品字型砂帶打磨工作站控制系統(tǒng)設(shè)計與研究＊

唐振宇 黃陽明 畢齊林

（①廣州航海學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，廣東 廣州 510725；②成都市鷹諾實業(yè)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518108）

隨著工業(yè)機器人技術(shù)的迅速發(fā)展，在生產(chǎn)過程中越來越多的機器人在不同的應(yīng)用場景中得到應(yīng)用。傳統(tǒng)的不銹鋼水槽的拋光打磨通常以手工拋光打磨為主，不僅生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高，且打磨的質(zhì)量不高，產(chǎn)品的均一性較差，同時存在拋光噪聲、粉塵對人體產(chǎn)生的高危害[1-2]。

與手工打磨相比，采用工業(yè)打磨機器人進行作業(yè)不僅可以促進企業(yè)完成技術(shù)轉(zhuǎn)型，緊跟工業(yè)技術(shù)水平發(fā)展的步伐，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量的同時，也可以規(guī)避用工荒，勞動力成本高等目前制造業(yè)常見的問題。在機械加工領(lǐng)域工業(yè)機器人打磨具有精度高、效率高和柔性好等優(yōu)勢，越來越多的應(yīng)用在制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)中[3]。在航空葉片、汽車以及汽車零部件生產(chǎn)，數(shù)碼產(chǎn)品以及衛(wèi)浴等加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，生產(chǎn)工藝相對成熟，而在不繡鋼水槽行業(yè)尚未建立成熟的拋光打磨體系和技術(shù)應(yīng)用。

目前，市面上的機器人工作站控制系統(tǒng)中運行與HMI（人機界面）硬件中的軟件系統(tǒng)多以組態(tài)軟件進行開發(fā)，受限于與組態(tài)軟件的功能，并不能顯示以及更改ABB機器人的運行信息，設(shè)計一個具有強數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制功能的機器人工作站控制系統(tǒng)有重大意義。

以不銹鋼水槽外側(cè)4條焊縫為作拋光打磨對象，水槽工件如圖1所示，對其拋光打磨工作流程進行分析，設(shè)計了品字型砂帶拋光打磨工作站控制系統(tǒng)，并使用RobotStudio仿真軟件以及博途軟件進行驗證[4-5]。

圖1 不銹鋼水槽

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

品字型砂帶拋光打磨工作站控制系統(tǒng)由PC、機器人控制器、龍門式砂帶打磨機控制器和上下料輔助處理單元控制器，其中龍門式砂帶打磨機控制器、上下料輔助處理單元控制器為同一個PLC，如圖2所示。工業(yè)機器人根據(jù)自由度、空間和載荷選用ABB機器人的型號為IRB 4600-45/2.05，其工作范圍為2.05 m，有效載荷為45 kg，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運動靈活等特點[6]。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成

PLC通過計算IO點數(shù)、估算用戶控制程序的存儲器容量選用西門子緊湊型PLC，其型號為S7-1512C。另外，上下料輔助處理單元主要包括上料臺以及輸送機。工業(yè)機器人工作時通過機器人控制器和PLC之間的Profinet總線控制來完成對放置在上料臺的不銹鋼水槽的運動軌跡控制以及各傳感器、電磁閥的信息處理[7]。根據(jù)工作空間和生產(chǎn)流程，品字型砂帶拋光打磨工作站的布局設(shè)計如圖3所示。其工作原理為：工作時，機器人到達指定位置夾持不銹鋼水槽，到達指定位置后執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的程序，利用龍門式砂帶打磨機對其12處打磨位置進行拋光打磨，打磨完成后，由機器人將不銹鋼水槽放置到輸送機上，輸送到下一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

圖3 工作站系統(tǒng)分布圖

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

品字型砂帶拋光工作站控制系統(tǒng)硬件主要包括機器人本體及其控制器、PLC、龍門式砂帶打磨機、電磁閥和傳感器等，其電氣硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。整個控制系統(tǒng)，以PLC和機器人控制器IRC5為控制核心，采用Profinet總線通信，完成接收和采集外部信號實現(xiàn)機器人打磨拋光工作，控制周圍配套設(shè)備的起動和停止[8]。控制系統(tǒng)硬件選型如下：

