胡士靖，吳超群，陳 翱，田 亮

(武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，武漢 430070)

0 引言

鈦合金由于密度小、抗腐蝕等優(yōu)良特性在航空領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1]。本文目標零件機匣是航空發(fā)動機中主要的承力部件，具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多薄壁結(jié)構(gòu)的特點，只能采取熔模鑄造進行生產(chǎn)[2]，鑄造完成后必須對表面進行澆冒口切割、R角打磨和流道拋光等清理工序。

目前機匣一般采用人工手持氣動打磨槍進行打磨，但由于鈦合金導(dǎo)熱性能差[3]、硬度高，導(dǎo)致打磨效率低、刀具磨損嚴重、產(chǎn)品一致性差[4]。且近年來機匣的需求量逐年提高，對公司的產(chǎn)能提出了更高的要求，提高機匣的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量迫在眉睫，鈦合金機匣的自動打磨是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品一致性的關(guān)鍵手段之一[5]。

在自動化生產(chǎn)過程中，機器人具有重復(fù)定位精度高、柔性高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域中[6-7]。本文通過對鈦合金機匣當(dāng)前的打磨工藝進行分析，研制出機匣的機器人自動打磨系統(tǒng)，并從硬件和控制系統(tǒng)兩方面對自動打磨系統(tǒng)進行設(shè)計，完成了自動打磨系統(tǒng)硬件平臺的搭建和控制系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)了機匣的自動化打磨。實踐表明，該自動打磨控制系統(tǒng)提高了生產(chǎn)節(jié)拍，降低了刀具成本，提高了機匣的表面質(zhì)量。

1 打磨系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 打磨系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

由于機匣直徑約為920mm、質(zhì)量約100kg，系統(tǒng)采用機器人抓取刀具、零件固定在旋轉(zhuǎn)工作臺上的方式進行打磨[8]。自動打磨系統(tǒng)整體布局如圖1所示，主要包括工業(yè)機器人、末端工具、旋轉(zhuǎn)工作臺及夾具、水槽、排屑系統(tǒng)和底座等部分。

圖1 自動打磨系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

機器人是自動打磨系統(tǒng)中的主要執(zhí)行設(shè)備，其末端安裝有力控傳感器、高速主軸、竹節(jié)管和激光距離傳感器。高速主軸末端可通過ER夾頭更換CBN樹脂切片、硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)銼和千頁輪等刀具實現(xiàn)不同加工工藝。

該設(shè)備的具體使用流程：操作人員將工件裝夾在工作臺后關(guān)閉安全門并啟動設(shè)備，PLC及機器人完成初始化程序后需通過觸摸屏對零件進行誤差測量及調(diào)整；完成誤差調(diào)整后通過人機界面對加工部位和工藝進行選擇即可進入自動加工。

1.2 自動打磨控制系統(tǒng)硬件配置

通過對自動打磨系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)和打磨工藝進行分析，選擇需要的電氣元件并設(shè)計各設(shè)備的控制方案。自動打磨控制系統(tǒng)的詳細硬件配置如表1所示。

表1 自動打磨設(shè)備控制系統(tǒng)硬件組成

由于此系統(tǒng)需要控制的設(shè)備較少，所以選擇了西門子S7-1214 DC/DC/DC可編程控制器作為上位機，該控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊、體型較小，本體除了包括輸入、輸出通道外還集成有2路模擬量輸入通道。為方便進行組態(tài)，伺服驅(qū)動器、觸摸屏均選擇西門子產(chǎn)品。PLC、V90伺服驅(qū)動器、TP1500精智面板和工業(yè)機器人統(tǒng)一采用profinet協(xié)議進行通訊，其余現(xiàn)場設(shè)備則通過數(shù)字量模塊和模擬量模塊進行連接，現(xiàn)場通訊方案如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)通訊方案

其中高速主軸選擇變頻器進行控制，變頻器由PLC與其多功能端子連接進行頻率調(diào)整，從而實現(xiàn)對高速主軸轉(zhuǎn)速的控制，其電路如圖3所示。

