方 騫，趙士航，唐 霞

(無錫職業(yè)技術學院機械技術學院，江蘇 無錫 214121)

汽車輪轂的生產采用鑄造工藝[1]，輪轂中間適配車型標志進行加工后常使用手工打磨，打磨過程中往往會產生毛刺[2]等，針對上述問題，大部分工廠目前采用毛刷人工修復方式，這種修復方式質量不高且效率低，同時修復過程中由于手持不穩(wěn)易打滑，極易導致操作人員受傷。2015年，我國提出智能制造戰(zhàn)略[3]。為更好地對接智能制造產業(yè)轉型升級，本文針對汽車輪轂零件的智能化打磨需求，集成了工業(yè)機器人控制技術[4]及PLC控制技術[5]等多種技術，設計了基于工業(yè)機器人的自動打磨系統(tǒng)。

1 自動化打磨工作站總體設計

工業(yè)機器人是智能制造的重要組成部分，因具有重復定位精度高等特點，被廣泛應用在智能生產線。本文涉及的自動化打磨工作站包括物料搬運機構、控制系統(tǒng)、視覺檢測單元及打磨單元4個部分，如圖1所示?？紤]到汽車輪轂零件生產過程的智能化，選擇工業(yè)機器人作為工作站系統(tǒng)物料搬運單元的執(zhí)行裝置；控制系統(tǒng)則由主控制器、機器人控制器、傳感器及電磁閥等構成，主控制器選取可操作性強、組態(tài)靈活的PLC控制器。

圖1 自動化打磨工作站系統(tǒng)構成

2 自動化打磨工作站硬件設計

自動化打磨工作站系統(tǒng)由六軸工業(yè)機器人、PLC控制器、工業(yè)相機等硬件構成，打磨單元由升降氣缸、翻轉氣缸、夾爪、傳感器及電磁閥等構成。工業(yè)機器人的上下料主要通過氣動夾爪來實現(xiàn)，同時為滿足工業(yè)機器人對不同姿態(tài)的輪轂的抓取需求和機器人對輪轂零件的自動拋光打磨需求，工業(yè)機器人六軸終端裝配了法蘭盤，并單獨配備了工具模塊，方便機器人更換、取放工具。

2.1 主要部件選型

2.1.1工業(yè)機器人選型

工業(yè)機器人通常需要接收其他設備或傳感器的信號才能完成指派的生產任務，本文研究的自動化打磨工作站在搬運汽車輪轂零件時，首先通過光電傳感器確定指定的工位上是否有料，當指定工位有料時，傳感器給機器人發(fā)送一個信號。機器人接收到這個信號后執(zhí)行相應的操作，如按照預定的軌跡開始搬運等。

本文研究的汽車輪轂零件質量為0.5 kg,輪轂半徑為60 mm，考慮到打磨工作站的整體尺寸為680 mm×680 mm，對工業(yè)機器人的工作區(qū)域要求不大，因此選用ABB公司的新型第四代機器人IRB 120，它是六自由度串聯(lián)關節(jié)桌面型工業(yè)機器人，負載3 kg,手腕設有10路集成信號源、4路集成氣源,重復定位精度為0.01 mm，便于靈活地安裝在平移滑臺上。對機器人而言，傳感器發(fā)送給機器人的信號屬于數(shù)字量的輸入信號，在ABB工業(yè)機器人中，數(shù)字量的輸入信號的接收是通過標準I/O信號板卡來完成的，為此添加ABB——DSQC652標準I/O板卡,擴展16個數(shù)字量輸入端口和16個數(shù)字量輸出端口。

2.1.2PLC選型

本文選用SIMATIC S7-1200 PLC，可完成簡單到高級的邏輯控制、人機界面(human machine interface，HMI)和網絡通信等任務。S7-1200提供一個 PROFINET 端口用于與工業(yè)機器人、其他PLC、工業(yè)相機等組網連接，還提供了各種信號模塊和信號板用于擴展CPU的能力。S7-1200的I/O口豐富，本文采用的CPU 1212C模塊，包含8路數(shù)字輸入、6路數(shù)字輸出和2路模擬信號輸入，滿足本系統(tǒng)的通信要求。

2.1.3工業(yè)相機選型

自動化打磨系統(tǒng)選用歐姆龍的圖像處理系統(tǒng)——OMRON FH L550，作為生產加工的檢測環(huán)節(jié)，支持TCP/IP通訊協(xié)議，方便與工業(yè)機器人直接進行數(shù)據傳輸；同時，有配套的光源與操作顯示器，可實時獲取輪轂的形狀、尺寸、角度、位置等參數(shù)信息。

2.2 工作站硬件布局

在硬件布局規(guī)劃上，除控制系統(tǒng)外，每一個子系統(tǒng)都需要工業(yè)機器人的配合才能完成各子系統(tǒng)的自動化功能。為了實現(xiàn)各子系統(tǒng)的功能目標，考慮系統(tǒng)間的空間立體機構，避免造成干涉、碰撞，自動化打磨工作站的硬件布局如圖2所示，滿足作業(yè)區(qū)域在工業(yè)機器人的有效工作范圍內，避免在機器人運動范圍極限位置造成奇異點等，滿足了各個子系統(tǒng)的功能要求。