圖4 硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

（1） 機器人控制器：機器人控制器采用IRC5，控制器采用Profinet總線接口，方便PLC進行通信。該控制器具有控制精度高、可編程性好等優(yōu)點。

（2） PLC控制器：采用西門子S7-1512C緊湊型PLC，不需要再增加其他外接模塊就可以滿足本工作站的需求。PLC控制器依次通過PTO脈沖、數(shù)字量I/O、模擬量輸入來控制步進電機、電磁閥、采集傳感器數(shù)據(jù)等。

（3）上位機：采用搭載Windows系統(tǒng)的PC，運行品字型砂帶打磨工作站控制平臺，通過以太網(wǎng)結(jié)口分別與ABB機器人、西門子PLC進行通訊，實現(xiàn)工作站工藝參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)控功能。

3 上位機軟件的開發(fā)

3.1 上位機軟件的開發(fā)環(huán)境

工作站上位機軟件主要分為兩個部分：一是通過ABB公司提供的PC SDK安裝包，使用PC SDK提供的網(wǎng)絡(luò)通信，與機器人控制器建立Socket 通信（TCP/IP 協(xié)議），并通過一系列動態(tài)鏈接庫訪問機器人控制器，為ABB工業(yè)機器人IRC5控制器添加自己定制的人機界面 ；二是基于開源的S7.Net庫，通過西門子的S7以太網(wǎng)通訊協(xié)議，實現(xiàn)控制平臺與龍門式砂帶打磨機控制器、上下料輔助處理單元控制器之間的以太網(wǎng)通訊。

PC SDK資源包中的ABB.Robotics.Controllers.PC.dll（動態(tài)鏈接庫）提供了用于開發(fā)應(yīng)用程序的公共API，以便用戶對機器人控制器執(zhí)行各種操作，實現(xiàn)人機交互的目的[9]。PC SDK可以訪問的機器人控制器對象范疇如圖5所示。

圖5 PC SDK 可以訪問的機器人控制器對象范疇

S7.Net是一個基于西門子S7通訊協(xié)議的PLC驅(qū)動程序，僅適用于 Siemens PLC 和以太網(wǎng)連接。其中 S7.Net支持 S7-200，S7- 300，S7-400，S7-1200和S7-1500兼容，并通過CPU 型號、IP 地址、機架號、機槽號，共4個參數(shù)分別與對應(yīng)的PLC 完成連接。其應(yīng)用流程如圖6所示。

圖6 S7.Net應(yīng)用流程

3.2 上位機軟件的基本結(jié)構(gòu)

上位機軟件不僅具備工作站配套設(shè)備控制功能，同時集成了部分機器人控制功能。按照設(shè)備可以分為“PLC連接控制區(qū)”、“龍門式砂帶打磨機”、“主副氣缸”、“機器人系統(tǒng)”，以及“上料臺、輸送機及真空吸附夾具”，共5個功能分區(qū)。上位機軟件操作界面如圖7所示。

圖7 上位機軟件操作界面

在上位機軟件與ABB機器人、PLC三者進行聯(lián)調(diào)時，以ABB機器人控制作為主站，PLC作為從站，而作為監(jiān)測平臺，來監(jiān)測ABB機器人的運行狀態(tài)（機器人控制器裝態(tài)、運行速度、當(dāng)前位置和程序指針等等）、PLC的相關(guān)程序的執(zhí)行狀態(tài)（按鈕顯示為綠色時，即該變量為TRUE，否則為FALSE），使工作站的操作變得更為簡單。

4 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計與運行

品字型砂帶拋光打磨工作站控制系統(tǒng)的程序設(shè)計主要包括PLC程序設(shè)計和機器人程序設(shè)計。PLC作為從站，其程序的主要控制對象為龍門式砂帶打磨機、上下料單元以及真空吸附夾具。機器人控制器作為主站，其程序主要控制機器人系統(tǒng)的運行，以及I/O信號的處理。工作站控制流程如下：

