車延明 宋明安 陸 焓 黃淑娟 李志博 麻 輝

(寧夏巨能機器人股份有限公司，寧夏 銀川750021)

大型鑄件的清理在鑄造生產(chǎn)中是不可缺少的一道關(guān)鍵工序，人工處理鑄件毛坯上的澆冒口、飛邊及毛刺產(chǎn)生粉塵飛揚的打磨環(huán)境，對人員身體健康造成了極大危害，導(dǎo)致職業(yè)病預(yù)防難、作業(yè)環(huán)境差和勞動強度大，也使眾多企業(yè)陷入了招工難的困境。特別是在大型、重型鑄件，使用人工打磨，需要大量的場地，生產(chǎn)效率低下，打磨質(zhì)量不能保證。所以，鑄造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級和自動化改造成為了我國目前的趨勢。在這樣的背景下，各種機器人與打磨工具結(jié)合的打磨控制系統(tǒng)將會應(yīng)用而生，由于當(dāng)前人機協(xié)作打磨控制系統(tǒng)沒有明確的控制標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)要求，所以本文將對該系統(tǒng)需要的功能和要求進(jìn)行說明。

1 人機協(xié)作鑄件打磨系統(tǒng)簡介

一套完整的人機協(xié)作鑄件打磨系統(tǒng)主要是由以下控制元件組成，機器人系統(tǒng)、工控機、PLC，HMI、力傳感器、測距傳感器、速度傳感器、溫度傳感和液壓站等組成，如圖1所示。

基本控制原理：整個控制系統(tǒng)是通過工控機集中協(xié)調(diào)調(diào)度。工控機通過HMI和手柄，發(fā)送調(diào)度指令給機器人控制系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)，PLC通過梯形圖邏輯，直接控制液壓站、砂輪、加熱器以及冷風(fēng)機的動作，機器人系統(tǒng)直接控制機器人的動作。另外，溫度檢測、力檢測、測距檢測和轉(zhuǎn)速檢測等傳感器，通過給PLC反饋模擬量信號，PLC將這些信號通過ModBus協(xié)議，傳遞給工控機，通過這些傳感器的反饋，實現(xiàn)對砂輪、液壓、機器人的動作協(xié)調(diào)及安全運行。

打磨前的準(zhǔn)備工作，首先將工件裝卡在電動轉(zhuǎn)臺上，確認(rèn)打磨一側(cè)的電動卷閘門的狀態(tài)，保證打磨一側(cè)，機器人、工件處于封閉空間，通風(fēng)設(shè)備正常開啟；接著啟動系統(tǒng)總電源，確認(rèn)電動轉(zhuǎn)臺打磨工件情況，進(jìn)入虛擬座艙，打開外設(shè)燈光(包括艙內(nèi)及打磨室燈光)，啟動機器人，啟動液壓系統(tǒng)，啟動打磨主軸(可選擇正反轉(zhuǎn))；對工件打磨時，操作者通過HMI控制界面、操作手柄配合可實現(xiàn)工件的手動和自動打磨。電動轉(zhuǎn)臺由變頻電機進(jìn)行控制，操作者可實現(xiàn)點動控制工件的角度，實現(xiàn)工件不同姿態(tài)的打磨。

2 人機協(xié)作鑄件打磨控制系統(tǒng)功能要求

由于打磨系統(tǒng)面臨的工件和工況種類多而復(fù)雜，所以對于大批量的相同工件可以采用編程自動打磨的方式，但是對于小批量不同的工件，需要人工通過HMI設(shè)定參數(shù)，使用操作手柄來遙控機器人進(jìn)行不同方向，不同角度，不同程度的打磨。這種既能自動工作又能半自動工作的大型液壓打磨系統(tǒng)，在功能方面要滿足如下要求：

(1)開關(guān)、按鈕、顯示、報警及聯(lián)鎖裝置功能應(yīng)正常。

(2)操作機構(gòu)各軸運動平穩(wěn)、正常。

(3)打磨系統(tǒng)力控制功能可靠，應(yīng)具有力感知裝置、力閉環(huán)控制功能、位置補償功能。

(4)測距功能準(zhǔn)確，應(yīng)具有測距裝置、位置補償功能、斜面找正功能。

(5)遙操作應(yīng)滿足操作手柄功能正常，操作機器人的各種動作平穩(wěn)、順滑；操作的靈敏性滿足打磨要求，無明顯延時現(xiàn)象；操作的靈敏性滿足打磨要求，無明顯延時現(xiàn)象；各種打磨模式易操作，人機界面友好。

3 打磨控制系統(tǒng)的軟件要求

一套打磨系統(tǒng)中，由多個輸出、監(jiān)控、反饋和補償?shù)拈]環(huán)控制系統(tǒng)組成。

3.1 手柄給工控機的交互信息

手柄報警信息，XYZ方向相對編碼器的脈沖值，手柄的移動速度，工控機給手柄的交互功能有：工控機調(diào)用手柄SDK進(jìn)行手柄的使能、失能、初始位置標(biāo)定，如圖2所示。

