0 引言

　　隨著人們對產品外形和表面質量要求的提高，在產品精加工過程中，經常采用拋光加工。特別對復雜曲面(如水龍頭、航空發動機葉片、水輪機葉片等)的拋光加工，一般只能采用手工作業，不僅費時費力，效率低下，而且產品的均一性差，精度不高。機器人拋光系統，使用機器人離線編程技術，集標定、生產、檢測于一體，它不僅改善了工人的工作條件及提高生產效率，而且加工后工件的表面質量及一致性大大提高。本文介紹機器人柔性拋光的重要組成部分機器人柔性拋光機床的電控單元，它的設計直接影響工件的加工質量和系統的可靠性。

1 機器人柔性拋光機床的機械設計原理

　　本拋光機床屬于機械輪拋光，即將剪成圓形的布、呢、絨毛氈等數層重疊縫成車輪狀，安裝在拋光機床的主軸上，使其旋轉而進行拋光的方法。機器人柔性拋光系統的特點是根據被加工工件的形狀產生拋光路徑，由機器人自動完成加工的過程，因此要求機器人柔性拋光機床要有如下功能：

　　·加工過程中，拋光輪與工件的接觸點A點始終保持不變

　　·當被加工件的拋光力大于某閾值拋光力時，拋光輪迅速向后移動，使拋光力小于閾值拋光力或保持恒等拋光力

　　基于如上特點設計機器人柔性拋光機床工作原理如圖1所示。行程開關、齒條1、齒條2、齒輪等組成輪徑檢測機構；伺服電機、減速器、滾珠絲杠、導軌等組成拋光機床主體移動機構，完成拋光輪的進給；拋光輪、三相變頻電機、變頻器等組成拋光輪調速機構；輪徑檢測機構中的齒輪的軸與拋光機主體移動機構固聯在一起，完成兩機構的聯動。

圖1機器人柔性拋光機床工作原理

　　輪徑檢測機構原理：設初始位置，拋光輪半徑為R1，此時，移動拋光機床主體移動機構，輪徑檢測機構中的齒條2也隨之移動，當行程開關閉合時，停止移動，此位置為拋光機床主體移動機構的初始位置。當拋光輪磨損后，半徑變為R2，移動拋光機床主體移動機構，輪徑檢測機構中的齒條2也隨之移動，當行程開關閉合時，拋光機床主體移動機構相對初始位置移動δ。根據機構運動學可得：

　　同時能保證拋光輪與工件接觸點A點和初始位置的A點重合。

　　力控制原理：拋光力為拋光輪與工件之間的作用力，實驗表明，它與驅動拋光輪的變頻電機的電流有關系，其實驗曲線如圖2所示。圖2的曲線作為力反饋信號，通過PID控制或模糊力控制來保證拋光力小于閾值拋光力或保持拋光力為恒力，從而滿足拋光工藝的要求。

圖2拋光力與測量電動機的電流傳感器輸出關系實驗曲線

2 機器人柔性拋光機床的控制原理

　　根據機器人柔性拋光機床工作原理，其控制主要由輪徑檢測機構控制、拋光機床主體移動機構位置控制及拋光力控制等組成。

　　2.1 輪徑檢測機構控制

　　伺服電機通過減速器和滾珠絲杠帶動拋光機主體移動機構運動，當輪徑檢測機構中的行程開關閉合時，停止拋光機主體移動機構的運動，PLC的CPU模塊讀取伺服控制模塊中伺服電機的編碼器的值并計算拋光機主體移動機構相對初始位置的移動距離δ，根據式(1)計算出拋光輪磨損后的輪徑。

