自動打磨機器人實驗裝置的設計

石 昊，李慶章

(1.山西工程技術學院 電氣工程實驗教學中心，山西 陽泉 045000； 2.陽泉華越八達礦用電氣制造有限公司，山西 陽泉 045000)

0 引 言

新工科是在新科技革命、新產業革命、新經濟背景下工程教育改革的重大戰略選擇，是今后我國工程教育發展的新思維、新方式。新工科反映了未來工程教育的形態，是與時俱進的創新型工程教育方案，需要新的建設途徑，新工科背景下，地方應用型本科高校應面向未來，培養多元化、創新型卓越工程人才[1]。實驗教學儀器設備是高校建設“新工科”的硬件基礎，實驗教學儀器設備的建設情況會直接影響到實驗實踐課程教學效果，地方高校的實驗室應積極探索適合本學校的實驗教學儀器設備建設路徑[2]。

目前，地方高校在實驗教學儀器設備建設方面存在的主要問題有：① 被動選擇廠家儀器設備，與學校實際教學情況契合度不足；② 實驗設備之間關聯度低，導致相關課程與課程、專業與專業之間的融合度和協調性不足；③ 實驗設備的靈活性和可擴展性不足，不利于學生創新創造能力的培養。這些問題的存在制約了實驗實踐教學改革，延緩了學校建設“新工科”的步伐[3-4]。“新工科”背景下的實驗教學儀器設備，應該是既能滿足專業課程的實驗需求，又要與實際生產相結合，融合本專業多門課程甚至跨專業相關課程的理論知識，適宜踐行CDIO教學模式，適宜實施以學生為主導的探索式學習模式的實驗裝置。基于上述理念，本文所在實驗室針對電氣工程及其自動化專業設計開發了一套自動打磨機器人實驗裝置[5-6]。

1 實驗裝置的功能和構成

打磨工藝是現代制造業生產和維護產品時常用的一種加工手段，本文的自動打磨機器人實驗裝置結合了數控機床技術和工業機器人技術，可以模擬實現對打磨對象表面打磨的過程。自動打磨機器人實物如圖1所示，裝置采用了笛卡爾坐標系龍門架結構，該結構可以從頂部靠近打磨對象，能夠提供更大的操作空間，有利于控制實驗裝置的體積[7]。

圖1 自動打磨機器人實物圖

自動打磨機器人系統結構框圖如圖2所示。本實驗裝置采用了分散控制的方式[8]，以PLC和單片機為主要控制設備，兩個控制器之間利用Modbus RTU協議通信，以觸摸屏作為人機界面，實現對自動打磨機器人的操作。執行機構包括X、Y、Z軸3條直線導軌，夾持固定機構和二軸打磨機械臂[9]三部分。X軸導軌固定在龍門架底部基座上;Y軸導軌固定在龍門架頂部;Z軸導軌固定在Y軸導軌的滑塊上。夾持固定機構固定在X軸的滑塊上，二軸打磨機械臂固定在Z軸的滑塊上。

圖2 系統結構框圖

2 實驗裝置設計

2.1 硬件設計

(1) 控制系統。自動打磨機器人控制系統原理圖如圖3所示，其中PLC選用西門子S7-1200系列的產品，包括一個1214C型CPU模塊、一個SB1222型數字量輸出信號板和一個CM1241型RS-422/485通信模塊。選用MOSFET場效應晶體管輸出型CPU，數字量輸入輸出接口分別有14個和10個，有1個Profinet以太網端口[10]。單片機選用的是Arduino UNO開發板，具有14個數字量引腳和6個模擬量輸入引腳，其中6個數字量引腳可以輸出8位PWM脈沖，支持UART、USB、TWI、SPI等多種通信方式[11-12]。西門子PLC主要控制X、Y、Z軸3條直線導軌的運動軌跡，Arduino單片機負責控制夾持固定機構和二軸打磨機械臂。

(2) 執行機構。夾持固定機構用來固定打磨對象，包括一個機械夾和一個用來幫助打磨對象歸位的部件，機械夾上裝有漫反射型光電傳感器，機械夾由可以反饋扭力的總線舵機驅動，歸位部件由PWM舵機驅動。二軸打磨機械臂末端固定著打磨電動機，打磨電動機采用直流無刷電機，內置驅動，可以調節轉速和轉向，打磨電動機帶動打磨頭轉動實現打磨動作。打磨電動機旁固定了一個接近傳感器，用來確定打磨頭與打磨對象之間的距離。二軸機械臂由兩個PWM舵機驅動，可以調整打磨電動機的姿態。X軸直線導軌滑臺帶動夾持固定機構移動，可以調整打磨對象的位置，Y軸直線導軌滑臺帶動Z軸移動，Z軸直線導軌滑臺帶動二軸打磨機械臂移動，Y軸和Z軸直線導軌的運動決定了二軸打磨機械臂的空間位置。X、Y、Z軸三條直線導軌由3臺步進電動機驅動。

