一種混聯(lián)自動拋光機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

江勵，杜天才，徐文杰，林少佳，陳競維

（五邑大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

一種混聯(lián)自動拋光機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

江勵，杜天才，徐文杰，林少佳，陳競維

（五邑大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

針對當前自由曲面金屬的表面拋光還停留在人工操作、加工效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定的現(xiàn)狀，設(shè)計出一款具有拋光力自適應(yīng)的混聯(lián)拋光機器人系統(tǒng).該機器人系統(tǒng)適用于平面、弧面、回轉(zhuǎn)體等多種金屬表面的拋光打磨.通過PLC對該拋光機器人系統(tǒng)的3個伺服電機及2個力平衡氣缸進行控制，實現(xiàn)機器人的自動拋光功能.

拋光機器人；拋光力自適應(yīng)；PLC控制

金屬表面打磨拋光是廣東省制造業(yè)中的一大門類.項目申請單位近期對廣東地區(qū)金屬制品企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備狀況進行調(diào)研，結(jié)果顯示：目前，對于自由曲面金屬表面的打磨拋光主要以人工為主，由于對人體的高危害，打磨拋光行業(yè)已面臨嚴重的“用工荒”.有兩種辦法可以解決該問題：一是直接采用通用六自由度工業(yè)機器人，通過位置層面的控制進行打磨拋光[1].但這種方法往往會因為零件尺寸誤差導(dǎo)致拋光質(zhì)量難以保證，出現(xiàn)大量拋光廢品.另一種是采用六自由度機器人加力傳感器，通過力和位置的混合控制進行打磨拋光[2]，該方法能夠保證拋光質(zhì)量，但設(shè)備價格昂貴，難以在薄利的打磨拋光行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用.鑒于此，本文設(shè)計研發(fā)一種低成本打磨拋光機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用3個伺服電機和2個力平衡氣缸的混合驅(qū)動方式.其中，伺服電機負責控制工件的位置，力平衡氣缸負責適應(yīng)工件的形狀并保證拋光力的恒定.通過這種創(chuàng)新的設(shè)計方案，希望機器人系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)拋光力和位置的綜合控制，高效完成類似回轉(zhuǎn)體、自由曲面等金屬表面的拋光打磨.

1 混聯(lián)拋光機器人機械結(jié)構(gòu)介紹

混聯(lián)拋光機器人系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中，1為拋光砂輪，它通過三項異步電機進行驅(qū)動.2為拋光機器人的主體部分，用于控制工件的位置與姿態(tài)，并調(diào)整拋光力的大小.3為拋光機器人的工作平臺，用于固定拋光機器人系統(tǒng)的主體部分.4為調(diào)整支架，用于調(diào)整主體部分和砂輪間的相對位置.

主體部分2為拋光機器人的核心部分，其構(gòu)成如圖2所示：包含x滑臺、y滑臺、自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺和力平衡轉(zhuǎn)臺四大部分.x滑臺和y滑臺各由一個伺服電機控制，用于保證被拋光工件在平面中的位置.自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺首先由氣缸驅(qū)動夾緊工件，然后通過伺服電機驅(qū)動工件自轉(zhuǎn)，用于調(diào)整工件在平面中的姿態(tài).力平衡轉(zhuǎn)臺主要負責拋光力的自適應(yīng)控制，它由兩個氣缸、可前后運動的滑臺及可繞豎直軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)臺組成.開始拋光任務(wù)時，氣缸驅(qū)動滑臺和轉(zhuǎn)臺進行前后運動以及繞旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，以此來適應(yīng)工件的表面形狀；同時，可通過控制氣缸氣壓來實現(xiàn)對打磨力的調(diào)控.

圖1 混聯(lián)拋光機器人系統(tǒng)模型

圖2 拋光機器人主體模型

2 混聯(lián)拋光機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

由于本機器人系統(tǒng)需要實現(xiàn)對伺服電機和氣缸的混合控制，因此采用PLC作為控制器是一種簡單而又可靠的選擇[3].考慮到需要控制的伺服電機數(shù)量為3，即需要PLC有3個高速脈沖輸出端口，本文選擇PLC的型號為三菱FX3U-64MT-ES-A.

2.1 基于PLC的伺服電機控制

一般來說伺服電機有3種控制方式：位置模式、速度模式和扭矩模式[4].本系統(tǒng)對運動速度和力矩沒有要求，故只需采用位置模式進行控制.而位置模式控制的實質(zhì)是控制輸出的脈沖當量，其實際接線圖如圖3所示.其中，PLC通過37引腳的sign信號控制脈沖輸出方向、41引腳的pulse信號控制脈沖輸出頻率.

圖3 PLC位置伺服控制模式接線圖

本系統(tǒng)所用的伺服電機的額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，當電子齒輪比為1: 1時，驅(qū)動器每160 000個脈沖電機軸轉(zhuǎn)一圈.實際上，考慮到FX3U型PLC的高速脈沖口最高只能輸出100 kHz頻率的脈沖，如果要使電機達到3000 r/min的額定速度，電子齒輪比應(yīng)設(shè)為80: 1，此時驅(qū)動器每輸出2 000個脈沖電機軸轉(zhuǎn)一圈.

