開關(guān)控制，零位由接近開關(guān)控制。

　　2.3 拋光力控制

　　PLC閉環(huán)拋光力控制方框圖如圖3所示，PLC控制算法采用其內(nèi)部的PID控制模塊。PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點，多數(shù)PLC的CPU模塊自帶PID算法模塊。基于PLC的PID控制器的設(shè)計是以連續(xù)的PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化，寫成離散形式的PID方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序的設(shè)計。

圖3 PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

　　本文的拋光力控制采用圖2所示的實驗曲線作為反饋信號，其中與拋光力相關(guān)的驅(qū)動電動機(jī)的電流可以由控制電機(jī)速度的變頻控制器獲得。PLC采用的是西門子S7—300系列PLC，其中CPU模塊具有PID控制功能，通過PID控制指令實現(xiàn)，PID參數(shù)的設(shè)定可通過觸摸屏修改，反復(fù)調(diào)整PID參數(shù)，使拋光力控制接近預(yù)期的效果。

3 控制系統(tǒng)硬件配置及其功能

　　以PLC為核心的控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖4所示。整個控制系統(tǒng)包括：機(jī)器人控制器、觸摸屏、變頻器、伺服電機(jī)驅(qū)動器和PLC。

圖4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

　　其中PLC選用德國西門子公司生產(chǎn)的s7—300系萬方列，它采用緊湊的、無槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，電源模塊(PS)、CPU模塊、信號模塊(SM)、功能模塊(FM)、接口模塊(IM)和通訊處理器(CP)都安裝在導(dǎo)軌上。

　　3.1 S7—300 PLC的硬件配置　　(1)電源模塊：選用6ES7 307-1EA00-0AA01塊，輸入電壓120／230VAC，可提供輸出24V／5ADC電源。

　　(2)CPU模塊：選用6ES7 315-2AG10-0AB01塊，128KB數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，程序存儲在128KB存儲卡(MMC)中，存儲卡最大可擴(kuò)展到8MB，內(nèi)置RS485接口等。

　　(3)定位模塊：選用6ES7 354-1AH01-OAEO，1塊，用于伺服電機(jī)的控制，傳感器輸入為增量式編碼器(對稱式)或絕對值編碼器(SSI)，控制信號輸出為模擬量輸出。

　　(4)數(shù)字輸入模塊：選用6ES7 321-1BL00-0AA02塊，每個模塊32X24V輸入。

　　(5)數(shù)字輸出模塊：選用6ES7 322-1BL00-0AA02塊，每個模塊32X24V輸出。

　　(6)A／D變換模塊：選用6ES7 331-7KB02-0ABO1塊，兩路模擬量輸入，每個通道分辨率為15位，基本轉(zhuǎn)換時間可設(shè)置為6／34／44／204ms．

　　(7)D／A變換模塊：選用6ES7 332-5HF00-0AB01塊，8路模擬量輸出，每個通道分辨率為12位。

　　3.2 觸摸屏

　　本系統(tǒng)采用TPl70A觸摸屏，其與PLC之間通訊通過TP·PLC通訊電纜連接。觸摸屏界面由觸摸屏組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計、編譯，然后RS232編程電纜下載到觸摸屏即可使用。通過觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)置觸摸屏顯示參數(shù)對應(yīng)PLC的存儲器單元來完成PLC參數(shù)的顯示和設(shè)置。觸摸屏的功能：復(fù)位、輪徑檢測開始和輪徑的顯示、拋光輪轉(zhuǎn)速設(shè)置和拋光輪的角速度或線速度的顯示、拋光力設(shè)置、手動移動拋光輪。

　　3.3 拋光輪驅(qū)動電機(jī)控制

　　拋光工藝要求拋光輪與工件接觸點的線速度不變。由于拋光過程中拋光輪的磨損，拋光輪的輪徑變小，拋光輪與工件接觸點的線速度也變小，因此，需要改變驅(qū)動拋光輪電機(jī)的速度。本系統(tǒng)采用交流變頻調(diào)速器，調(diào)節(jié)驅(qū)動拋光輪電機(jī)的速度。變頻器的起停通過PLC的擴(kuò)展I／O口控制。由于變頻調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速與變頻器的輸入控制電壓成線性關(guān)系，因此，通過PLC的D／A擴(kuò)展模塊的一路模擬量輸出控制變頻調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PLC結(jié)合輪徑檢測機(jī)構(gòu)和變頻調(diào)速系統(tǒng)可使拋光輪與工件接觸點的線速度滿足拋光工藝要求。

