王文華　戴熙禮　馬金琦

關(guān)鍵詞： 高錳鋼轍叉 復(fù)雜型面 控制系統(tǒng) 自適應(yīng)打磨

中圖分類號： TP39;TH188 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2024）01-0090-05

高錳鋼轍叉屬于大型鑄造件，是用于車輪由一股鋼軌越過另一股鋼軌的設(shè)備。胡玉堂等人［1］研究分析，焊補后的打磨處理是其生產(chǎn)中必不可少的工藝過程；楊逸航等人［2］研究鋼軌打磨可優(yōu)化列車與鋼軌的接觸關(guān)系，改善鋼軌的橫向穩(wěn)定性?，F(xiàn)打磨加工多采用基于力控功能［3］或視覺補償［4］的打磨機器人對小型且規(guī)則零部件進行自動加工。對于大型鑄造件的打磨，張東森［5］對打磨機器人用于鑄件生產(chǎn)的應(yīng)用情況進行分析展望。鑄件自動打磨生產(chǎn)可提高生產(chǎn)效率及質(zhì)量［6-7］，但其控制系統(tǒng)較為簡單，只適用于表面簡單、尺寸偏差小的工件打磨。

高錳鋼轍叉工件具有復(fù)雜型面、尺寸偏差大、單個型號批量小的特點，且打磨部位及種類多，其中以50-9-VI 為代表型號，打磨位置有20 處。如果所有轍叉采用固定打磨路徑，勢必存在不適應(yīng)、效率低的問題。

針對以上問題，開發(fā)高錳鋼轍叉自動打磨生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，替代人工完成打磨作業(yè)，既減小勞動強度，提高打磨質(zhì)量，又可以提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和提高安全性，具有可觀的經(jīng)濟效益和示范效益。

1 打磨生產(chǎn)線簡介

產(chǎn)線布局主要由六軸工業(yè)機器人、伺服滑臺、視覺相機、電氣柜、滾筒輸送線、浮動打磨執(zhí)行器和工控機等組成（如圖1 所示）。兩套工業(yè)機器人、伺服滑臺布置在輸送線兩側(cè)，兩套視覺相機和浮動打磨頭分別固定安裝在機器人第六軸末端。系統(tǒng)運行時，工業(yè)機器人以及伺服滑臺配合運動，搭載視覺相機檢測工件。機器人末端的浮動打磨頭對工件進行恒力打磨。工控機和電氣柜布置在打磨工房外，實現(xiàn)對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及監(jiān)控功能。

自動打磨主要工藝流程圖如圖2 所示。打磨前，滾筒輸送線系統(tǒng)完成工件的自動進料輸送、自動定位；再通過視覺識別系統(tǒng)的引導(dǎo)，對工件型號和位置偏差量做出判斷，調(diào)用不同的打磨程序并進行位置修正補償；打磨完成后，通過視覺識別系統(tǒng)對打磨位置進行質(zhì)量檢測，判斷打磨效果是否滿足生產(chǎn)要求；若未滿足生產(chǎn)要求，則重新對未合格的區(qū)域進行打磨，直至滿足打磨質(zhì)量，方可通過滾筒輸送系統(tǒng)自動輸送出料。

2 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件方案

高錳鋼轍叉自動打磨生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件主要包括打磨生產(chǎn)線PLC、打磨機器人、觸摸屏、刀具庫PLC、電磁閥、限位傳感器、視覺相機、上位機等，其中電氣控制系統(tǒng)設(shè)計如圖3 所示。

以生產(chǎn)線系統(tǒng)PLC 為核心，與上位機、機器人控制器、視覺相機、浮動打磨頭系統(tǒng)PLC、觸摸屏進行數(shù)據(jù)交互，通過傳感器、上位機、觸摸屏、機器人控制器等輸入信息。在系統(tǒng)PLC 進行邏輯計算并向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送指令，控制工業(yè)機器人、恒力執(zhí)行器、電主軸、滾筒輸送線變頻器等多個裝置協(xié)同工作。

