0 引言

　　隨著人們對(duì)產(chǎn)品外形和表面質(zhì)量要求的提高，在產(chǎn)品精加工過(guò)程中，經(jīng)常采用拋光加工。特別對(duì)復(fù)雜曲面(如水龍頭、航空發(fā)動(dòng)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(fèi)時(shí)費(fèi)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(cè)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(jì)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(jì)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(chē)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(diǎn)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(dòng)完成加工的過(guò)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(guò)程中，拋光輪與工件的接觸點(diǎn)A點(diǎn)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(shí)，拋光輪迅速向后移動(dòng)，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(diǎn)設(shè)計(jì)機(jī)器人柔性拋光機(jī)床工作原理如圖1所示。行程開(kāi)關(guān)、齒條1、齒條2、齒輪等組成輪徑檢測(cè)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(dòng)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(cè)機(jī)構(gòu)中的齒輪的軸與拋光機(jī)主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)固聯(lián)在一起，完成兩機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)。

圖1機(jī)器人柔性拋光機(jī)床工作原理

　　輪徑檢測(cè)機(jī)構(gòu)原理：設(shè)初始位置，拋光輪半徑為R1，此時(shí)，移動(dòng)拋光機(jī)床主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪徑檢測(cè)機(jī)構(gòu)中的齒條2也隨之移動(dòng)，當(dāng)行程開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，停止移動(dòng)，此位置為拋光機(jī)床主體移動(dòng)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(dòng)拋光機(jī)床主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪徑檢測(cè)機(jī)構(gòu)中的齒條2也隨之移動(dòng)，當(dāng)行程開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，拋光機(jī)床主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)初始位置移動(dòng)δ。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)可得：

　　同時(shí)能保證拋光輪與工件接觸點(diǎn)A點(diǎn)和初始位置的A點(diǎn)重合。

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

圖2拋光力與測(cè)量電動(dòng)機(jī)的電流傳感器輸出關(guān)系實(shí)驗(yàn)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(cè)機(jī)構(gòu)控制、拋光機(jī)床主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)位置控制及拋光力控制等組成。

　　2.1 輪徑檢測(cè)機(jī)構(gòu)控制

　　伺服電機(jī)通過(guò)減速器和滾珠絲杠帶動(dòng)拋光機(jī)主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)輪徑檢測(cè)機(jī)構(gòu)中的行程開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，停止拋光機(jī)主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，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(jì)算拋光機(jī)主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)初始位置的移動(dòng)距離δ，根據(jù)式(1)計(jì)算出拋光輪磨損后的輪徑。

　　2.2 拋光機(jī)床主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)位置控制

　　拋光機(jī)床主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)通過(guò)減速器和滾珠絲杠帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)。左、右極限位置由行程開(kāi)關(guān)控制，零位由接近開(kāi)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(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)，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(jì)是以連續(xù)的PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化，寫(xiě)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(jì)。

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(shí)驗(yàn)曲線作為反饋信號(hào)，其中與拋光力相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)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(mén)子S7—300系列PLC，其中CPU模塊具有PID控制功能，通過(guò)PID控制指令實(shí)現(xiàn)，PID參數(shù)的設(shè)定可通過(guò)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(gè)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(dòng)器和PLC。

圖4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

　　其中PLC選用德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的s7—300系萬(wàn)方列，它采用緊湊的、無(wú)槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，電源模塊(PS)、CPU模塊、信號(hào)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(chǔ)器(RAM)，程序存儲(chǔ)在128KB存儲(chǔ)卡(MMC)中，存儲(chǔ)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(duì)稱(chēng)式)或絕對(duì)值編碼器(SSI)，控制信號(hào)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(gè)模塊32X24V輸入。

　　(5)數(shù)字輸出模塊：選用6ES7 322-1BL00-0AA02塊，每個(gè)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(gè)通道分辨率為15位，基本轉(zhuǎn)換時(shí)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(gè)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(guò)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(jì)、編譯，然后RS232編程電纜下載到觸摸屏即可使用。通過(guò)觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)置觸摸屏顯示參數(shù)對(duì)應(yīng)PLC的存儲(chǔ)器單元來(lái)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(cè)開(kāi)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(dòng)移動(dòng)拋光輪。

　　3.3 拋光輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制

　　拋光工藝要求拋光輪與工件接觸點(diǎn)的線速度不變。由于拋光過(guò)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(diǎn)的線速度也變小，因此，需要改變驅(qū)動(dòng)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(dòng)拋光輪電機(jī)的速度。變頻器的起停通過(guò)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(guò)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(cè)機(jī)構(gòu)和變頻調(diào)速系統(tǒng)可使拋光輪與工件接觸點(diǎn)的線速度滿(mǎn)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(dòng)器、伺服電機(jī)等組成伺服控制系統(tǒng)來(lái)控制拋光機(jī)床主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)位置。其硬件配置如下：

　　(1)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：選用安川伺服單元SGDM-15ADA 1臺(tái)，輸入信號(hào)：編碼器輸入信號(hào)、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(hào)：編碼器分頻輸出(差分信號(hào)輸出)、報(bào)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(tái)，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(dòng)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(hào)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(cè)機(jī)構(gòu)的信號(hào)或拋光力反饋信號(hào)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(gè)端口可選擇拋光輪的4種速度、啟動(dòng)拋光機(jī)占用1個(gè)端口、啟動(dòng)拋光力控制占用1個(gè)端口、啟動(dòng)輪徑檢測(cè)占用1個(gè)端口、啟動(dòng)拋光液控制占用1個(gè)端口。為了提高通訊的可靠性，在軟件上采用多次延時(shí)驗(yàn)證的方法。

4 控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

　　PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境十分復(fù)雜，要受到來(lái)自各方面的干擾，甚至?xí)鹫`動(dòng)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(hào)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(hào)抗干擾的設(shè)計(jì)：選用較粗的信號(hào)線，合理的布線和設(shè)計(jì)有利于I／O信號(hào)線的抗干擾。PLC輸入、輸出端口分別由開(kāi)關(guān)電源供電。

　　(3)PLC裝置的接地設(shè)計(jì)：采用PLC與其它設(shè)備在一點(diǎn)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(jì)

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

　　5.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

　　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(mén)子公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用編程軟件SIMATIC Manager，該軟件使用梯形圖或語(yǔ)句表達(dá)形式進(jìn)行離線編程，并且在運(yùn)行程序時(shí)，還可以通過(guò)在線監(jiān)測(cè)功能來(lái)監(jiān)視各個(gè)變量，這樣就給調(diào)試帶來(lái)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(cè)、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(shí)，還可以啟動(dòng)拋光力的力控制以及啟動(dòng)拋光液的定時(shí)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(jì)

　　根據(jù)機(jī)器人柔性拋光機(jī)床控制和操作要求，設(shè)計(jì)了主界面、參數(shù)設(shè)置界面、信號(hào)監(jiān)控界面、參數(shù)顯示介面、拋光輪的輪徑檢測(cè)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(jì)。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(shí)踐證明，該控制系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)。