程序開始時，操作者通過HMI控制界面、操作手柄配合可實現(xiàn)工件的手動和自動打磨。電動轉(zhuǎn)臺由變頻電機進(jìn)行控制，操作者可實現(xiàn)點動控制工件的角度，實現(xiàn)工件不同姿態(tài)的打磨。

程序開始時，首先對手柄進(jìn)行使能操作，然后手動將手柄移動到初始位置標(biāo)定記錄手柄在初始位置的脈沖值，之后移動手柄時，實時脈沖值會和初始位置的脈沖值做差，計算手柄的電子齒輪比，從而確定手柄在初始位置坐標(biāo)系下的位置。移動手柄過程中，程序?qū)崟r讀取手柄的位置，并用等比例放大的方式，將手柄的位置轉(zhuǎn)換成機器人的位置，采用擬合計算的方式，優(yōu)化手柄的軌跡，并將計算出的機器人位置存入到公共點位存儲區(qū)域，方便機器人控制程序?qū)崟r獲取 。

3.2 工控機與力傳感器通訊功能

力傳感器將測得的XYZ方向的力分別轉(zhuǎn)換為模擬量，對應(yīng)一個受力范圍。當(dāng)沒有力作用在傳感器上時，模擬量為一個固定值，PLC讀取這3個方向的模擬量并存儲于PLC的寄存器中，然后工控機與PLC做Modbus TCP通信，從PLC的寄存器中讀取模擬量的值，并按照線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為力的值，從而實現(xiàn)工控機與力傳感器的通訊，如圖3所示。

3.3 工控機和機器人通訊

機器人和工控機的交互部分為心跳包通訊檢測和坐標(biāo)信息交換；機器人實時發(fā)送當(dāng)前坐標(biāo)位置，實時接收工控機發(fā)送過來的信息；工控機實時接收機器人發(fā)送過來的位置，并實時把手柄控制線程存儲到公共點位存儲區(qū)的位置，位置計算方式根據(jù)工藝選定，在只打磨平面的時候，會將Z值固定，移動手柄計算的位置只有XY向的值在變，在調(diào)整打磨機的姿態(tài)時，可將XYZ的方向鎖定，只改變繞XYZ方向旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)值。程序一開始會啟動心跳包檢測程序，機器人控制程序，手柄控制程序，3個程序同時運行；心跳包程序負(fù)責(zé)檢測工控機和機器人的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，采用CS的網(wǎng)絡(luò)通訊方式，工控機作Server連接成功之后，工控機會等待接收機器人發(fā)送的時間戳，并驗證時間戳，驗證完成之后工控機發(fā)送自己的時間戳給機器人，中間出現(xiàn)連接斷開，則會重新進(jìn)行連接。機器人控制線程負(fù)責(zé)實時獲取和發(fā)送機器人的點位。機器人端做Client，有一個心跳包程序在實時檢測機器人與工控機的連接情況；機器人運動控制程序控制機器人點位的發(fā)送，接收和運動到接收到的點位位置上，之后再次開始循環(huán)。

3.4 手動打磨模式

手動模式下可以完成快速進(jìn)給和手動打磨操作，快速進(jìn)給時，用戶操作兩個手柄，在任意自由度內(nèi)移動機器人，使工具頭快速接近工件，完成“對刀”過程。工具頭接觸工件后，鎖定轉(zhuǎn)動軸，此時用戶只能操作平移手柄完成平面內(nèi)打磨操作，同時根據(jù)需要調(diào)整進(jìn)給速度。機器人的Z軸進(jìn)給量可以通過手柄手動控制；也可以鎖定Z軸，定量控制，如圖4所示。

3.5 自動打磨模式

用戶首先操作手柄移動機器人到3個示教點，分別作為“起始位置”、“X軸正向位置”、“Y軸正向位置”，然后將機器人移動到額外一點作為“打磨高度”?？刂葡到y(tǒng)將根據(jù)這4個示教點生成機器人運動軌跡，控制機器人在一個矩形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行多層連續(xù)打磨。

3.6 激光位移傳感器通訊開發(fā)

激光位移傳感器將測得距離轉(zhuǎn)換為模擬量，對應(yīng)一定的距離，PLC讀取這個模擬量并存儲于PLC的寄存器中，然后工控機與PLC做Modbus TCP通信，從PLC中讀取模擬量的數(shù)值，并按照線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為距離，從而實現(xiàn)工控機與激光位移傳感器的通訊，如圖5所示。

4 打磨系統(tǒng)HMI控制功能開發(fā)

4.1 主體功能

為了便于操作和實時監(jiān)控各功能單元狀態(tài)，HMI控制功能開發(fā)包括5個部分，分別是“力傳感器”、“機器人”、“操作手柄”、“液壓系統(tǒng)”以及“主軸”，如圖6所示。

4.1.1打磨力監(jiān)控

用來對打磨時與工件的接觸力進(jìn)行實時監(jiān)測，操作人員需要通過該視窗觀察打磨時力的變化趨勢，以便操作者隨時掌控接觸力的大小，便于手動模式下的操作。

