趙鐵軍，王 鋼，王 新，徐志強(qiáng)

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870；2.中國人民解放軍95905部隊，沈陽 110870）

等離子弧表面強(qiáng)化機(jī)器人控制系統(tǒng)研究*

趙鐵軍1，王 鋼1，王 新2，徐志強(qiáng)2

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870；2.中國人民解放軍95905部隊，沈陽 110870）

基于等離子弧表面強(qiáng)化的工藝要求，設(shè)計出一套以PC+運動控制卡為核心的等離子弧表面強(qiáng)化機(jī)器人控制系統(tǒng)。介紹了等離子弧表面強(qiáng)化機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的硬件組成；基于Visual C++開發(fā)環(huán)境和Windows動態(tài)鏈接庫，進(jìn)行了等離子弧表面強(qiáng)化機(jī)器人的控制軟件設(shè)計、運動軌跡規(guī)劃，建立了等離子弧強(qiáng)化的加工工藝流程；通過實際應(yīng)用驗證了機(jī)器人的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的等離子弧表面強(qiáng)化過程。

等離子弧表面強(qiáng)化；機(jī)器人控制系統(tǒng)；控制軟件

0 引言

等離子弧作為僅次于激光的高能量密度的表面熱處理熱源，具有熱源裝置便宜、成本低、操作簡單、體積小、熱效率高等特點［1］。用于加工難于整體淬火、局部淬火的工件，可達(dá)到使用普通材料獲得優(yōu)異性能表面的目的［2］。

目前等離子弧淬火處于高速發(fā)展階段［3］，國內(nèi)外對等離子弧金屬表面淬火主要采用大型機(jī)械設(shè)備、工件移動設(shè)備固定、手工淬火這三種的加工方法。然而在實際操作過程中針對大型零件或不易移動的零件進(jìn)行金屬表面淬火時，由于加工零件體積巨大，加工表面形式多樣等原因，上述表面強(qiáng)化方法很難保證表面加工質(zhì)量。工件固定、設(shè)備移動的表面強(qiáng)化方法表現(xiàn)出較強(qiáng)的工藝適應(yīng)性。

因此本文將等離子技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，研制出專用等離子弧表面強(qiáng)化機(jī)器人，通過控制等離子鉅的位置和姿態(tài)，實現(xiàn)具有復(fù)雜曲面工件的精確強(qiáng)化［4］。作為機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)器人的控制技術(shù)是建立表面強(qiáng)化工藝流程的主要研究內(nèi)容。下面介紹以PC+運動控制卡為核心的等離子弧表面強(qiáng)化機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

等離子弧表面強(qiáng)化機(jī)器人由自主研發(fā)的四自由度機(jī)器人、等離子發(fā)生設(shè)備、PC機(jī)、運動控制卡以及端子板、控制軟件組成。機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)四軸聯(lián)動，其中1、2關(guān)節(jié)為移動副，由電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠，構(gòu)成二維機(jī)械運動系統(tǒng)；3、4關(guān)節(jié)軸為轉(zhuǎn)動副，采用電動機(jī)與蝸桿減速器，驅(qū)動機(jī)械臂運動。電動機(jī)3（抱閘）與蝸桿減速器驅(qū)動大臂轉(zhuǎn)動，電動機(jī)4與蝸桿減速器驅(qū)動同步齒形帶將運動傳遞給小臂。工作時，運行PC機(jī)上的控制軟件將控制信號發(fā)送給運動控制卡、伺服電動機(jī)的驅(qū)動器，控制機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定軌跡執(zhí)行插補(bǔ)運動。