（1）工作站啟動，龍門式砂帶機中的砂帶驅(qū)動電機啟動，為下面進行打磨工作做好準(zhǔn)備。

（2）判斷上料臺上的紅外傳感器檢查不銹鋼水槽是否到位。

（3）若不銹鋼水槽已經(jīng)到位，則將信號傳遞給機器人控制器，再由機器人控制發(fā)出指令，使機器人前往夾持工件，否則等待上料。

（4）待機器人夾持不銹鋼水槽之后，機器人以及龍門式砂帶打磨機打磨頭移動到相應(yīng)的位置。

（5）機器人執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的打磨程序，準(zhǔn)備依次調(diào)整好對應(yīng)的姿態(tài)，使不銹鋼水槽的打磨位置 [i]做好打磨準(zhǔn)備，其中i∈[0,11]。

（6）滑臺氣缸伸出，使焊縫（圓角）[i]與砂帶緊密貼合。

（7）龍門式砂帶打磨機步進電機執(zhí)行滑臺往復(fù)運動的程序。

（8）判斷打磨頭往復(fù)程序是否執(zhí)行完畢。

（9）若執(zhí)行完畢，則判斷i是否等于11, 否則繼續(xù)執(zhí)行往復(fù)程序。

（10）若i不等于 11，則執(zhí)行i=i+1，再依次執(zhí)行步驟（11），（12）否則直接跳躍執(zhí)行（13）。

（11）打磨頭氣缸收回。

（12）控制程序跳轉(zhuǎn)至步驟（5）。

（13）機器人將不銹鋼水槽移動到輸送機上方，做好把不銹鋼水槽放置在輸送機上的準(zhǔn)備。

（14）機器人控制器向真空吸附夾具發(fā)出松開指令，使不銹鋼水槽平穩(wěn)落到輸送機之上。

（15）輸送機上的傳感器判斷是否有不銹鋼水槽落到傳送帶上。

（16）若是，則輸送機的傳動帶將會移動，把不銹鋼水槽帶到合適的地方去。

對科爾沁沙地植物物種豐富度與生境異質(zhì)性進行一元回歸分析，結(jié)果顯示(圖4)，科爾沁沙地植物物種豐富度與海拔范圍(Elev)、年均降水量范圍(RMAP)、年均溫度范圍(RMAT)均呈極顯著正相關(guān)(P < 0.001)。

（17）機器人在復(fù)位，為打磨下一個不銹鋼水槽做好準(zhǔn)備。

（18） 控制程序跳轉(zhuǎn)至步驟（2）。

最后，根據(jù)上述所制定控制流程中的18個步驟，形成如圖8所示的控制流程圖。

圖8 工作站控制流程圖

5 工作站模擬仿真

5.1 模擬仿真總體方案

利用 RobotStudio 6.08、TIA Portal V15.1、上位機軟件完成品字型砂帶打磨工作站的模擬仿真，其目標(biāo)是驗證PLC 控制程序、機器人工作路徑、上位機控制系統(tǒng)以及打磨工序的可行性、穩(wěn)定性等關(guān)鍵因素。模擬仿真的主要內(nèi)容包括：仿真模型搭建、組件制作、仿真環(huán)境配置、機器人示教編程PLC編程、工作站控制系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，共6個方面的內(nèi)容。

5.2 工作站仿真模型搭建

進入機器人仿真軟件RobotStudio創(chuàng)建機器人及其系統(tǒng)，并把配套設(shè)備相應(yīng)的模型導(dǎo)入到新建立的項目中，最終完成仿真模型的搭建[10]。砂帶打磨工作站的總體布局，其俯視圖如圖9所示。

圖9 工作站俯視圖

5.3 工作站組件搭建

在本次仿真模擬當(dāng)中，還需要利用Smart 組件制作3個組件，一是真空吸附夾具的安裝與拆卸功能，來模擬夾具對不繡鋼水槽的夾取、松開的動作；二是不繡鋼水槽的自我復(fù)制功能，來模擬工人上料的環(huán)節(jié)；三是輸送機對不銹鋼水槽的運輸功能，來模擬輸送機將不銹鋼水槽轉(zhuǎn)運的動作。