　　3.4 伺服電機(jī)控制

　　PLC的CPU模塊和定位模塊、伺服電機(jī)驅(qū)動器、伺服電機(jī)等組成伺服控制系統(tǒng)來控制拋光機(jī)床主體移動機(jī)構(gòu)位置。其硬件配置如下：

　　(1)伺服電機(jī)驅(qū)動器：選用安川伺服單元SGDM-15ADA 1臺，輸入信號：編碼器輸入信號、速度指令(模擬量輸入：±2V～±10V)、扭矩指令(模擬量輸入：±1V～±10V)、位置指令(脈沖輸入)等；輸出信號：編碼器分頻輸出(差分信號輸出)、報警代碼輸出。

　　(2)伺服電機(jī)：選用安川1三相伺服電機(jī)SGMGH-13ACA61 l臺，最高轉(zhuǎn)速1500r／mm，功率1.3kW。

　　PLC的擴(kuò)展定位模塊、伺服電機(jī)驅(qū)動器、伺服電機(jī)組成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，其位置反饋信號由集成在伺服電機(jī)中的編碼器提供。PLC可根據(jù)輪徑檢測機(jī)構(gòu)的信號或拋光力反饋信號控制置閉環(huán)控制系統(tǒng)組成機(jī)器人柔性拋光機(jī)床的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　3.5 PLC與機(jī)器人的通訊

　　本系統(tǒng)采用I／O口通訊形式完成PLC與機(jī)器人的通訊。機(jī)器人控制器的輸出或PLC的輸入端口定義如下：速度選擇占用2個端口可選擇拋光輪的4種速度、啟動拋光機(jī)占用1個端口、啟動拋光力控制占用1個端口、啟動輪徑檢測占用1個端口、啟動拋光液控制占用1個端口。為了提高通訊的可靠性，在軟件上采用多次延時驗證的方法。

4 控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

　　PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點。但工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境十分復(fù)雜，要受到來自各方面的干擾，甚至?xí)鹫`動作造成重大損失。干擾源主要有如下幾種：電源引入的干擾；I／O信號引入的干擾；接地線引入的干擾；電磁干擾。本系統(tǒng)采用以下抗干擾措施：

　　(1)為了抑制電網(wǎng)中的干擾，選用的帶屏蔽的電源變壓器和電源濾波器。

　　(2)輸入輸出信號抗干擾的設(shè)計：選用較粗的信號線，合理的布線和設(shè)計有利于I／O信號線的抗干擾。PLC輸入、輸出端口分別由開關(guān)電源供電。

　　(3)PLC裝置的接地設(shè)計：采用PLC與其它設(shè)備在一點接地，并且，接地導(dǎo)線采用直徑大干22mm的銅導(dǎo)線。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　機(jī)器人柔性拋光機(jī)床控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括PLC軟件設(shè)計和觸摸屏軟件設(shè)計。

　　5.1 PLC軟件設(shè)計

　　PLC軟件主程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖5所示。程序采用梯形圖編制，編程軟件利用函門子公司開發(fā)的專用編程軟件SIMATIC Manager，該軟件使用梯形圖或語句表達(dá)形式進(jìn)行離線編程，并且在運行程序時，還可以通過在線監(jiān)測功能來監(jiān)視各個變量，這樣就給調(diào)試帶來了極大的方便。根據(jù)機(jī)器人控制器的指令，PLC可執(zhí)行拋光加工、拋光輪的輪徑檢測、改變拋光輪的轉(zhuǎn)速等任務(wù)。在執(zhí)行拋光加工任務(wù)時，還可以啟動拋光力的力控制以及啟動拋光液的定時噴射。

圖5 PLC軟件主程序結(jié)構(gòu)流程圖

5.2 觸摸屏軟件設(shè)計

　　根據(jù)機(jī)器人柔性拋光機(jī)床控制和操作要求，設(shè)計了主界面、參數(shù)設(shè)置界面、信號監(jiān)控界面、參數(shù)顯示介面、拋光輪的輪徑檢測界面等。

6 結(jié)論

　　本文詳細(xì)討論了基于S7—300系列PLC的機(jī)器人柔性拋光機(jī)床控制原理、控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計。該機(jī)器人柔性拋光機(jī)床能與機(jī)器人有機(jī)的結(jié)合完成加工生產(chǎn)線中工件拋光的工位。實踐證明，該控制系統(tǒng)操作方便，運行穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)。