圖1 等離子弧表面強(qiáng)化機(jī)器人

2 控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.1 控制系統(tǒng)的硬件平臺

機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用PC+運動控制卡的控制模式。這主要是由于PC具有的開放的總線結(jié)構(gòu)以及豐富的軟硬件資源，而不具備嚴(yán)格的實時處理能力；固高運動控制卡由ADSP2181數(shù)字信號處理器和FPGA組成［5］，且ADSP2181具有運算速度快、浮點運算能力強(qiáng)等優(yōu)點，可以實現(xiàn)實時的運動控制。根據(jù)以上分析設(shè)計了如圖2所示的等離子弧表面強(qiáng)化機(jī)器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PC機(jī)作為核心，可以方便的實現(xiàn)人機(jī)界面和離線編程等功能。運動控制卡驅(qū)動伺服電機(jī)實現(xiàn)連續(xù)復(fù)雜運動軌跡的控制。

圖2 運動控制系統(tǒng)

將等離子弧長、電流、氣體流量等參數(shù)作為控制參數(shù)納入控制系統(tǒng)中，有利于獲得完整可靠的等離子弧表面強(qiáng)化工藝流程。因此，在實際淬火過程中，控制系統(tǒng)成為由等離子炬的實時位置姿態(tài)、等離子弧物理特性等組成的多參數(shù)系統(tǒng)。

2.2 伺服系統(tǒng)

根據(jù)等離子淬火的工藝要求，既需要穩(wěn)定精確的運動速度又需要準(zhǔn)確的定位，因此針對機(jī)器人各關(guān)節(jié)電機(jī)的控制采用速度為內(nèi)環(huán)，位置為外環(huán)的雙閉環(huán)控制方法［6］?？刂圃砣鐖D3。

圖3 伺服控制原理

速度閉環(huán)由伺服驅(qū)動器來實現(xiàn)，通過對其中的比例增益KVP、積分增益KVI、前饋增益SFG的設(shè)定來獲得滿意的速度閉環(huán)特性；運動控制卡用來完成位置閉環(huán)控制，運動控制卡采用PID，外加速度和加速度前饋，即PID+Kvff+Kaff濾波器。通過調(diào)節(jié)各參數(shù)，確保電動機(jī)達(dá)到良好的運動狀態(tài)，提高控制精度。其計算公式：

En-第n個采樣周期的位置誤差，B-為電機(jī)靜差補(bǔ)償，Un-為輸出值。Kp-比例系數(shù)，Ki-積分系數(shù)，Kd-微分系數(shù)，Kvff-速度前饋系數(shù)，Kaff-加速度前饋系數(shù)。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 程序的開發(fā)

控制系統(tǒng)以PC+運動控制卡為硬件平臺，以PC機(jī)作為上位機(jī)，運動控制卡作為下位機(jī)，以Visual C++ 6.0開發(fā)環(huán)境和Windows動態(tài)鏈接庫作為控制軟件開發(fā)平臺。在軟件的開發(fā)過程中以MFC中對話框模式作為操作平臺，圖4為控制軟件的操作界面。

圖4 控制軟件界面

程序進(jìn)行初始化時，以頭文件的形式與動態(tài)鏈接庫進(jìn)行鏈接，然后就像調(diào)用Windows內(nèi)部函數(shù)一樣調(diào)用運動函數(shù)庫［7］。PC上位機(jī)負(fù)責(zé)完成非實時部分，運動控制卡則負(fù)責(zé)完成軌跡規(guī)劃、閉環(huán)伺服控制、主機(jī)命令處理和I/O口管理等實時控制部分。這種方法既能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)核心部分的二次開發(fā)，又可以利用技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定的運動控制功能，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。運動控制卡可以實現(xiàn)單軸多軸協(xié)調(diào)運動，以及直線圓弧插補(bǔ)。為了方便的描述空間位置，運動控制卡通過坐標(biāo)映射的方法，將控制的單軸運動轉(zhuǎn)變?yōu)槎噍S協(xié)調(diào)的坐標(biāo)系運動。通過開辟底層數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可以實現(xiàn)多段軌跡快速連續(xù)穩(wěn)定的運動。為保證控制卡正常工作必須對運動控制卡的參數(shù)設(shè)定，部分代碼如下：