2.1.1 系統(tǒng)PLC 控制器

打磨生產(chǎn)線的工作環(huán)境惡劣，產(chǎn)線系統(tǒng)PLC 控制器需與多個分系統(tǒng)進行信號交互且系統(tǒng)復(fù)雜，對控制器存儲要求和響應(yīng)速度要求高。為滿足系統(tǒng)與生產(chǎn)線的要求，故采用型號為西門子1512C。該型號控制器與觸摸屏端、工業(yè)機器人控制器、打磨頭系統(tǒng)控制器采用Profinet 通信。

2.1.2 浮動打磨頭控制器

浮動打磨頭系統(tǒng)控制器主要控制電主軸轉(zhuǎn)速、恒力執(zhí)行器力度、刀具自動切換以及采集恒力執(zhí)行器打磨狀態(tài)信息，采用型號為西門子1215C。

2.1.3 視覺相機

視覺相機安裝在機器人末端，通過機器人的運動對工件表面垂直向下發(fā)射激光進行檢測，獲取工件截面的2D 點云數(shù)據(jù)。視覺相機型號為基恩士LJ-8900，線激光檢測區(qū)域720 mm，檢測深度980 mm，水平分辨率0.25 mm，深度分辨率0.3 mm。

2.1.4 上位機

上位機主要計算視覺相機采集的2D 點云數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)及計算結(jié)果顯示在界面上，以及傳輸至機器人和系統(tǒng)PLC 中。上位機采用研華工業(yè)級電腦，型號為MIC-7700H-08BD。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

當(dāng)工件被輸送至打磨位置時，PLC 發(fā)出指令鎖定工件位置，機器人帶動末端的視覺相機對工件進行檢測，得出工件型號及偏差，下發(fā)至機器人中調(diào)用程序和修正打磨路徑。打磨執(zhí)行前，系統(tǒng)換刀完成后再開始執(zhí)行打磨工作。打磨過程中，實時控制恒力執(zhí)行器、電主軸對工件執(zhí)行恒力打磨。打磨完成后，視覺相機對打磨位置自動檢測，判定打磨質(zhì)量是否滿足預(yù)設(shè)要求，如未滿足，機器人對未滿足的打磨位置再次打磨，直至滿足打磨要求為止。

2.2.1 系統(tǒng)PLC 及觸摸屏程序設(shè)計

PLC 控制程序設(shè)計主要包含自動控制與手動控制功能。其中手動控制主要用于設(shè)備調(diào)試及檢修，可對生產(chǎn)線單個部分進行手動控制；自動控制功能主要是對打磨生產(chǎn)線的整體控制，主要控制內(nèi)容如圖4 所示。

采用觸摸屏編程軟件對觸摸屏界面進行設(shè)計，主界面包含機器人、磨具庫、輸送線控制、報警等界面，可監(jiān)控自動打磨流程狀態(tài)、機器人作業(yè)情況、視覺相機系統(tǒng)反饋偏移量、上位機反饋參數(shù)、浮動打磨運行參數(shù)、線體運行參數(shù)、傳感器狀態(tài)等。工作人員也可通過觸摸屏界面對設(shè)備進行手動控制。

2.2.2 浮動打磨控制

在打磨過程中，浮動打磨系統(tǒng) PLC 收到浮動打磨頭反饋的信息（主軸號、磨具號、受力方向、力控數(shù)、速度）進行分析與處理后，根據(jù)工作需要對末端工具進行實時的、精確的重力補償和受力補償。根據(jù)工件接觸表面的輪廓特征進行實時的自適應(yīng)伸縮，使工具頭與工件之間保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，從而形成均質(zhì)的打磨效果。