圖3 高速主軸控制電路

由于冷卻電機、排屑電機僅需啟?？刂疲x擇PLC控制繼電器和接觸器的閉合即可實現(xiàn)；激光距離傳感器的開關(guān)通過數(shù)字量輸出進行控制，采集到的距離值通過模擬量輸入模塊進行采集。自動打磨控制系統(tǒng)的IO硬件連接如圖4所示。

圖4 自動打磨系統(tǒng)IO控制硬件連接

2.3 硬件組態(tài)設(shè)計

硬件組態(tài)是指將各個設(shè)備及模塊添加至組態(tài)軟件中并進行配置。本項目選擇西門子公司針對其自動化產(chǎn)品的組態(tài)、編程和調(diào)試的軟件TIA Portal V14進行硬件組態(tài)。

(1)軟件組態(tài)

PLC、觸摸屏和伺服電機需要在硬件目錄中添加相應(yīng)模塊到項目，并對設(shè)備IP地址和子網(wǎng)掩碼進行配置，使其與PLC處于同一子網(wǎng)即可。

SM1221 DI 16X24V DC和SM1222 DQ 16X24V DC兩個IO擴展模塊在設(shè)備視圖中打開硬件目錄后添加模塊至項目即可完成組態(tài)。

組態(tài)完成后選擇PG/PC接口類型為PN/IE，PG/PC接口選擇有線網(wǎng)卡，掃描設(shè)備并將IP地址和子網(wǎng)掩碼等配置下載至設(shè)備，即可完成各個設(shè)備間的連接，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)各設(shè)備連接

(2)機器人組態(tài)

為實現(xiàn)PLC與機器人之間的信號傳輸，需對PLC與機器人之間的profinet通訊進行配置。在TIA Portal中安裝ABB機器人GSD文件，并在硬件目錄中添加IRC5 PNIO-Device至項目。在設(shè)備視圖配置IO模塊大小(如256 bytes)及起始地址(I500～I755、Q500～Q755)，如圖6所示。

圖6 PLC與機器人通訊配置

使用機器人示教器控制面板中的PROFINET internal Anybus Device對機器人端進行配置，其中InputSize與OutputSize大小與PLC保持一致(256bytes)。分別在PLC與機器人端建立需要進行通訊的變量，其地址及長度保持一致，即可實現(xiàn)PLC與機器人之間的信號傳輸。

(3)伺服電機組態(tài)

采用Motion Control指令對伺服電機進行控制。在工藝對象中新建Motion Control工藝對象，并對電機軸的驅(qū)動器、編碼器等參數(shù)進行配置，選擇DP_TEL3_STANDARD報文進行數(shù)據(jù)交換，如圖7所示，組態(tài)完成后進行調(diào)試和優(yōu)化。完成優(yōu)化后即可通過工藝指令Motion Control實現(xiàn)伺服軸的使能、回原點、絕對運動和相對運動。

圖7 伺服電機運動控制配置

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括PLC程序與人機界面程序設(shè)計幾部分。PLC程序設(shè)計主要實現(xiàn)對打磨系統(tǒng)的各個設(shè)備的控制，以及監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)并對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理和計算，此外需要根據(jù)觸摸屏、機器人的指令完成指定部位的加工；人機界面是操作人員與打磨系統(tǒng)的接口，操作人員通過觸摸屏檢查當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)，并可通過人機界面控制設(shè)備的啟停和自動打磨。

3.1 自動打磨程序設(shè)計

通過TIA Portal V14對PLC進行編程。PLC程序包括初始化、通訊、急停和故障處理、主程序以及手動、自動等部分。

系統(tǒng)程序整體流程如圖8所示，系統(tǒng)上電后執(zhí)行初始化程序并通過DeviceStates指令檢查各個設(shè)備的通訊是否正常，判斷有無急停和故障；完成檢查后根據(jù)“手動/自動”旋鈕狀態(tài)執(zhí)行手動程序或自動程序，手動程序可通過人機界面及按鈕對旋轉(zhuǎn)工作臺、排屑系統(tǒng)等設(shè)備進行控制；自動加工程序則主要包括自動測量和自動加工等子程序。