2.2 控制系統(tǒng)流程設(shè)計

混聯(lián)拋光機器人的自動加工過程共有4個工位，分別是回原點工位、拋光加工工位、下料工位和上料工位.通過PLC控制系統(tǒng)進行4個工位的節(jié)拍協(xié)調(diào)，完成自動拋光任務(wù)，其工作流程如下：

1）砂輪啟動，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺啟動，x滑臺和y滑臺分別回到原點位置；

2）兩個力平衡氣缸向前推，力平衡轉(zhuǎn)臺向前移動直到工件和砂輪接觸，開始拋光工作；

3）完成拋光工作后，主體部分運動到下料工位，完成下料；

4）完成下料后，主體部分運動到上料工位，完成上料；

5）完成以上四個工作循環(huán)后，PLC計數(shù)累加1，完成工件計數(shù)，一個工件的拋光工作循環(huán)完成.

根據(jù)該流程，我們進行了PLC輸入和輸出端口的分配，具體見表1.

表1 PLC端口分配詳情

2.3 人機交互系統(tǒng)設(shè)計

機器人常見的人機交互系統(tǒng)包括示教器、工控機、觸摸屏等，它們用于設(shè)備運行狀態(tài)信息的反饋和控制命令的輸入.觸摸屏因價格便宜、控制命令輸入簡單而應(yīng)用廣泛，本文的拋光機器人人機交互系統(tǒng)選擇了信捷TouchWin的觸摸屏，型號為TG765-UT，圖4為本文設(shè)計的拋光機器人系統(tǒng)的人機界面，它包括一個主界面和兩個模式控制界面.主界面主要顯示本拋光機器人系統(tǒng)的三維造型，通過選擇主界面上的自動模式或手動模式按鈕分別進入到對應(yīng)的模式控制界面中.自動控制界面能夠監(jiān)控機器人在自動運行程序時的狀態(tài)，并完成拋光工件的計數(shù)工作.手動控制界面可以實現(xiàn)對單軸或者單個氣缸的控制，主要用于系統(tǒng)的調(diào)試和維修.

圖4 人機交互系統(tǒng)界面

3 混聯(lián)拋光機器人控制的實驗驗證

本混聯(lián)拋光機器人系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的核心是主體部分能實現(xiàn)自動控制.為此，我們開展了拋光機器人主體部分的拋光實驗.實驗中，拋光機能夠按照預(yù)定的指令完成工件的拋光工作，圖5為保溫杯進行拋光的場景和拋光后的工件，實驗驗證了本混聯(lián)拋光機器人系統(tǒng)用于回轉(zhuǎn)工件拋光的可行性.另外，本系統(tǒng)還可完成對自由曲面金屬的自動拋光，且該方案的成本大大低于普通六自由度機器人加力傳感器的方案，有利于該機器人系統(tǒng)在中小型企業(yè)中的應(yīng)用.

圖5 混聯(lián)拋光機器人拋光實驗

4 結(jié)論

本文設(shè)計的混聯(lián)拋光機器人由PLC和觸摸屏組成控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人上伺服電機的精確位置控制，并能完成工件的自動化生產(chǎn).相對于通用六自由度機械手配合力傳感器進行拋光打磨的方法，本混聯(lián)拋光機器人系統(tǒng)成本低、效率高，能夠完成多種復(fù)雜金屬表面的拋光打磨，具有良好的應(yīng)用前景.

[1] CRAIG J J.機器人學(xué)導(dǎo)論[M].3版.贠超，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] 李正義.機器人與環(huán)境間力/位置控制技術(shù)研究與應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[3] 趙中敏，張秋云，楊廣才.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機床電器，2007, 34(2): 37-40.

[4] 黃建新，劉建群，曠輝，等.觸摸屏與PLC組成的伺服電機控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2005(2): 44-45.

[責任編輯：熊玉濤]

Design of a Control System for Hybrid Polishing Robots

JIANG Li, DU Tian-cai, XU Wen-jie, LIN Shao-jia, CHEN Jing-wei
(School of Mechanical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Free-form surface polishing of metal is still stuck at the manual operation stage with low processing efficiency and unstable quality.A hybrid robot with adaptive polishing force is designed to solve this problem.Different kinds of surface such as plane surface, cambered surface and revolved bodies can be polished by it.A PLC system is used to control three servo motors and two force balance air cylinders to achieve automatic polishing.

polishing robots; polishing force self-adoption; PLC system

TP242

A

1006-7302（2017）02-0058-04

2016-12-14

廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項目（2015KQNCX169）

江勵（1984—），男，湖北黃石人，講師，博士，主要從事智能機器人系統(tǒng)的研究.