方形滅菌器自動打磨拋光機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

李芳昕，錢晨，文珊珊，李超，楊帥，張勇，張春杰

(1.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245；2.上海航天工藝與裝備工程技術(shù)研究中心，上海 200245；3.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

0 前言

打磨拋光是制造業(yè)中一項不可或缺的基礎(chǔ)工序。傳統(tǒng)的打磨拋光一般采用手工的方式，勞動強度大、工作環(huán)境惡劣。正因為如此，近年來，我國打磨拋光行業(yè)的從業(yè)人員急劇減少，“招工難”的現(xiàn)象越來越普遍。從生產(chǎn)的角度來看，人工操作還存在生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品一致性差等問題。在3C行業(yè)、五金家具、醫(yī)療器材、汽車零部件、小家電、重工行業(yè)、玻璃行業(yè)等，幾乎制造業(yè)的方方面面，打磨拋光機器人都正迎來龐大的市場需求。

本文作者針對不銹鋼方形滅菌器的打磨拋光，以提高自動化打磨拋光程度、逐步取代人工操作、降低勞動強度、改善作業(yè)環(huán)境為目的，開發(fā)了一套自動打磨拋光機器人集成控制系統(tǒng)。

該控制系統(tǒng)采用西門子PLC作為主控單元，安川機器人與打磨拋光末端執(zhí)行器作為執(zhí)行單元。其中，安川機器人與PLC建立Profinet總線通信機制，同時基于Qt編程環(huán)境搭建上位機人機交互界面，與主控系統(tǒng)PLC采用以太網(wǎng)通信。

1 打磨拋光裝備結(jié)構(gòu)及控制流程設(shè)計

1.1 裝備結(jié)構(gòu)概要

打磨拋光裝備主要由機器人系統(tǒng)、裝夾工裝、導軌傳送系統(tǒng)、自動刀具庫、除塵裝置、電氣控制系統(tǒng)組成。機器人集成系統(tǒng)包括機器人本體、機器人第七軸移動平臺、打磨拋光末端執(zhí)行器、自適應力控柔順裝置、快換裝置。導軌傳送系統(tǒng)包括工件直線輸送平臺、工件回轉(zhuǎn)臺。工件直線輸送平臺用于工件的運輸；工件回轉(zhuǎn)臺適用于對稱結(jié)構(gòu)工件的打磨。自動刀具庫用于放置末端執(zhí)行器。電氣控制系統(tǒng)主要對系統(tǒng)的電、氣進行混合控制，實現(xiàn)各分系統(tǒng)的協(xié)調(diào)動作。

1.2 控制流程設(shè)計

自動打磨拋光控制流程如圖1所示。

圖1 控制流程

打磨拋光作為兩道工序，結(jié)合不同末端執(zhí)行器分別完成相應轉(zhuǎn)速的工藝流程。其中，打磨拋光中末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)速已提前在工藝數(shù)據(jù)庫中選擇。在打磨拋光過程中實時監(jiān)測打磨末端執(zhí)行器轉(zhuǎn)速變化，若因故障突然停止，則機器人運動暫停，系統(tǒng)報警。此時，系統(tǒng)需人工干預檢查并恢復。

2 集成控制系統(tǒng)設(shè)計

打磨拋光機器人集成控制方案如圖2所示。

圖2 集成控制方案

系統(tǒng)的所有分系統(tǒng)統(tǒng)一由中控系統(tǒng)PLC實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，人機交互界面與PLC之間建立以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)人機交互操作、安全監(jiān)控與故障診斷處理等功能；機器人與PLC之間建立Profinet通信，實現(xiàn)PLC與機器人之間的交互控制；同時PLC與運動系統(tǒng)建立Drive-CLIQ通信，實現(xiàn)打磨電機、傳送電機及機器人移動平臺的速度、高精度位置控制的需求。

3 控制系統(tǒng)軟件關(guān)鍵技術(shù)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計包括三部分：PLC控制軟件設(shè)計、機器人軟件設(shè)計、上位機人機交互界面設(shè)計。PLC控制軟件設(shè)計主要完成與上位機人機交互界面、機器人、打磨電機的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交互、邏輯控制等功能；機器人軟件設(shè)計主要完成與PLC的數(shù)據(jù)交互；上位機人機交互界面主要完成設(shè)備功能操作、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、對異常狀態(tài)的記錄與報警等功能。