圖8 自動打磨系統(tǒng)的控制流程圖

自動打磨系統(tǒng)選擇的機器人為ABB公司的IRB 6700-200/2.60型號機器人，可通過Robot Studio和機器人示教器對其進行編程。機器人程序分為路徑程序和邏輯程序兩部分，路徑程序用于記錄加工所需的軌跡路徑，邏輯程序通過對PLC的指令進行判斷并執(zhí)行相應(yīng)的加工子程序。不同于傳統(tǒng)設(shè)備僅利用PLC進行順序控制，本自動打磨系統(tǒng)的各設(shè)備控制由PLC完成，而自動加工中的順序控制則由機器人完成，這樣降低了編程的難度并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由于機匣在鑄造過程中會產(chǎn)生毛刺和變形，為提高系統(tǒng)打磨效率和質(zhì)量并提高刀具壽命，在進行打磨時選擇“力/速度控制”的方式對進給速度實時調(diào)整。

在進行打磨之前通過標準零件獲取理論輪廓并對其進行分段，預(yù)設(shè)v1、v2、v3三種進給速度。如圖9所示，在進行打磨時，機器人在每一段軌跡的起點通過力控傳感器測量當(dāng)前打磨力的大小并根據(jù)其值選擇不同的進給速度：若當(dāng)前點處檢測到的力較小則選用較大的進給速度v3提高打磨效率；若檢測到打磨力偏大則選擇v2進行打磨；若檢測到相當(dāng)大的打磨力，則將進給速度降到最低以保護刀具。

圖9 力/位置控制示意圖

3.2 人機界面設(shè)計

利用TIA Portal V14對人機交互界面進行設(shè)計。本系統(tǒng)主要包括6個界面：系統(tǒng)狀態(tài)、設(shè)備參數(shù)、設(shè)備控制、刀具管理、測量界面以及報警歷史界面，其中系統(tǒng)狀態(tài)為主界面。

系統(tǒng)狀態(tài)界面用于顯示系統(tǒng)當(dāng)前的加工狀態(tài)。設(shè)備參數(shù)用于顯示旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)角度、電主軸轉(zhuǎn)速以及冷卻、排屑系統(tǒng)的啟停狀態(tài)。設(shè)備控制界面主要用于選擇加工方式和加工部位以及在手動狀態(tài)下控制各個設(shè)備。刀具管理界面用于顯示當(dāng)前使用的刀具和待使用刀具。測量界面用于在零件裝夾時測量零件的周向、高度誤差并進行調(diào)整。報警歷史界面顯示并記錄報警信息。如圖10所示為人機操作界面。

(a) 系統(tǒng)狀態(tài) (b) 設(shè)備參數(shù)

(c) 設(shè)備控制 (d) 報警歷史 圖10 人機操作界面

4 結(jié)束語

針對機匣類零件生產(chǎn)效率迫切需要提高的需求，設(shè)計了一套以工業(yè)機器人為核心的自動打磨系統(tǒng)，并完成了控制系統(tǒng)硬件平臺的組態(tài)和程序的編寫，實現(xiàn)了在一臺設(shè)備上實現(xiàn)了機匣的冒口切割、打磨和拋光等功能。目前該系統(tǒng)已投入工廠使用，實踐效果表明，該設(shè)備運行穩(wěn)定，加工單個零件的效率與傳統(tǒng)方式對比如表2所示。

表2 自動打磨系統(tǒng)與傳統(tǒng)加工對比

該自動打磨設(shè)備進行冒口切割的時間由8h增加到10h；打磨時間由16h減少到7.5h，打磨效率提升53.1%；增加了流道面拋光功能。將三種工序集中在同一設(shè)備進行，降低了設(shè)計專機的成本和委托外協(xié)單位進行冒口切割的時間。使用機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工進行打磨，提高了零件的生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量，保證了產(chǎn)品的一致性。