林少丹, 傅高升

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福建福州 350007;2.福州大學(xué),福建福州 350001）

0 引言

傳統(tǒng)的水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品拋光通常由手工完成,這樣就造成了生產(chǎn)效率比較低以及產(chǎn)品表面質(zhì)量難以保證的問題,同時也提高了生產(chǎn)成本。從精益生產(chǎn)的理念分析,作為一種新興的制造技術(shù),柔性制造在水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品生產(chǎn)中占有重要的地位。所謂柔性生產(chǎn)即通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人員組織、運作方式和市場營銷等方面的改革,使生產(chǎn)系統(tǒng)能對市場需求變化作出快速的適應(yīng),同時消除冗余無用的損耗,力求企業(yè)獲得更大的效益[1]。計算機控制及自動化生產(chǎn)技術(shù)是柔性生產(chǎn)的技術(shù)基礎(chǔ)。例如柔性制造系統(tǒng)是以統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)和自動物料儲運系統(tǒng)連接起來的一組加工設(shè)備,能在不停機的情況下實現(xiàn)多品種工件的加工,并具有一定管理功能[2]。介紹由瑞士ABB公司制造的IRC5機器人控制系統(tǒng)及磨拋系統(tǒng)與磨拋工藝有機結(jié)合構(gòu)成的一種柔性加工系統(tǒng)。

1 主要開發(fā)思路

目前國內(nèi)外復(fù)雜幾何形狀工件（如衛(wèi)浴水龍頭、航空發(fā)動機葉片、人體關(guān)節(jié)等）的磨削拋光工藝一般只能采用手工作業(yè),不僅存在加工效率低、產(chǎn)品一致性差、精度不高、生產(chǎn)人員工作環(huán)境惡劣等弊端。同時,管理成本較高。課題研究開發(fā)的工業(yè)機器人自動磨拋系統(tǒng)（用于砂拋）主要由六自由度工業(yè)機器人（機械手）、磨削拋光設(shè)備、力反饋控制系統(tǒng)、離線編程軟件、校準裝置、在線控制系統(tǒng)等組成,覆蓋了磨削拋光工藝的各個方面,先進的技術(shù)使系統(tǒng)能夠處理各種復(fù)雜形狀的工件,并且保證了工件的加工質(zhì)量和產(chǎn)品的一致性。

工業(yè)機器人自動磨拋中心集離線編程、生產(chǎn)、檢測等于一體,可以極大地改善工人的工作條件、提高生產(chǎn)效率和成品率。同時利用安裝在磨削拋光設(shè)備上的力反饋自適應(yīng)系統(tǒng),實時地反饋加工時的受力狀態(tài),使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)均勻磨削,從而提高了被加工表面質(zhì)量的一致性,實現(xiàn)復(fù)雜形狀工件磨削拋光的自動化。

2 工業(yè)機器人自動磨拋系統(tǒng)基本構(gòu)成

圖1 工業(yè)機器人自動磨拋系統(tǒng)組成

工業(yè)機器人自動磨拋系統(tǒng)（用于砂拋）硬件部分主要由4臺拋光機、1套拋光機控制柜、1臺ABB公司IRB 4400-60/1.96六自由度工業(yè)機器人、1套機器人控制器、1套工件臺5個部分組成（如圖1所示）。

3 工業(yè)機器人自動磨拋控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的工作原理:通過HMI輸入需要控制的參量,同時顯示必要的數(shù)據(jù),PLC、變頻器、機器人依靠DeviceNet現(xiàn)場總線完成控制過程的數(shù)據(jù)交換并按照固定的數(shù)學(xué)模型完成砂拋動作;I/O完成對系統(tǒng)中的開關(guān)量等的輸入和輸出,實現(xiàn)控制和狀態(tài)檢測。

