唐振宇 黃陽(yáng)明 畢齊林

（①?gòu)V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(shí)業(yè)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518108）

隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，在生產(chǎn)過(guò)程中越來(lái)越多的機(jī)器人在不同的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)存在拋光噪聲、粉塵對(duì)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(jī)器人進(jìn)行作業(yè)不僅可以促進(jìn)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(shí)，也可以規(guī)避用工荒，勞動(dòng)力成本高等目前制造業(yè)常見(jiàn)的問(wèn)題。在機(jī)械加工領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人打磨具有精度高、效率高和柔性好等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)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(duì)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(jī)器人工作站控制系統(tǒng)中運(yùn)行與HMI（人機(jī)界面）硬件中的軟件系統(tǒng)多以組態(tài)軟件進(jìn)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(jī)器人的運(yùn)行信息，設(shè)計(jì)一個(gè)具有強(qiáng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制功能的機(jī)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(duì)象，水槽工件如圖1所示，對(duì)其拋光打磨工作流程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)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(jìn)行驗(yàn)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(jī)器人控制器、龍門式砂帶打磨機(jī)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(jī)控制器、上下料輔助處理單元控制器為同一個(gè)PLC，如圖2所示。工業(yè)機(jī)器人根據(jù)自由度、空間和載荷選用ABB機(jī)器人的型號(hào)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(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)[6]。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成

PLC通過(guò)計(jì)算IO點(diǎn)數(shù)、估算用戶控制程序的存儲(chǔ)器容量選用西門子緊湊型PLC，其型號(hào)為S7-1512C。另外，上下料輔助處理單元主要包括上料臺(tái)以及輸送機(jī)。工業(yè)機(jī)器人工作時(shí)通過(guò)機(jī)器人控制器和PLC之間的Profinet總線控制來(lái)完成對(duì)放置在上料臺(tái)的不銹鋼水槽的運(yùn)動(dòng)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(jì)如圖3所示。其工作原理為：工作時(shí)，機(jī)器人到達(dá)指定位置夾持不銹鋼水槽，到達(dá)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(jī)對(duì)其12處打磨位置進(jìn)行拋光打磨，打磨完成后，由機(jī)器人將不銹鋼水槽放置到輸送機(jī)上，輸送到下一個(gè)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(jì)

品字型砂帶拋光工作站控制系統(tǒng)硬件主要包括機(jī)器人本體及其控制器、PLC、龍門式砂帶打磨機(jī)、電磁閥和傳感器等，其電氣硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。整個(gè)控制系統(tǒng)，以PLC和機(jī)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(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人打磨拋光工作，控制周圍配套設(shè)備的起動(dòng)和停止[8]。控制系統(tǒng)硬件選型如下：

圖4 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

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

（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(guò)PTO脈沖、數(shù)字量I/O、模擬量輸入來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)、電磁閥、采集傳感器數(shù)據(jù)等。

（3）上位機(jī)：采用搭載Windows系統(tǒng)的PC，運(yùn)行品字型砂帶打磨工作站控制平臺(tái)，通過(guò)以太網(wǎng)結(jié)口分別與ABB機(jī)器人、西門子PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)工作站工藝參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)控功能。

3 上位機(jī)軟件的開發(fā)

3.1 上位機(jī)軟件的開發(fā)環(huán)境

工作站上位機(jī)軟件主要分為兩個(gè)部分：一是通過(guò)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(jī)器人控制器建立Socket 通信（TCP/IP 協(xié)議），并通過(guò)一系列動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)訪問(wèn)機(jī)器人控制器，為ABB工業(yè)機(jī)器人IRC5控制器添加自己定制的人機(jī)界面 ；二是基于開源的S7.Net庫(kù)，通過(guò)西門子的S7以太網(wǎng)通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)控制平臺(tái)與龍門式砂帶打磨機(jī)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）提供了用于開發(fā)應(yīng)用程序的公共API，以便用戶對(duì)機(jī)器人控制器執(zhí)行各種操作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的目的[9]。PC SDK可以訪問(wèn)的機(jī)器人控制器對(duì)象范疇如圖5所示。

圖5 PC SDK 可以訪問(wèn)的機(jī)器人控制器對(duì)象范疇

S7.Net是一個(gè)基于西門子S7通訊協(xié)議的PLC驅(qū)動(dòng)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(guò)CPU 型號(hào)、IP 地址、機(jī)架號(hào)、機(jī)槽號(hào)，共4個(gè)參數(shù)分別與對(duì)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(jī)軟件的基本結(jié)構(gòu)

上位機(jī)軟件不僅具備工作站配套設(shè)備控制功能，同時(shí)集成了部分機(jī)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(jī)”、“主副氣缸”、“機(jī)器人系統(tǒng)”，以及“上料臺(tái)、輸送機(jī)及真空吸附夾具”，共5個(gè)功能分區(qū)。上位機(jī)軟件操作界面如圖7所示。