3.1 PLC控制軟件設(shè)計

PLC與機器人建立Profinet總線通信，在PLC的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)界面，將機器人Profinet通信基板的GSD文件導入進行Ethernet配置，配置成功后，PLC與機器人間以字節(jié)形式通信，地址一一對應。

PLC與上位機人機交互界面采用TCP/IP通信，利用PLC提供的以太網(wǎng)通信庫LCom，建立PLC與外部以太網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)點與數(shù)據(jù)點的連續(xù)傳輸。

PLC與打磨電機通過Profinet總線通信，組態(tài)方式同機器人，通過設(shè)置PKW、PZD實現(xiàn)通信。

3.2 機器人軟件設(shè)計

安川機器人與外部設(shè)備之間的通信是通過并行IO實現(xiàn)的。并行IO是和機器人動作獨立或與機器人的動作并行，處理機器人控制器的輸入輸出。輸入輸出信號的分類如表1所示。

表1 安川機器人輸入輸出分類

以外部控制機器人主程序調(diào)出與機器人伺服開啟狀態(tài)反饋為例，并行IO編程如下：

STR #20070 //外部輸入

OUT #40070 //主程序調(diào)用專用輸入

STR #50073 //機器人伺服ON專用輸出

OUT #30070 //外部輸出

3.3 上位機人機交互界面

控制系統(tǒng)采用Qt作為上位機人機交互界面軟件開發(fā)框架，利用其豐富的信號與槽以及各封裝機制進行界面開發(fā)。

文中上位機人機交互界面與PLC采用TCP/IP通信方式。上位機作為客戶端，PLC作為服務器，網(wǎng)絡(luò)交互流程如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)交互流程

控制系統(tǒng)上電啟動，PLC啟動進入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽模式，上位機啟動，打開網(wǎng)絡(luò)通信界面，初始化套接字，發(fā)送建立連接信號至PLC;PLC接收到客戶端接入，發(fā)送連接成功信號至上位機。至此，PLC與上位機間建立了可靠的TCP/IP通信連接，從而建立了數(shù)據(jù)的交互傳遞機制。

根據(jù)自動加工流程與操作對象分類，文中的人機交互界面采用模塊化的方式進行設(shè)計，特點在于各部分功能模塊的顯示條理清晰，便于用戶操作管理。

打磨拋光控制系統(tǒng)人機交互界面主要由4個功能模塊組成，分別為手動模式、自動模式、參數(shù)模式、診斷模式。手動模式包含系統(tǒng)中所有單獨元器件的操作，便于用戶調(diào)試。自動模式界面調(diào)用機器人自動程序與設(shè)計好的自動打磨拋光程序，并能隨時暫停、繼續(xù)與強行中止機器人程序。參數(shù)模式中對粗加工、精加工、拋光工序中用到的工件材料、表面粗糙度，砂帶品牌、砂帶顆粒度、砂帶線速度、法向壓力、進給速度進行統(tǒng)計與管理，提供記錄和查詢的功能，方便工藝人員對工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)管理。診斷模式中包括報警數(shù)據(jù)庫、打磨時間數(shù)據(jù)庫與報警解除操作。報警記錄方便操作人員查看系統(tǒng)狀態(tài)，打磨時間數(shù)據(jù)庫主要記錄砂帶壽命，方便工藝人員對選用物料進行統(tǒng)計管理。

4 數(shù)據(jù)庫管理設(shè)計

該套控制系統(tǒng)中界面“參數(shù)模式”和“診斷模式”中涉及數(shù)據(jù)庫管理設(shè)計，共設(shè)計了4個數(shù)據(jù)庫，分別為工藝數(shù)據(jù)庫、報警數(shù)據(jù)庫、打磨時間記錄數(shù)據(jù)庫、砂帶壽命數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)采用SQLite輕型數(shù)據(jù)庫技術(shù)對數(shù)據(jù)進行管理。SQLite數(shù)據(jù)庫是一個輕量級的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，占用極小的空間，可存儲多達2 TB的數(shù)據(jù)量。Qt中的QtSql庫模塊提供了對數(shù)據(jù)庫的支持，其中QSqlDatabase類用來創(chuàng)建連接，QSqlQuery類用來使用SQL語句實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的交互，QSqlTableModel 提供了基于SQL查詢的只讀模型，只需更改數(shù)據(jù)模型即可移植數(shù)據(jù)存儲格式。

