簡析人機協作鑄件打磨系統的控制要求及HMI功能

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中是不可缺少的一道關鍵工序，人工處理鑄件毛坯上的澆冒口、飛邊及毛刺產生粉塵飛揚的打磨環境，對人員身體健康造成了極大危害，導致職業病預防難、作業環境差和勞動強度大，也使眾多企業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，生產效率低下，打磨質量不能保證。所以，鑄造業的產業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合的打磨控制系統將會應用而生，由于當前人機協作打磨控制系統沒有明確的控制標準及相關要求，所以本文將對該系統需要的功能和要求進行說明。

1 人機協作鑄件打磨系統簡介

一套完整的人機協作鑄件打磨系統主要是由以下控制元件組成，機器人系統、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：整個控制系統是通過工控機集中協調調度。工控機通過HMI和手柄，發送調度指令給機器人控制系統、PLC系統，PLC通過梯形圖邏輯，直接控制液壓站、砂輪、加熱器以及冷風機的動作，機器人系統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協議，傳遞給工控機，通過這些傳感器的反饋，實現對砂輪、液壓、機器人的動作協調及安全運行。

打磨前的準備工作，首先將工件裝卡在電動轉臺上，確認打磨一側的電動卷閘門的狀態，保證打磨一側，機器人、工件處于封閉空間，通風設備正常開啟；接著啟動系統總電源，確認電動轉臺打磨工件情況，進入虛擬座艙，打開外設燈光(包括艙內及打磨室燈光)，啟動機器人，啟動液壓系統，啟動打磨主軸(可選擇正反轉)；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工件的手動和自動打磨。電動轉臺由變頻電機進行控制，操作者可實現點動控制工件的角度，實現工件不同姿態的打磨。

2 人機協作鑄件打磨控制系統功能要求

由于打磨系統面臨的工件和工況種類多而復雜，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設定參數，使用操作手柄來遙控機器人進行不同方向，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，在功能方面要滿足如下要求：

(1)開關、按鈕、顯示、報警及聯鎖裝置功能應正常。

(2)操作機構各軸運動平穩、正常。

(3)打磨系統力控制功能可靠，應具有力感知裝置、力閉環控制功能、位置補償功能。

(4)測距功能準確，應具有測距裝置、位置補償功能、斜面找正功能。

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

3 打磨控制系統的軟件要求

一套打磨系統中，由多個輸出、監控、反饋和補償的閉環控制系統組成。

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：工控機調用手柄SDK進行手柄的使能、失能、初始位置標定，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工件的手動和自動打磨。電動轉臺由變頻電機進行控制，操作者可實現點動控制工件的角度，實現工件不同姿態的打磨。

程序開始時，首先對手柄進行使能操作，然后手動將手柄移動到初始位置標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系下的位置。移動手柄過程中，程序實時讀取手柄的位置，并用等比例放大的方式，將手柄的位置轉換成機器人的位置，采用擬合計算的方式，優化手柄的軌跡，并將計算出的機器人位置存入到公共點位存儲區域，方便機器人控制程序實時獲取 。

3.2 工控機與力傳感器通訊功能

力傳感器將測得的XYZ方向的力分別轉換為模擬量，對應一個受力范圍。當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，并按照線性關系轉換為力的值，從而實現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信息交換；機器人實時發送當前坐標位置，實時接收工控機發送過來的信息；工控機實時接收機器人發送過來的位置，并實時把手柄控制線程存儲到公共點位存儲區的位置，位置計算方式根據工藝選定，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，在調整打磨機的姿態時，可將XYZ的方向鎖定，只改變繞XYZ方向旋轉的坐標值。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；心跳包程序負責檢測工控機和機器人的網絡連接狀態，采用CS的網絡通訊方式，工控機作Server連接成功之后，工控機會等待接收機器人發送的時間戳，并驗證時間戳，驗證完成之后工控機發送自己的時間戳給機器人，中間出現連接斷開，則會重新進行連接。機器人控制線程負責實時獲取和發送機器人的點位。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送，接收和運動到接收到的點位位置上，之后再次開始循環。

3.4 手動打磨模式

手動模式下可以完成快速進給和手動打磨操作，快速進給時，用戶操作兩個手柄，在任意自由度內移動機器人，使工具頭快速接近工件，完成“對刀”過程。工具頭接觸工件后，鎖定轉動軸，此時用戶只能操作平移手柄完成平面內打磨操作，同時根據需要調整進給速度。機器人的Z軸進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”。控制系統將根據這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域內進行多層連續打磨。

3.6 激光位移傳感器通訊開發

激光位移傳感器將測得距離轉換為模擬量，對應一定的距離，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中讀取模擬量的數值，并按照線性關系轉換為距離，從而實現工控機與激光位移傳感器的通訊，如圖5所示。

4 打磨系統HMI控制功能開發

4.1 主體功能

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

4.1.1打磨力監控

用來對打磨時與工件的接觸力進行實時監測，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燈也變為綠色,段開時，“斷開手柄”按鈕會變為灰色，同時LED燈會變為紅色，確保斷開成功。

4.1.3液壓系統連接

用來控制液壓系統的啟停。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果，同樣，斷開時，“斷開液壓”按鈕會變為灰色，同時LED燈會變為綠色，確保斷開成功。

4.1.4機器人監控

用來控制上位機與機器人的連接，并且對機器人的位置進行監測，設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、正反轉和主軸轉速的設置。通過按鈕的顏色來顯示主軸的正反轉。主軸的轉速可以手動輸入。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“打磨模式設置”和“手柄空間比例設置”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手動打磨模式設置

對齊按鈕：使機器人自動運動到工具坐標系XY平面與基坐標系XY平面平行的狀態。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，設計了“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自動打磨模式設置

設計了自動打磨的相關參數按鈕，讓機器人按照該參數按鈕的設置進行動作，包括打磨平面的“起始點”、“X方向”和“Y方向”、 “打磨高度”， 設定完成后點擊“確定”按鈕即可完成打磨參數設置，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”，系統自動切換回手動打磨模式。

4.2.3平面運動打磨模式設置

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，系統將根據這3個位置計算新的基坐標系。生成1個平面后開始打磨，如果生成失敗需要重新設置。

4.2.4快速平面打磨模式設置

設計了一種對于規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，系統將根據工具坐標系建立機器人基坐標系，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，實現規則平面的快速高效打磨。

4.2.5自動斜面打磨模式設置

為了適應斜面的自動打磨，設計了自動斜面打模式。在平面運動模式中設置斜面，平面生成成功后“切換”機器人到該斜面下運動，然后在傾斜的坐標系中設置打磨高度和打磨參數，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 結語

通過對人機協作鑄件打磨控制系統介紹和HMI功能的說明，為打磨控制系統的設計提供技術指導。

通過以上技術方案，完成了人機協作鑄件打磨控制系統的開發，項目完整安裝運行后，經過檢測，基本滿足操作者人性化需求，實現了整個系統安全穩定運轉的設計目標。此系統采用人機融合交互的方式，杜絕了鑄件清理打磨所產生的粉塵污染，提高了打磨作業效率，達到了車間無粉塵污染、無職業病工傷的目的，在節能減排的大前提下，可以實現工廠大幅減員增效、鑄造車間智能化綠色發展的轉型升級目標。