圖7 上位機(jī)軟件操作界面

在上位機(jī)軟件與ABB機(jī)器人、PLC三者進(jìn)行聯(lián)調(diào)時(shí)，以ABB機(jī)器人控制作為主站，PLC作為從站，而作為監(jiān)測(cè)平臺(tái)，來(lái)監(jiān)測(cè)ABB機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)（機(jī)器人控制器裝態(tài)、運(yùn)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(shí)，即該變量為TRUE，否則為FALSE），使工作站的操作變得更為簡(jiǎn)單。

4 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)與運(yùn)行

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

（1）工作站啟動(dòng)，龍門式砂帶機(jī)中的砂帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，為下面進(jìn)行打磨工作做好準(zhǔn)備。

（2）判斷上料臺(tái)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(hào)傳遞給機(jī)器人控制器，再由機(jī)器人控制發(fā)出指令，使機(jī)器人前往夾持工件，否則等待上料。

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

（5）機(jī)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(duì)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(tái)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(jī)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行滑臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(jī)器人將不銹鋼水槽移動(dòng)到輸送機(jī)上方，做好把不銹鋼水槽放置在輸送機(jī)上的準(zhǔn)備。

（14）機(jī)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(jī)之上。

（15）輸送機(jī)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(jī)的傳動(dòng)帶將會(huì)移動(dòng)，把不銹鋼水槽帶到合適的地方去。

對(duì)科爾沁沙地植物物種豐富度與生境異質(zhì)性進(jìn)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(jī)器人在復(fù)位，為打磨下一個(gè)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(gè)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(jī)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(yàn)證PLC 控制程序、機(jī)器人工作路徑、上位機(jī)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(jī)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(gè)方面的內(nèi)容。

5.2 工作站仿真模型搭建

進(jìn)入機(jī)器人仿真軟件RobotStudio創(chuàng)建機(jī)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(xiàng)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(gè)組件，一是真空吸附夾具的安裝與拆卸功能，來(lái)模擬夾具對(duì)不繡鋼水槽的夾取、松開的動(dòng)作；二是不繡鋼水槽的自我復(fù)制功能，來(lái)模擬工人上料的環(huán)節(jié)；三是輸送機(jī)對(duì)不銹鋼水槽的運(yùn)輸功能，來(lái)模擬輸送機(jī)將不銹鋼水槽轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)作。

5.4 工作站仿真環(huán)境配置

為實(shí)現(xiàn)PLC、RobotStudio和上位機(jī)三者之間的通訊，基于Net To PLCSIM軟件，將實(shí)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(jī)器人仿真軟件RobotStudio中安裝RSConnectDIOToSnap7 插件，完成與S7-PLCSim通訊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器與PLC的IO信號(hào)相互映射、相互關(guān)聯(lián)的目的。通過(guò)ABB的PC SDK實(shí)現(xiàn)上位機(jī)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(jī)器人示教編程

（1）建立多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，完成路徑規(guī)劃，如圖11所示。

圖11 機(jī)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(gè)I/O 信號(hào)配置好。

（3）將配置好的路徑同步至機(jī)器人控制器，并進(jìn)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(jī)軟件，并配置好通訊環(huán)境，將機(jī)器人控制器、各個(gè)Smart組件與PLC中的輸入與輸出信號(hào)一一對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，其中PLC 輸入輸出信號(hào)I0.0、Q0.0、M0.0依次對(duì)應(yīng)機(jī)器人控制器的PLC_I00、PLC_Q0.0、PLC_M0.0，以此類推。打開上位機(jī)控制平臺(tái)，進(jìn)入PLC 控制窗口，確認(rèn)機(jī)器人控制是否處在自動(dòng)模式，點(diǎn)擊“PP TO Main”將程序指針移動(dòng)至主程序，再依次點(diǎn)擊“上電”按鈕、“啟動(dòng)”按鈕。品字型砂帶打磨工作站即按預(yù)定軌跡開始進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)，均達(dá)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(guò)RobotStudio的TCP軌跡跟蹤功能以及碰撞監(jiān)控功能檢驗(yàn)各個(gè)示教目標(biāo)點(diǎn)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(diǎn)，再次執(zhí)行“沿著路徑運(yùn)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(diǎn)的運(yùn)行軌跡，若產(chǎn)生碰撞監(jiān)控則碰撞處的部件將會(huì)標(biāo)注為紅色。由圖可知整個(gè)仿真過(guò)程并沒(méi)有產(chǎn)生碰撞查，可滿足工作要求。查看仿真計(jì)時(shí)器，工作站完成一次工序步驟周期用時(shí)為120.511 s，滿足工件拋光打磨工藝需求。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，打磨效率是人工操作的3倍，整個(gè)過(guò)程工業(yè)機(jī)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(yǔ)

基于項(xiàng)目的需要設(shè)計(jì)了以ABB工業(yè)機(jī)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(jī)軟件的品字型砂帶拋光打磨工作站控制系統(tǒng)。并通過(guò)使用ABB機(jī)器人仿真軟件RobotStudio、西門子博途軟件、上位機(jī)軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真驗(yàn)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(jī)器人取料、下料，并協(xié)同龍門式砂帶機(jī)完成拋光、打磨等功能。（2）通過(guò)自主開發(fā)的上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作站作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)試等功能。（3）工作站控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水槽打磨工藝的自動(dòng)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(dòng)化的企業(yè)提供了參考。