3.1 DeviceNet現(xiàn)場總線

DeviceNet是由美國Rockwell公司在CAN基礎(chǔ)上推出的一種低成本的通信協(xié)議,通常采用一種低端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。將基本工業(yè)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò),從而避免了昂貴和繁瑣的硬接線。DeviceNet網(wǎng)絡(luò)最大可以操作64個節(jié)點,可用的通訊波特率分別為125kbps、250kbps和500kbps 3種。設(shè)備可由DeviceNet總線供電（最大總電流8A）或使用獨立電源供電。DeviceNet協(xié)議制定規(guī)范來確定每個DeviceNet節(jié)點數(shù)據(jù)幀標識的分配,其中對于應(yīng)用極為普遍的M/S網(wǎng)絡(luò),DeviceNet協(xié)議制定了一套預(yù)先定義好的CAN數(shù)據(jù)幀的標識分配方案[3]。

3.2 通訊模式選擇

機器人在磨拋過程中必定要與磨拋機、工件臺相互配合,各個子系統(tǒng)間的通訊都是依靠DeviceNet系統(tǒng)總線進行。系統(tǒng)中采用DeviceNet協(xié)議的作用是在工業(yè)機器人及磨拋機控制器之間進行數(shù)據(jù)交換。因此,這種通信是基于面向連接的（點對點或多點傳送）通訊模型建立。這樣,DeviceNet既可以工作在主從模式,也可以工作在多主模式[4]。

在設(shè)置機器人與DeviceNet通信的方式上,系統(tǒng)提供了3種方式:VIRTUAL、SN-MASTER、SN-SLAVE。

在VIRTUAL方式下接口板也使用虛擬,虛擬表示為系統(tǒng)自帶的總線和IO單元,并沒有使用系統(tǒng)的擴展IO板,如D652板。系統(tǒng)將提供虛擬的IO單元的（輸入和輸出）映射區(qū)間為[0,511],也就是說有512個IO單元。但是,在該模式下各子系統(tǒng)無法與機器人正常通信。該模式提供試驗所用。

通常機器人與總線（Devicenet）工作模式要選擇SN-SLAVE。在這種模式下測出IO單元數(shù),輸入單元區(qū)間[0,63],輸出單元區(qū)間[0,63],也就是說輸入輸出各提供了64個單元。對于機器人說,輸入相對機器人而言是機器人發(fā)送信號給PLC,輸出相對機器人而言是PLC發(fā)送信號給機器人。

3.3 EIO單元配置

機器人系統(tǒng)主要IO單元配置如表1和表2所示。

表1 機器人輸入單元主要配置表

表2 機器人輸出單元主要配置表

整個磨拋系統(tǒng)將由以上IO信號控制,如果沒有正確的IO信號,磨拋系統(tǒng)無法正常工作。因此IO信號的確定在系統(tǒng)開發(fā)的過程中將起到極其重要的作用。

4 RAPID編程與系統(tǒng)軟件控制

4.1 RAPID語言

通常RAPID應(yīng)用程序是由3個不同部分組成:一個主程序;幾個子程序,或稱為例行程序;程序數(shù)據(jù)。除此之外,程序存儲器還包含系統(tǒng)模塊。USER模塊和BASE模塊在機器人冷啟動后自動生成。

機器人控制程序包括一系列指令,其中描述了機器人工作的各種指令,如控制機器臂移動或者一個設(shè)置輸出等。RAPID指令一般都有相關(guān)參數(shù)的定義,并在指令中有一個特定的位置設(shè)置。

4.2 磨拋系統(tǒng)與示教編程

整個磨拋系統(tǒng)程序由4部分組成:系統(tǒng)相關(guān)坐標及變量定義;系統(tǒng)初始化;磨拋控制;系統(tǒng)報警復(fù)位。各部分間的通信由預(yù)先定義好的輸入輸出信號控制。

各部分間指令主要通過在線示教編程得到。

示教就是通過手動操作機器人的示教器從而控制機器人在規(guī)定工藝運動軌跡上運行,在運動過程中取得軌跡上經(jīng)過的每點坐標。示教取坐標的過程與磨拋工藝水平高低密切相關(guān)。示教取得的軌跡坐標點的多少將是影響工藝水平的重要因素。實施示教是通過操控示教器控制機器人,因此,必須先熟練掌握機器人各軸的移動。