GT_Open（）；//打開控制卡

GT_Reset（）；//復(fù)位控制卡

GT_LmtSns（）；//限位開關(guān)有效電平

GT_LmtsOn（）；//打開限位開關(guān)自動監(jiān)控功能

GT_EncSns（）；//編碼器計數(shù)方向

GT_SetSmplTm（）；//伺服控制周期

GT_HomeSns（0）；//原點開關(guān)有效電平

在界面及程序設(shè)計好之后，通過鼠標(biāo)點擊控制軟件上的按鈕，調(diào)用預(yù)先設(shè)計好的運動控制程序，就可以實現(xiàn)對工件表面淬火。下面介紹等離子炬淬火過程中運動控制部分。

3.2 運動控制

運動控制是機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心部分。機(jī)器人作為運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的主要功能就是按照編程者預(yù)先設(shè)計好的軌跡運動。但對于等離子弧表面強(qiáng)化機(jī)器人來說，不僅要求機(jī)器人能夠完成直線和圓弧軌跡運動，還應(yīng)綜合考慮等離子弧物理特性的電流、弧長、氣體流量等參數(shù)。

基于等離子弧表面淬火的工藝要求，首先建立機(jī)器人的運動模型和插補(bǔ)算法［8-9］。采用D-H方法建立機(jī)器人運動學(xué)模型［10］，由機(jī)器人的運動參數(shù)（見表1）和結(jié)構(gòu)參數(shù)得到機(jī)器人的工作空間見圖5。

表1 機(jī)器人運動的參數(shù)

圖5 工作空間

等離子弧表面強(qiáng)化機(jī)器人的工作空間是等離子炬所能到達(dá)的點的集合，作為等離子弧表面強(qiáng)化機(jī)器人的重要指標(biāo)，它影響著等離子炬可淬火工件的幾何參數(shù)。插補(bǔ)算法本文沒有自行編程解決，而是通過調(diào)用其他封裝的DLL的方法，并訪問相應(yīng)的運動函數(shù)庫完成。等離子炬淬火需要掃過淬火工件整體或局部表面，應(yīng)考慮到軌跡重合時可能導(dǎo)致回火現(xiàn)象發(fā)生。同時，由于等離子弧淬火采用自冷方式，保證等離子炬淬火時工件能夠及時散熱顯得尤為重要。

基于以上等離子淬火工藝要求，下面以大模數(shù)齒輪為例，介紹等離子弧表面強(qiáng)化技術(shù)在齒面淬火過程中的應(yīng)用。圖6為等離子炬在齒輪齒面淬火帶，由于大模數(shù)齒輪淬火時，齒面往往需要等離子炬多次掃描才能完成整個齒面的淬火，而淬火帶的搭接形式多種多樣。如果在淬火帶之間存在微小間隙，形成類似于表面織構(gòu)的結(jié)構(gòu)（淬火帶由于等離子高溫淬火，表面碳元素膨脹相對于為淬火帶略微凸起，因而形成織構(gòu)結(jié)構(gòu)）［11-12］。在提高齒面硬度的同時使齒面易于形成潤滑油膜進(jìn)而改善齒面潤滑性能、減緩齒面摩擦磨損，但對提高齒面抗疲勞點蝕能力存在不確定性。

圖6 等離子弧淬火帶

為了避免齒面點蝕現(xiàn)象的發(fā)生，本實驗的淬火帶搭接是采用全齒面淬火且使部分淬火帶邊緣重疊，雖然重疊部分可能出現(xiàn)回火現(xiàn)象，但這種方法既防止齒面點蝕的發(fā)生又保證齒面硬化層厚度。圖7中黑色曲線為淬火帶形狀，交叉部分為淬火帶重疊部分。齒輪在嚙合過程中齒面節(jié)線最易發(fā)生破壞，因此在對齒面軌跡規(guī)劃時，應(yīng)使盡量避免回火區(qū)出現(xiàn)在節(jié)線附近。以提高齒輪使用壽命。