圖3 控制系統原理圖

2.2 程序設計

系統運行總流程圖如圖4所示，自動打磨機器人開機后會自動回歸原位，然后在觸摸屏上選擇工作模式，有自動和手動兩種模式。如果選擇自動模式，裝置會按照程序預設的方案自動完成打磨過程，受硬件條件限制，可以實現對打磨對象的頂部、正面和一個側面的打磨；如果選擇手動模式，先按照需要修改打磨參數，然后再按工藝流程完成打磨動作。

圖4 總流程圖

(1) PLC控制程序。西門子S7-1200系列PLC的程序編輯軟件是TIA 博途軟件平臺下的STEP 7編程軟件，利用軟件中的“軸”工藝對象功能和相關運動指令，可以方便地實現運動控制任務。本文實驗裝置在程序里添加了3個“軸”工藝對象，分別對應了X、Y、Z軸直線導軌，設置好參數之后就可以用相關運動指令控制直線導軌的運動，程序流程圖如圖5所示。PLC接收到由Arduino單片機傳輸的打磨對象已經固定完畢的信號后，X軸滑臺將打磨對象運送至打磨區域，Y和Z軸共同動作移動打磨機械臂，直到機械臂末端固定的打磨頭與打磨對象接觸后停止動作。然后X、Y、Z軸共同動作，使打磨頭按照預設打磨軌跡運動，打磨動作完成后，X、Y、Z軸各自回到原位，等待下一次動作。

圖5 PLC程序流程圖

(2) Arduino控制程序。Arduino UNO單片機編程使用的是Arduino IDE軟件，主程序采用的是循環執行方式，編程語言以C++語言為基礎。由于單片機需要同時與PLC和驅動機械夾的總線舵機進行通信，所以利用SoftwareSerial庫函數定義引腳12和13為軟串口，硬件串口引腳1和0負責與PLC通信，軟串口引腳12和13負責與總線舵機通信，具體程序流程圖如圖6所示。固定夾持機構的光電傳感器檢測到打磨對象后，歸位部件動作，使打磨對象貼緊機械夾根部，然后機械夾夾緊打磨對象，當驅動機械夾的總線舵機扭力輸出達到設定值時，保持設定扭力輸出，同時歸位部件復位，并向PLC發出打磨對象已經固定完畢的信號。之后，Arduino單片機按照設定的打磨方式調整二軸打磨機械臂的姿態，同時PLC控制的X、Y、Z軸直線導軌運動，使打磨頭與打磨對象接觸，并向Arduino單片發送打磨頭就位信號。接收到打磨頭就位信號后，Arduino單片機啟動打磨電動機，按照設定好的速度和方向轉動，配合X、Y、Z軸直線導軌的運動完成打磨動作。打磨動作完成則停止打磨電動機，同時二軸打磨機械臂回歸原位，X軸滑臺回到原位后，機械夾放松，等待下一次動作。

圖6 Arduino程序流程圖

(3) 觸摸屏程序。實驗裝置人機界面使用的是凌控公司的LC070SL型7寸觸摸屏，通過以太網端口利用Modbus TCP協議與PLC通信。凌控觸摸屏使用ArgusSoft組態軟件進行界面開發，針對自動打磨機器人的操控開發了4個窗口界面，分別是主界面、自動模式界面、手動模式界面和參數設置界面，觸摸屏開機時首先顯示主界面，在開始工作之前，可以通過參數設置界面修改預設的打磨參數，然后按照需要選擇進入自動模式界面或者手動模式界面，進行對應模式的操作。

3 實驗裝置在教學中的應用

自動打磨機器人實驗裝置，以培養創新型卓越工程技術人才為目標而開發的實驗裝置[13]，裝置主控制器包括PLC和單片機，需掌握3種編程軟件及梯形圖和C++編程語言，運用了TCP/IP，Modbus TCP，Modbus RTU，UART，WiFi等多種通信方式，應用了舵機、步進電動機，直流電動機等多種電動機，體現了學科交叉和課程融合的理念。制定實驗項目時，充分發揮了自制實驗儀器設備可以一切圍繞教學的優勢，以工程項目設計過程為導向，制定了基礎型、應用型、綜合設計型和拓展創新型4個層次的實驗項目，具體實驗項目見圖7。4個層次的實驗項目由簡單到復雜、由基礎到綜合，有利于引導學生由被動學習轉變為主動探索，循序漸進地培養學生的開拓創新意識和工程實踐能力，充分挖掘學生的學習潛力[14-15]。

圖7 基于自動打磨機器人的實驗項目

4 結 語

地方高校建設“新工科”對學校實驗教學儀器設備建設提出了更高的要求，尤其是對于處在傳統資源型經濟區域的地方高校，實驗教學儀器設備建設理念和途徑都需要革新。自制實驗教學儀器設備能夠充分考慮學校實際情況，為本校專業量體裁衣、量身定制，本文設計制作的自動打磨機器人實驗裝置正是“新工科”背景下實驗教學儀器設備建設的一種嘗試，是實驗室為更好地服務地方高校培養應用型人才、建設“新工科”而進行的積極探索。