5.4 工作站仿真環(huán)境配置

為實現(xiàn)PLC、RobotStudio和上位機三者之間的通訊，基于Net To PLCSIM軟件，將實際物理網(wǎng)卡（或者虛擬網(wǎng)卡）的IP地址映射到虛擬PLCSIM仿真IP地址中，完成IP關(guān)聯(lián)。在機器人仿真軟件RobotStudio中安裝RSConnectDIOToSnap7 插件，完成與S7-PLCSim通訊，實現(xiàn)機器人控制器與PLC的IO信號相互映射、相互關(guān)聯(lián)的目的。通過ABB的PC SDK實現(xiàn)上位機與RobotStudio之間的通信。工作站整體通訊框架如圖10所示 。

圖10 工作站通訊框架

5.5 機器人示教編程

（1）建立多個目標(biāo)點，完成路徑規(guī)劃，如圖11所示。

圖11 機器人路徑規(guī)劃

（2）在規(guī)劃好的路徑中插入邏輯指令，將各個I/O 信號配置好。

（3）將配置好的路徑同步至機器人控制器，并進行調(diào)試。

5.6 工作站控制系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

按照工作站通訊框架邏輯順序，依次打開Net To PLCSIM 軟件、博途軟件、RobotStudio 軟件以及上位機軟件，并配置好通訊環(huán)境，將機器人控制器、各個Smart組件與PLC中的輸入與輸出信號一一對應(yīng)關(guān)聯(lián)，其中PLC 輸入輸出信號I0.0、Q0.0、M0.0依次對應(yīng)機器人控制器的PLC_I00、PLC_Q0.0、PLC_M0.0，以此類推。打開上位機控制平臺，進入PLC 控制窗口，確認(rèn)機器人控制是否處在自動模式，點擊“PP TO Main”將程序指針移動至主程序，再依次點擊“上電”按鈕、“啟動”按鈕。品字型砂帶打磨工作站即按預(yù)定軌跡開始進行仿真運動，均達到預(yù)期目標(biāo)，仿真完成，調(diào)試界面如圖12所示。

圖12 工作站控制系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試界面

執(zhí)行打磨主程序，通過RobotStudio的TCP軌跡跟蹤功能以及碰撞監(jiān)控功能檢驗各個示教目標(biāo)點以及其串聯(lián)而成的路徑是否滿足工作要求，是否產(chǎn)生碰撞。若不能滿足工作要求或者產(chǎn)生碰撞則重新修改示教目標(biāo)點，再次執(zhí)行“沿著路徑運行”的命令。TCP軌跡跟蹤以及碰撞監(jiān)控結(jié)果如圖13所示，加粗黑色線表示夾具中心點的運行軌跡，若產(chǎn)生碰撞監(jiān)控則碰撞處的部件將會標(biāo)注為紅色。由圖可知整個仿真過程并沒有產(chǎn)生碰撞查，可滿足工作要求。查看仿真計時器，工作站完成一次工序步驟周期用時為120.511 s，滿足工件拋光打磨工藝需求。實際運行時，打磨效率是人工操作的3倍，整個過程工業(yè)機器人響應(yīng)迅速且工作穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)需求。

圖13 TCP 軌跡跟蹤及碰撞監(jiān)控結(jié)果

6 結(jié)語

基于項目的需要設(shè)計了以ABB工業(yè)機器人IRC5為主站，西門子PLC S7-1512C為從站，結(jié)合基于PC SDK、S7.net開發(fā)的上位機軟件的品字型砂帶拋光打磨工作站控制系統(tǒng)。并通過使用ABB機器人仿真軟件RobotStudio、西門子博途軟件、上位機軟件進行聯(lián)合仿真驗證，結(jié)果表明：（1）該工作站控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制機器人取料、下料，并協(xié)同龍門式砂帶機完成拋光、打磨等功能。（2）通過自主開發(fā)的上位機軟件可以實現(xiàn)對工作站作業(yè)進行實時監(jiān)控、調(diào)試等功能。（3）工作站控制系統(tǒng)實現(xiàn)了水槽打磨工藝的自動化生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率，為需要解決手工打磨轉(zhuǎn)型自動化的企業(yè)提供了參考。