　　2.2 拋光機床主體移動機構位置控制

　　拋光機床主體移動機構的運動由伺服電機通過減速器和滾珠絲杠帶動驅動。左、右極限位置由行程開關控制，零位由接近開關控制。

　　2.3 拋光力控制

　　PLC閉環拋光力控制方框圖如圖3所示，PLC控制算法采用其內部的PID控制模塊。PID控制具有結構簡單、穩定性好、可靠性高等特點，多數PLC的CPU模塊自帶PID算法模塊。基于PLC的PID控制器的設計是以連續的PID控制規律為基礎，將其數字化，寫成離散形式的PID方程，再根據離散方程進行控制程序的設計。

圖3 PLC閉環控制系統框圖

　　本文的拋光力控制采用圖2所示的實驗曲線作為反饋信號，其中與拋光力相關的驅動電動機的電流可以由控制電機速度的變頻控制器獲得。PLC采用的是西門子S7—300系列PLC，其中CPU模塊具有PID控制功能，通過PID控制指令實現，PID參數的設定可通過觸摸屏修改，反復調整PID參數，使拋光力控制接近預期的效果。

3 控制系統硬件配置及其功能

　　以PLC為核心的控制系統的構成如圖4所示。整個控制系統包括：機器人控制器、觸摸屏、變頻器、伺服電機驅動器和PLC。

圖4控制系統的結構框圖

　　其中PLC選用德國西門子公司生產的s7—300系萬方列，它采用緊湊的、無槽位限制的模塊結構，電源模塊(PS)、CPU模塊、信號模塊(SM)、功能模塊(FM)、接口模塊(IM)和通訊處理器(CP)都安裝在導軌上。

　　3.1 S7—300 PLC的硬件配置　　(1)電源模塊：選用6ES7 307-1EA00-0AA01塊，輸入電壓120／230VAC，可提供輸出24V／5ADC電源。

　　(2)CPU模塊：選用6ES7 315-2AG10-0AB01塊，128KB數據存儲器(RAM)，程序存儲在128KB存儲卡(MMC)中，存儲卡最大可擴展到8MB，內置RS485接口等。

　　(3)定位模塊：選用6ES7 354-1AH01-OAEO，1塊，用于伺服電機的控制，傳感器輸入為增量式編碼器(對稱式)或絕對值編碼器(SSI)，控制信號輸出為模擬量輸出。

　　(4)數字輸入模塊：選用6ES7 321-1BL00-0AA02塊，每個模塊32X24V輸入。

　　(5)數字輸出模塊：選用6ES7 322-1BL00-0AA02塊，每個模塊32X24V輸出。

　　(6)A／D變換模塊：選用6ES7 331-7KB02-0ABO1塊，兩路模擬量輸入，每個通道分辨率為15位，基本轉換時間可設置為6／34／44／204ms．

　　(7)D／A變換模塊：選用6ES7 332-5HF00-0AB01塊，8路模擬量輸出，每個通道分辨率為12位。

　　3.2 觸摸屏

　　本系統采用TPl70A觸摸屏，其與PLC之間通訊通過TP·PLC通訊電纜連接。觸摸屏界面由觸摸屏組態軟件進行設計、編譯，然后RS232編程電纜下載到觸摸屏即可使用。通過觸摸屏組態軟件設置觸摸屏顯示參數對應PLC的存儲器單元來完成PLC參數的顯示和設置。觸摸屏的功能：復位、輪徑檢測開始和輪徑的顯示、拋光輪轉速設置和拋光輪的角速度或線速度的顯示、拋光力設置、手動移動拋光輪。

　　3.3 拋光輪驅動電機控制

　　拋光工藝要求拋光輪與工件接觸點的線速度不變。由于拋光過程中拋光輪的磨損，拋光輪的輪徑變小，拋光輪與工件接觸點的線速度也變小，因此，需要改變驅動拋光輪電機的速度。本系統采用交流變頻調速器，調節驅動拋光輪電機的速度。變頻器的起停通過PLC的擴展I／O口控制。由于變頻調速電機的轉速與變頻器的輸入控制電壓成線性關系，因此，通過PLC的D／A擴展模塊的一路模擬量輸出控制變頻調速電機的轉速。PLC結合輪徑檢測機構和變頻調速系統可使拋光輪與工件接觸點的線速度滿足拋光工藝要求。