2.2.3 工件檢測

打磨前對工件進行整體檢測，同時結(jié)合激光檢測數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)程序，機器人對打磨路徑自動補償；打磨后對自動打磨位置進行質(zhì)量檢測，判斷打磨效果是否滿足生產(chǎn)要求。這就形成了“工件識別—打磨—質(zhì)量檢測”的閉環(huán)智能控制模式。

（1）打磨前工件定位。

當(dāng)轍叉進入工作區(qū)域后，首先通過視覺系統(tǒng)獲取加工前工件的整體點云數(shù)據(jù)。采用高斯濾波對點云數(shù)據(jù)進行處理，識別出撤叉標志、鑄造碼，確認產(chǎn)品來料的具體型號，機器人會調(diào)用不同的檢測與打磨程序。其次檢測整體工件，運用Harris 關(guān)鍵點提取算法識別工件差異性，對工件進行粗定位。再根據(jù)工件上特征的一致性進行視覺識別二次定位，如圖5 所示，計算出實際工件與基準工件的偏差值，引導(dǎo)機器人自動補償打磨路徑。

（2）打磨后質(zhì)量識別。

打磨結(jié)束后，視覺相機檢測自動打磨區(qū)域，采用中值濾波法計算出工件表面余高數(shù)據(jù)，判斷打磨質(zhì)量是否滿足設(shè)定要求。若不滿足要求，則計算打磨質(zhì)量與目標打磨質(zhì)量的差值，重新對該區(qū)域進行補償打磨。同時，視覺檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過可視化呈現(xiàn)在屏幕上，如圖6所示，為工作人員直觀判斷打磨質(zhì)量提供視像參考。

3 應(yīng)用與結(jié)果分析

高錳鋼轍叉自動打磨生產(chǎn)線應(yīng)用于中國鐵建重工道岔分公司大批量高錳鋼轍叉打磨生產(chǎn)?，F(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)用如圖7、圖8所示，浮動打磨系統(tǒng)的力控誤差為±1 N，位置誤差為±0.1 mm。

自動打磨后質(zhì)量效果滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求，打磨質(zhì)量優(yōu)于人工打磨質(zhì)量（如圖9 所示），一次打磨合格率大于90%。生產(chǎn)線系統(tǒng)運行穩(wěn)定，產(chǎn)出節(jié)拍≤70 min/根，并大幅減少高錳鋼轍叉生產(chǎn)過程中的粉塵和噪音排放。自動打磨能夠滿足于高錳鋼轍叉飛邊、毛刺、焊瘤、非機加工面黏砂、氧化皮、倒角、圓角的自動打磨、拋光、去毛刺等自動作業(yè)需求。對于常規(guī)單開轍叉型號為50-7-Ⅲ工件，自動打磨表面積覆蓋占比80% 以上；對于大鈍銳角轍叉50-3.5R-Ⅱ工件，自動打磨表面積覆蓋占比70%以上。

4 結(jié)語

針對高錳鋼轍叉工件因打磨面結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導(dǎo)致的人工打磨勞動強度大、打磨難度大、打磨不徹底等問題，設(shè)計了高錳鋼轍叉自動打磨生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，并在中國鐵建重工道岔分公司開展首次應(yīng)用。實現(xiàn)了高錳鋼轍叉工件的上下料自動輸送、自動識別及定位、自適應(yīng)打磨、打磨質(zhì)量自動評定等功能，解決了人工打磨存在的勞動強度大、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，提高了打磨質(zhì)量與效率，并完成了基于視覺檢測的工件識別及質(zhì)量檢測系統(tǒng)創(chuàng)建，形成了“工件識別—打磨—質(zhì)量檢測”閉環(huán)智能控制模式。保證了復(fù)雜型面工件打磨路徑的準確性與打磨質(zhì)量的可靠性，實現(xiàn)了尺寸偏差較大、型號多、表面變化復(fù)雜工件的自適應(yīng)打磨，極大地拓展了工業(yè)機器人打磨應(yīng)用場景，同時改善了操作工人的勞動強度及工作環(huán)境，解決了粉塵和噪聲污染問題。