打磨單元設備保護控制系統軟件設計

單星 高狄 尹文芳 梁憲峰 郭丹蕊

一、引言

在自動化鑄件清理領域，由機器人抓取主軸，針對不同的清理特征選取相對應的刀具對鑄件進行定點清理是打磨行業的發展趨勢。考慮到清理過程中鑄件的差異_生及未知性，易造成清理不徹底或者過磨的情況，除此之外，由于機械誤差、電氣故障等也可能造成清理不達標的情況，考慮到持續過磨時會有刀具、主軸和機器人等設備損壞的風險，從而影響到機器人的連續生產等后果。

當前市場上應用的主要有三種方式對鑄件打磨過程進行保護。

（1）機械浮動式去毛刺執行器。執行器通過內部機構對來自外界的力進行相應的動作，從而避免打磨刀具由于受到較大的力磨損同時打磨工件也不會因為力太大被損壞。然而單獨使用浮動式去毛刺執行器在加工過程中刀具出現發彈的現象嚴重，當碰到較大的清理特征時刀具將自動繞開，無法保證殘渣完全去除，再者現階段浮動式去毛刺執行器仍處于國外壟斷狀態，國內沒有自主研發且商業化的產品，對國內中小型制造企業而言，無論是采購途徑還是采購成本都是很大問題。

（2）接觸式力矩傳感器。其屬于被動補償，在對鑄件毛坯直接檢測過程中存在干擾大、測量誤差大以及傳感器易損壞等技術問題。

（3）通過設計高精度的工裝。鑄件清理屬于鑄件后處理，此階段鑄件為毛坯狀態無準確的定位基準且鑄造變形等因素要實現工件精確定位難度太大。

綜合以上分析，本文設計了一種針對打磨單元閉環反饋系統，該系統上位機用Visual Studio 2013開發環境，通過實時采集變頻器參數信息及控制設備狀態，將采集到的數據進行算法處理控制機器人運行方式，從而達到提高質量及保護設備的目的。

二、主要研究內容及原理

為了保證打磨質量同時保護打磨設備開發了打磨單元設備保護控制系統，該系統實現了通過變頻器讀取主軸運行參數，間接獲取主軸承受力矩，實時調整機器人進給速度，保證主軸運行安全和延長打磨刀具使用壽命。當鑄件某個位置毛刺較大時，降低機器人進給速度。待監測到變頻器參數趨于正常之后，將機器人狀態恢復到正常模式。通過以上方式完成一個標準的閉環控制，以此保證設備安全。在整個系統運行時軟件需要通過UDP實時讀取打磨時參數，使用OPC服務器獲取整個打磨單元中各個設備的狀態，上位軟件通過模糊PID算法通過Modbus Tcp對機器人運行方式實時調整，達到保護設備及提高打磨質量的目的，軟件結構圖，如圖1所示。

三、功能塊介紹

采用Visual Smdio 2013開發環境中的c#語言編寫上位機軟件。

Winform中含有大量的可視化拖動控件，可以對空間控件完成陜速的功能實現，除此之外，c#是種完全面向對象的語言。本著函數內部耦合，外部解耦的原則，本次開發將各個功能分模塊進行，各個模塊相互獨立，通過主界面調用完成相應功能，如圖2所示。

1、設備保護控制系統與控制器信息交互

本系統借助于OPC服務器作為上位機軟件和控制器之間的橋梁，OPC是為了連接數據提供源（OPC服務器）和數據的使用者（OPC應用程序）之間的軟件接口標準。其數據提供源可以是PLC、DCS和條形碼讀取器等控制設備。隨控制系統構成的不同，作為數據提供源的OPC服務器即可以是和OPC應用程序在同一臺計算機上運行的本地OPC服務器，也可以是在另外的計算機上運行的