圖2 打磨工作站硬件布局

3 自動化打磨工作站的通訊方式設計

本系統(tǒng)的通信主要通過工業(yè)以太網將控制系統(tǒng)與硬件連接，實現(xiàn)信息兼容和各系統(tǒng)間的數(shù)據交換，如圖3所示。PLC_1通過ProfiNet協(xié)議，以遠程I/O的方式擴展自己的I/O端口，從而與打磨模塊和工業(yè)機器人之間進行信號交互；PLC_2通過自身的I/O端口，直接與三色指示燈連接；PLC_3通過自身的I/O端口與伺服驅動器連接；工業(yè)機器人通過DeviceNet協(xié)議，利用標準板卡的I/O端口實現(xiàn)對工具的控制。PLC_1與 PLC_2之間通過S7 TCP協(xié)議進行通訊，PLC_1與PC機通過ProfiNet協(xié)議進行通訊，用于在PC中實時監(jiān)控信號。工業(yè)機器人一方面通過DeviceNet協(xié)議擴展的I/O端口分別與PLC_2和PLC_3通訊，另一方面通過TCP/IP協(xié)議與視覺檢測單元進行通訊。

圖3 打磨工作站通訊流程

4 打磨工作站軟件程序設計

4.1 PLC程序總體設計

自動化打磨系統(tǒng)的PLC程序分為主程序塊、打磨塊、伺服控制塊、三色燈控制塊及通訊塊。主程序塊負責調用打磨塊及與通訊塊，接收機器人的信號；打磨塊通過控制各個電磁閥與傳感器交互完成各種動作；伺服控制塊控制伺服電機的啟停、位置及速度；三色燈控制塊控制三色燈的亮滅，反映加工狀態(tài)，及時報告故障；通訊塊負責與機器人通訊，獲取當前加工狀態(tài)。

4.1.1I/O信號配置及連接

打磨工作站各模塊設計完成后，需通過配置I/O實現(xiàn)PLC、工業(yè)機器人、伺服傳送機構、打磨組件和傳感器等設備的無縫連接。遠程I/O輸入模塊負責連接工位的檢測信號、夾具動作信號、翻轉動作信號、升降到位信號等，作為PLC的輸入信號；遠程I/O輸出模塊連接打磨工位夾緊氣缸、旋轉工位旋轉氣缸、吹屑工位吹氣電磁閥，作為PLC的輸出信號，實現(xiàn)利用傳感器、按鈕等通過PLC控制氣缸、電磁閥、伺服的動作。自動化打磨工作站控制系統(tǒng)I/O硬件連接如圖4所示。

4.1.2PLC打磨塊程序設計

打磨塊程序主要分成打磨部分及翻轉部分。

圖4 自動化打磨工作站控制系統(tǒng)I/O硬件連接

PLC打磨部分程序需要實現(xiàn)接收工業(yè)機器人的請求打磨信號，檢測當前輪轂零件位于打磨位還是旋轉位，通過工位上的夾具將輪轂固定，告知機器人準許打磨。PLC翻轉部分程序需要實現(xiàn)接收機器人信號，使翻轉工裝夾持輪轂從打磨(旋轉)位翻轉到旋轉(打磨)位，同時通過機器人信號復位打磨子系統(tǒng)的電磁閥，打磨單元函數(shù)塊編程思路如圖5所示。

圖5 打磨單元函數(shù)塊編程思路

4.2 工業(yè)機器人程序設計

將工業(yè)機器人的程序分解成：將輪轂零件放于打磨位或旋轉位上；從打磨位或旋轉位取輪轂零件；將輪轂零件放置于視覺檢測位；對打磨加工區(qū)域進行打磨。工業(yè)機器人打磨程序流程圖如圖6所示。

5 自動化打磨工作站調試

自動化打磨工作站設備主體是由底座、鋁框及亞克力板組成，不僅降低了打磨噪聲，而且改善了打磨工作環(huán)境。設備整體配備顯示屏來運行顯示上位機程序；配備三色指示燈用于提醒及警示設備的實時運行狀況；配備主電路開關按鈕及急停按鈕用于處理緊急事故，實現(xiàn)機器人夾取輪轂檢測與打磨拋光的自動化生產過程。打磨工作站系統(tǒng)搭建完成后，需不斷調試優(yōu)化，包括：優(yōu)化機器人的程序及路徑軌跡、 PLC 控制程序，使設備運行更加流暢安全；優(yōu)化打磨的軌跡，使打磨出來的零件更符合企業(yè)規(guī)定要求，優(yōu)化打磨方式與打磨路線，使打磨效率更高；不斷排除設備運行時出現(xiàn)的故障，確保設備運行穩(wěn)定，優(yōu)化設備操作步驟，使企業(yè)工作人員能在短時間內熟練操作設備及故障的檢測與排除。經過企業(yè)的實際投放使用，設備的打磨效率為人工打磨的3～4倍，且設備打磨一致性更好，可長時間穩(wěn)定運行。

圖6 工業(yè)機器人打磨程序流程圖

6 結束語

自動化打磨工作站完成了PLC程序控制實現(xiàn)輪轂零件的自動翻轉和打磨，以及工業(yè)機器人、PLC、視覺檢測工位數(shù)據交換，為智能制造中零件的自動化打磨提供了新的見解，未來可繼續(xù)優(yōu)化該方案，如通過安裝更加先進的視覺傳感器輔助工業(yè)機器人的定位打磨，加裝輔助機器人完成上下料操作，減少工業(yè)機器人的移動，實現(xiàn)更復雜的智能化打磨工序，進一步提高打磨效率等。