以工藝數(shù)據(jù)庫為例,工藝數(shù)據(jù)庫的建立框圖如圖4所示。

圖4 工藝數(shù)據(jù)庫的建立框圖

(1)創(chuàng)建名為grinding的打磨工藝數(shù)據(jù)庫。

QSqlDatabase db = QSqlDatabase::addDatabase("QSQLITE");

db.setDatabaseName("grinding.db");

(2)創(chuàng)建工藝表，插入ID、粗精拋光加工砂帶品牌、粗精拋光加工砂帶顆粒度、粗精拋光加工砂帶線速度、粗精拋光加工法向壓力、粗精拋光加工砂帶進給速度、粗精拋光加工金屬材料、粗精拋光加工粗糙度共22個字段。數(shù)據(jù)庫執(zhí)行以下程序：

QSqlQuery query;

query.exec(QString("create table grinding(id int primary key,harshbrand varchar,harshparticle varch-ar,……)"));

(3)插入工藝數(shù)據(jù)。在參數(shù)模式的“更新”菜單欄中依次填入各工藝參數(shù)并點擊“添加”按鈕時，如圖5所示，數(shù)據(jù)庫執(zhí)行以下程序：

圖5 “參數(shù)模式”數(shù)據(jù)庫操作界面

QSqlTableModel *model;

model = new QSqlTableModel(this);

QSqlQuery query;

query.prepare("insert into grinding(id,harshbrand,harshparticle,……)values(:id,:harshbrand,:harshparticle,……)");

//獲取控件的輸入值

int idValue = ui->idLineEdit->text().toInt();

QString harshbrandValue = ui->harshBrandComboBox->currentText();

QString harshparticleValue = ui->harshParticleSizeComboBox->currentText();

//綁定值

query.bindValue(":id",idValue);

query.bindValue(":harshbrand",harshbrandValue);

query.bindValue(":harshparticle",arshparticleValue);

query.exec();

model->select();

(4)在參數(shù)模式的“查詢”菜單欄中點擊“查詢”按鈕，將會按照輸入的金屬材料和粗糙度進行查詢。數(shù)據(jù)庫執(zhí)行以下程序：

//選擇符合條件的工藝數(shù)據(jù)，粗加工、精加工、拋光任意工序符合條件均篩選

model->setFilter(QString("1=1 and harshroughness <=′%1′ and harshmaterial=′%2′ or ……").arg(ui->roughnessLineEdit->text()).arg(ui->checkMaterialComboBox->currentText())……);

model->select();

(5)對已存在數(shù)據(jù)記錄條目中的數(shù)值修改后，點擊“修改”按鈕對數(shù)據(jù)進行保存。數(shù)據(jù)庫執(zhí)行以下程序：

model->database().transaction();

if(model->submitAll()){model->database().commit();}else{model->database().rollback(); QMessageBox::warning(this,tr("tableModel"),

tr("數(shù)據(jù)庫錯:%1").arg(model->lastError().text()));}

(6)選中一行數(shù)據(jù)記錄點擊“刪除選中行”按鈕，將刪除該條記錄。數(shù)據(jù)庫執(zhí)行以下程序：

QItemSelectionModel *selections = ui->tableView_parametersdatabase->selectionModel();

QModelIndexList selecteds =selections->selectedIndexes();

foreach(QModelIndex index,selecteds){

int curRow = index.row();

model->removeRow(curRow);}

5 結(jié)束語

該套控制系統(tǒng)可實現(xiàn)手動調(diào)試和自動加工，可實現(xiàn)各組成單元的單獨調(diào)試運動，可以實時監(jiān)測加工狀態(tài)和各組成單元的位置和運動狀態(tài)，可記錄系統(tǒng)報警以及各型號砂帶打磨的累積時間。整套設(shè)備配有打磨房，隔絕噪聲與污染。該套設(shè)備不僅可以提高打磨效率和時間，提高打磨質(zhì)量，且可以降低噪聲與粉塵對人體的傷害。

該控制系統(tǒng)自投產(chǎn)以來，一直處于高效穩(wěn)定的24 h持續(xù)運行狀態(tài)，操作工人反響良好，大大提高了生產(chǎn)率，充分驗證了該套自動打磨拋光機器人集成控制系統(tǒng)是性能可靠的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅自動化程度較高，而且操作簡單，通用性強，具有較高的推廣價值和發(fā)展前景。