至此可以將本系統和控制之間通信的變量已經獲取成功并且存儲到lbShowBranch中，在主界面中可以通過對lbShowBranch中的變量進行讀取和寫入操作。

本次上位軟件主要完成從組態軟件中讀取整個打磨單元當前狀態變量，根據實際需求讀取需要的變量信息，考慮到需要獲得狀態信息才可以進行下一步操作，讀取打磨單元變量通過同步方式實現，具體代碼如下。

2、設備保護控制系統與變頻器信息交互

由于采集數據頻率要求較高，且個別數據的丟失對整個系統的影響不大，所以本次選擇UDP通信方式，與TCP/IP的三次握手不同，UDP通信只需要設定Port或者IP之后就可以通信了，所以其通信會出現有丟包和數據缺失等情況，但同時UDP的信息傳送速度是極陜的。

在本系統中，實現UDP通信只需以下幾行代碼。

3、設備保護控制系統與工業機器人信息交互

對于整個打磨單元來說，除了此設備保護控制系統運行在工控機上，還會同時包含其他需要與機器人進行信息交互的控制軟件，機器人本身帶有以太網通信功能，考慮到本次開發的上位軟件實時采集變頻器參數，參數變化無規律性，為了保證工業機器人的正常運行不會被打斷同時又能及時響應上位軟件，本次控制軟件使用輸入輸出IO模塊與工業機器人通信。

外部設備與機器人硬接線主要借助于倍福模塊，IO模塊的輸出作為機器人的輸入，上位機實時監測打磨過程中變頻器參數變化，當有異常情況時發送相應的IO信號以此達到實時控制機器人運行速度的目的。本次選用的IO模塊使用ModbusTcp通信。

在使用模塊時候，首先保證IO模塊的IP地址和運行設備保護控制系統的工控機在同一網段內，之后將IO模塊的Connect及read和write功能放置在單獨的名字為IOInstruction類中方便主界面調用。

在主界面使用時只需完成連接IO模塊，當需要控制機器人運行狀態時，調用IOInstruction類的write函數按照與機器人的約定通過IO模塊中發送命令。

四、系統可行性驗證及結果分析

首先啟動設備保護控制系統，軟件運行之前需要一系列的參數檢查，包括與OPC服務器之間參數配置（保證與控制器之間通信正常），變頻器參數獲取通過UDP通信（IP地址+端口號），IO模塊的IP地址等，尤其特別注意若OPC服務器參數配置，若服務器尚未開啟則系統提示啟動服務器，服務器正常啟動后檢查服務器中是否包含有軟件中使用的所有標簽，若軟件中使用的標簽服務器中并沒有創建，會導致軟件異常退出，所以啟動前的各項檢查是必不可少的環節。

軟件啟動完成之后，從控制器中獲取當前生產狀態，簡單來說即工業機器人是否在工作，若在非工作狀態則軟件不會機器人控制，若在工作過程中，軟件實時讀取變頻器參數信息并將參數信息繪制成波形直觀顯示，通過一定的算法對檢測到的數據進行分析，判斷整個系統工作狀態是否正常，同時根據大量的數據分析正常工作范圍。控制軟件實時數據采集如圖3所示。

打磨階段的數據分析使用了后臺處理，由于需要實時讀取并分析數據，本系統使用線程池，相比手動創建的線程線程池可以復用，減少了創建線程的時間。

由圖4、圖5可知，同種型號的不同工件打磨時傳感器監測到的數據也會有不同，驗證了設備保護控制系統提出的初衷。

五、總結

打磨單元設備保護控制系統創造性的解決了鑄件毛坯異常特征隨機出現的技術難題。可以有效解決因清理特征差異_生、設備故障等原因造成打磨到工件本體和損壞設備的風險。可充分保證清理加工系統的可靠性，防止加工系統的損壞或者重大安全事故發生。同時當遇到較大的凸瘤等清理特征時，能夠保證完全、可靠去除。對鑄件自動清理系統的剛性以及在震動工況下的特性影響小。可以克服浮動工具的缺點，沒有應用場合限制。所以本系統可以廣泛應用于各種機械粗加工場合。