控制機器人各軸移動首先必須對軸的順序進行識別。以ABB IRB 4400機器人為例,它是一臺6軸機器人。其中1～3軸從控制按鈕的方向來分,水平方向是No1軸;垂直方向是No2軸;旋轉(zhuǎn)方向No3軸。4～6軸從按鈕的方向來分:水平方向是No4軸;垂直方向是No5軸;旋轉(zhuǎn)方向是No6軸[5]。

在線示教取得磨拋軌跡坐標點的數(shù)量將決定自動磨拋系統(tǒng)的工藝水平。在自動磨拋系統(tǒng)中基礎(chǔ)坐標有:工件坐標與工具坐標。工具坐標和工件坐標必須在示教磨拋軌跡坐標前準確設(shè)定好。從而保證后續(xù)示教工作順利進行。

獲取工具坐標需要通過輔助工裝配合。工具坐標分別有機器臂中心點。確認了機器臂中心點后改變機器臂中心點的z軸方向的值便可得到其他工具坐標點（由于 x軸和y軸坐標固定不變）。同樣得到的工具坐標還有工件左中心點,工件右中心點,工件上中心點和工件下中心點。

工件坐標指取在磨拋機砂輪上的坐標。系統(tǒng)有4臺帶砂輪拋光機,與輔助工裝配合取得4個工件坐標。以上所述示教所取磨拋軌跡坐標Rapid指令相結(jié)合生成控制機器人移動指令從而實現(xiàn)整個自動磨拋系統(tǒng)工藝。

取得工件與工具坐標后,便可開展取磨拋軌跡坐標點的工作。這個過程主要分為以下5個步驟:

（1）使機器人復(fù)位,磨拋機復(fù)位,工件放入工件臺。

（2）打開示教器上程序編輯器,在編輯器中新建一條Move指令如:Movel,Movej等,控制機器臂移動到工件臺夾起工件,點擊示教器上“修改位置”按鍵,從而得到與工件臺上工件的坐標相結(jié)合的一條指令。

（3）將機器臂移動到拋光機上,結(jié)合工藝指定目標位置。點擊示教器上“修改位置”按鍵,從而得到與磨拋軌跡坐標點相結(jié)合的一條指令。

（4）調(diào)低機器臂移動速度,重復(fù)第（2）步,進行不同軌跡點的示教,并取得磨拋指令。

（5）周而復(fù)始,通過控制機器臂不斷調(diào)整坐標位置,從而取得最精確的磨拋軌跡坐標以及生成一系列工件磨拋指令集。

5 結(jié)束語

提出了一種基于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通過主從通訊控制,以1臺ABB IRB 4400工業(yè)機器人與4臺砂輪拋光機構(gòu)成的工業(yè)機器人自動磨拋系統(tǒng)。由于水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品表面拋光質(zhì)量要求較高,因此,示教取得拋光軌跡坐標是一個非常重要的工作。由于拋光件的多樣性,造成針對不同的拋光件需開發(fā)不同的磨拋程序。通過實驗證明,系統(tǒng)運行正常,由工業(yè)機器人磨拋系統(tǒng)加工出的產(chǎn)品符合工藝質(zhì)量要求。

致謝:感謝福建省經(jīng)濟貿(mào)易委員會、福建長江工業(yè)有限公司的經(jīng)費和現(xiàn)場實驗的支持以及北京理工大學(xué)機器人研究所、福建工程學(xué)院機械系的技術(shù)協(xié)助。

[1] 潘春來.賽德威公司的民品戰(zhàn)略[D].鄭州:鄭州大學(xué),2010:20-21.

[2] 段樂峰.KCEJ生產(chǎn)模式研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2011:13-14.

[3] 魏震,張敬轅,謝劍英.面向?qū)ο竽Ｐ偷腄eviceNet協(xié)議及其實現(xiàn)[J].電氣自動化,2001,（4）:39-47.

[5] 林少丹,傅高升,劉克,等.自動磨拋系統(tǒng)中工業(yè)機器人示教操作過程分析[J].福建工程學(xué)院學(xué)報,2011,（3）:35-37.