　　3.4 伺服電機控制

　　PLC的CPU模塊和定位模塊、伺服電機驅動器、伺服電機等組成伺服控制系統來控制拋光機床主體移動機構位置。其硬件配置如下：

　　(1)伺服電機驅動器：選用安川伺服單元SGDM-15ADA 1臺，輸入信號：編碼器輸入信號、速度指令(模擬量輸入：±2V～±10V)、扭矩指令(模擬量輸入：±1V～±10V)、位置指令(脈沖輸入)等；輸出信號：編碼器分頻輸出(差分信號輸出)、報警代碼輸出。

　　(2)伺服電機：選用安川1三相伺服電機SGMGH-13ACA61 l臺，最高轉速1500r／mm，功率1.3kW。

　　PLC的擴展定位模塊、伺服電機驅動器、伺服電機組成位置閉環控制系統，其位置反饋信號由集成在伺服電機中的編碼器提供。PLC可根據輪徑檢測機構的信號或拋光力反饋信號控制置閉環控制系統組成機器人柔性拋光機床的閉環控制系統。

　　3.5 PLC與機器人的通訊

　　本系統采用I／O口通訊形式完成PLC與機器人的通訊。機器人控制器的輸出或PLC的輸入端口定義如下：速度選擇占用2個端口可選擇拋光輪的4種速度、啟動拋光機占用1個端口、啟動拋光力控制占用1個端口、啟動輪徑檢測占用1個端口、啟動拋光液控制占用1個端口。為了提高通訊的可靠性，在軟件上采用多次延時驗證的方法。

4 控制系統的抗干擾設計

　　PLC具有可靠性高、抗干擾能力強等特點。但工業現場的環境十分復雜，要受到來自各方面的干擾，甚至會引起誤動作造成重大損失。干擾源主要有如下幾種：電源引入的干擾；I／O信號引入的干擾；接地線引入的干擾；電磁干擾。本系統采用以下抗干擾措施：

　　(1)為了抑制電網中的干擾，選用的帶屏蔽的電源變壓器和電源濾波器。

　　(2)輸入輸出信號抗干擾的設計：選用較粗的信號線，合理的布線和設計有利于I／O信號線的抗干擾。PLC輸入、輸出端口分別由開關電源供電。

　　(3)PLC裝置的接地設計：采用PLC與其它設備在一點接地，并且，接地導線采用直徑大干22mm的銅導線。

5 控制系統軟件設計

　　機器人柔性拋光機床控制系統的軟件設計包括PLC軟件設計和觸摸屏軟件設計。

　　5.1 PLC軟件設計

　　PLC軟件主程序結構流程圖如圖5所示。程序采用梯形圖編制，編程軟件利用函門子公司開發的專用編程軟件SIMATIC Manager，該軟件使用梯形圖或語句表達形式進行離線編程，并且在運行程序時，還可以通過在線監測功能來監視各個變量，這樣就給調試帶來了極大的方便。根據機器人控制器的指令，PLC可執行拋光加工、拋光輪的輪徑檢測、改變拋光輪的轉速等任務。在執行拋光加工任務時，還可以啟動拋光力的力控制以及啟動拋光液的定時噴射。

圖5 PLC軟件主程序結構流程圖

5.2 觸摸屏軟件設計

　　根據機器人柔性拋光機床控制和操作要求，設計了主界面、參數設置界面、信號監控界面、參數顯示介面、拋光輪的輪徑檢測界面等。

6 結論

　　本文詳細討論了基于S7—300系列PLC的機器人柔性拋光機床控制原理、控制系統的硬件組成和軟件設計。該機器人柔性拋光機床能與機器人有機的結合完成加工生產線中工件拋光的工位。實踐證明，該控制系統操作方便，運行穩定可靠，抗干擾能力強。