4.1.2操作手柄連接

在手動操作模式下，控制上位機與手柄的連接和斷開。連接成功之后， “連接手柄”按鈕通過變色來提示，同時LED燈也變?yōu)榫G色,段開時，“斷開手柄”按鈕會變?yōu)榛疑?，同時LED燈會變?yōu)榧t色，確保斷開成功。

4.1.3液壓系統(tǒng)連接

用來控制液壓系統(tǒng)的啟停。啟動成功之后，需要將“連接液壓”按鈕會變色，同時LED燈也變色,及時給操作人員反饋連接結(jié)果，同樣，斷開時，“斷開液壓”按鈕會變?yōu)榛疑?，同時LED燈會變?yōu)榫G色，確保斷開成功。

4.1.4機器人監(jiān)控

用來控制上位機與機器人的連接，并且對機器人的位置進(jìn)行監(jiān)測，設(shè)計按鈕和顏色的變化，來顯示機器人是否和上位機連接成功或斷開成功。

4.1.5主軸控制

用來控制主軸的啟停、正反轉(zhuǎn)和主軸轉(zhuǎn)速的設(shè)置。通過按鈕的顏色來顯示主軸的正反轉(zhuǎn)。主軸的轉(zhuǎn)速可以手動輸入。同時人工需要查看打磨情況時，通過打開“主軸照明”開啟主軸照明燈。

4.2 打磨操作

打磨模式包含包括“打磨模式設(shè)置”和“手柄空間比例設(shè)置”兩部分。打磨模式包括“手動打磨”、“平面運動”、“快速平面”、“自動打磨”、“自動斜面”，如圖7所示。

4.2.1手動打磨模式設(shè)置

對齊按鈕：使機器人自動運動到工具坐標(biāo)系XY平面與基坐標(biāo)系XY平面平行的狀態(tài)。對齊成功后，通過專門的按鈕顏色變色，來顯示對齊成功。

“Z軸鎖定”：在砂輪工作的時候，為了防止誤操作造成砂輪突然過切損害系統(tǒng)，設(shè)計了“Z軸鎖定”按鈕，將機器人的Z軸鎖定，鎖定后機器人Z軸進(jìn)給將不再受平移手柄控制，只有按動手柄上的按鈕或界面上的進(jìn)給按鈕才可以控制機器人Z方向的運動。

4.2.2自動打磨模式設(shè)置

設(shè)計了自動打磨的相關(guān)參數(shù)按鈕，讓機器人按照該參數(shù)按鈕的設(shè)置進(jìn)行動作，包括打磨平面的“起始點”、“X方向”和“Y方向”、 “打磨高度”， 設(shè)定完成后點擊“確定”按鈕即可完成打磨參數(shù)設(shè)置，點擊“開始打磨”即可切換到自動打磨程序。在自動打磨過程中點擊“停止打磨”，系統(tǒng)自動切換回手動打磨模式。

4.2.3平面運動打磨模式設(shè)置

在HMI界面界面上，利用測距傳感器，通過手柄控制機器人移動到工件上方選擇3個位置，系統(tǒng)將根據(jù)這3個位置計算新的基坐標(biāo)系。生成1個平面后開始打磨，如果生成失敗需要重新設(shè)置。

4.2.4快速平面打磨模式設(shè)置

設(shè)計了一種對于規(guī)則平面快速自動打磨的功能，能夠大大提高打磨效率。啟用“計算平面”功能，系統(tǒng)將根據(jù)工具坐標(biāo)系建立機器人基坐標(biāo)系，若計算成功，“計算平面”按鈕通過變色來顯示，點擊“快速平面啟動”按鈕，程序會切換到快速平面程序，實現(xiàn)規(guī)則平面的快速高效打磨。

4.2.5自動斜面打磨模式設(shè)置

為了適應(yīng)斜面的自動打磨，設(shè)計了自動斜面打模式。在平面運動模式中設(shè)置斜面，平面生成成功后“切換”機器人到該斜面下運動，然后在傾斜的坐標(biāo)系中設(shè)置打磨高度和打磨參數(shù)，然后點擊“開始打磨”，機器人將切換到自動斜面打磨程序，此時，平移手柄控制機器人在斜面上做平移運動。

5 結(jié)語

通過對人機協(xié)作鑄件打磨控制系統(tǒng)介紹和HMI功能的說明，為打磨控制系統(tǒng)的設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)。

通過以上技術(shù)方案，完成了人機協(xié)作鑄件打磨控制系統(tǒng)的開發(fā)，項目完整安裝運行后，經(jīng)過檢測，基本滿足操作者人性化需求，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的設(shè)計目標(biāo)。此系統(tǒng)采用人機融合交互的方式，杜絕了鑄件清理打磨所產(chǎn)生的粉塵污染，提高了打磨作業(yè)效率，達(dá)到了車間無粉塵污染、無職業(yè)病工傷的目的，在節(jié)能減排的大前提下，可以實現(xiàn)工廠大幅減員增效、鑄造車間智能化綠色發(fā)展的轉(zhuǎn)型升級目標(biāo)。