圖7 齒面搭接掃面

3.3 狀態(tài)監(jiān)控

狀態(tài)監(jiān)控功能是用來實時地監(jiān)視運動控制卡的各條指令是否正確的按照預(yù)先設(shè)定執(zhí)行。PC機(jī)發(fā)送預(yù)先設(shè)定好的運動控制指令，然后調(diào)用運動控制卡的函數(shù)庫中的運動控制函數(shù)，同時向運動控制卡發(fā)出運動控制指令。運動控制卡執(zhí)行運動指令后會檢查、校驗命令的執(zhí)行情況，并給出一個反饋值。這個反饋就是命令的返回值。通過對返回值的查看可以知道運動的實際情況。還可以通過查詢命令狀態(tài)寄存器的狀態(tài)字找出故障原因。當(dāng)運動出錯時，狀態(tài)寄存器運動出錯標(biāo)志位置1，控制軸停止，并關(guān)閉伺服使能，防止意外事故發(fā)生。

4 表面強(qiáng)化實驗、數(shù)據(jù)分析

實驗環(huán)境為直齒圓柱齒輪，材料為40Cr。模數(shù)m=6，齒數(shù)z=26，壓力角α=20。，齒寬B=65mm。采用自冷卻方式，試件由數(shù)控機(jī)床加工后，經(jīng)過丙酮清洗。實驗中等離子電源選用美國飛馬特等離子焊機(jī)ULTIMA@150。工藝參數(shù)如表2。

表2 實驗參數(shù)

圖8 齒面淬火

圖8中齒面經(jīng)等離子弧淬火后，經(jīng)油石打磨過的表面淬火帶，淬火條紋清晰可見，且淬火帶按照預(yù)先設(shè)定軌跡完成。齒面淬火后應(yīng)具有一定硬化層深度。

圖9 等離子弧淬火區(qū)硬度曲線

從圖9中可明顯看出等離子淬火后硬度在900HV以上，硬化層深度達(dá)到0.4mm。且存在一個明顯的硬度下降?？梢?，采用等離子弧淬火齒面能夠獲得較高的齒面硬度及均勻的硬化層深度。由于受到等離子噴槍體積限制，目前等離子淬火還不能對整個齒面進(jìn)行淬火，特別是模數(shù)較小的齒輪，因此在對等離子炬的開發(fā)還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

（1）基于Visual C++6.0中的對話框模式的機(jī)器人控制系統(tǒng)，使等離子弧表面強(qiáng)化機(jī)器人具有較強(qiáng)的工藝適應(yīng)性，便于多種材料、多種形狀的表面強(qiáng)化過程。

（2）適于等離子表面強(qiáng)化加工工藝要求的速度為內(nèi)環(huán)，位置為外環(huán)的伺服系統(tǒng)雙閉環(huán)控制方法，實現(xiàn)速度和位置的精確控制，有利于提高加工過程的工藝穩(wěn)定性。

（3）等離子弧表面強(qiáng)化可以有效提高齒面的抗點蝕、抗磨損性能，對延長齒輪壽命具有重要作用。

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（編輯 李秀敏）

Design of Control System for plasma arc surface strengthening robot

ZHAO Tie-jun1，WANG Gang1，WANG Xin2，XU Zhi-qiang2
（1.School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China；2.The 95905 Troops of The Chinese People’s Liberation Army，Shenyang 110870，China）

Based on the requirementof plasma arc surface strengthening technology，a setof plasma arc surface strengthening robot control system，whichmainly focusing on PC andmotion control card has designed. First of all，this paper is introducing of the hardware structure and the software system of the plasma arc surface strengthening robot.Then，based on Visual C++development environment and W indows DLL，the control software，the track planning of robot and plasma processing technology are developed.Finally，the practice application of the control system development of robot proves that the plasma arc surface strengthening technology could meet by the control system development.

plasma arc surface strengthening；robot controlling system；software

TH166；TG659

A

1001-2265（2015）07-0114-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.031

2014-10-13；

2014-11-06

沈陽市科技創(chuàng)新專項基金（F11136300）

趙鐵軍（1967-），男，遼寧沈陽人，沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，博士，主要從事機(jī)器人技術(shù)、等離子特種加工技術(shù)的研究，（E-mail）wg19881230@163.com。