自動(dòng)打磨機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

石 昊，李慶章

(1.山西工程技術(shù)學(xué)院 電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，山西 陽(yáng)泉 045000； 2.陽(yáng)泉華越八達(dá)礦用電氣制造有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引 言

新工科是在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟(jì)背景下工程教育改革的重大戰(zhàn)略選擇，是今后我國(guó)工程教育發(fā)展的新思維、新方式。新工科反映了未來(lái)工程教育的形態(tài)，是與時(shí)俱進(jìn)的創(chuàng)新型工程教育方案，需要新的建設(shè)途徑，新工科背景下，地方應(yīng)用型本科高校應(yīng)面向未來(lái)，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備是高校建設(shè)“新工科”的硬件基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備的建設(shè)情況會(huì)直接影響到實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程教學(xué)效果，地方高校的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)積極探索適合本學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備建設(shè)路徑[2]。

目前，地方高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備建設(shè)方面存在的主要問(wèn)題有：① 被動(dòng)選擇廠家儀器設(shè)備，與學(xué)校實(shí)際教學(xué)情況契合度不足；② 實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間關(guān)聯(lián)度低，導(dǎo)致相關(guān)課程與課程、專業(yè)與專業(yè)之間的融合度和協(xié)調(diào)性不足；③ 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的靈活性和可擴(kuò)展性不足，不利于學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。這些問(wèn)題的存在制約了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革，延緩了學(xué)校建設(shè)“新工科”的步伐[3-4]。“新工科”背景下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備，應(yīng)該是既能滿足專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)需求，又要與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，融合本專業(yè)多門課程甚至跨專業(yè)相關(guān)課程的理論知識(shí)，適宜踐行CDIO教學(xué)模式，適宜實(shí)施以學(xué)生為主導(dǎo)的探索式學(xué)習(xí)模式的實(shí)驗(yàn)裝置。基于上述理念，本文所在實(shí)驗(yàn)室針對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)打磨機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置[5-6]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置的功能和構(gòu)成

打磨工藝是現(xiàn)代制造業(yè)生產(chǎn)和維護(hù)產(chǎn)品時(shí)常用的一種加工手段，本文的自動(dòng)打磨機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)合了數(shù)控機(jī)床技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，可以模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)打磨對(duì)象表面打磨的過(guò)程。自動(dòng)打磨機(jī)器人實(shí)物如圖1所示，裝置采用了笛卡爾坐標(biāo)系龍門架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以從頂部靠近打磨對(duì)象，能夠提供更大的操作空間，有利于控制實(shí)驗(yàn)裝置的體積[7]。

圖1 自動(dòng)打磨機(jī)器人實(shí)物圖

自動(dòng)打磨機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。本實(shí)驗(yàn)裝置采用了分散控制的方式[8]，以PLC和單片機(jī)為主要控制設(shè)備，兩個(gè)控制器之間利用Modbus RTU協(xié)議通信，以觸摸屏作為人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)打磨機(jī)器人的操作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括X、Y、Z軸3條直線導(dǎo)軌，夾持固定機(jī)構(gòu)和二軸打磨機(jī)械臂[9]三部分。X軸導(dǎo)軌固定在龍門架底部基座上;Y軸導(dǎo)軌固定在龍門架頂部;Z軸導(dǎo)軌固定在Y軸導(dǎo)軌的滑塊上。夾持固定機(jī)構(gòu)固定在X軸的滑塊上，二軸打磨機(jī)械臂固定在Z軸的滑塊上。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

(1) 控制系統(tǒng)。自動(dòng)打磨機(jī)器人控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示，其中PLC選用西門子S7-1200系列的產(chǎn)品，包括一個(gè)1214C型CPU模塊、一個(gè)SB1222型數(shù)字量輸出信號(hào)板和一個(gè)CM1241型RS-422/485通信模塊。選用MOSFET場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出型CPU，數(shù)字量輸入輸出接口分別有14個(gè)和10個(gè)，有1個(gè)Profinet以太網(wǎng)端口[10]。單片機(jī)選用的是Arduino UNO開(kāi)發(fā)板，具有14個(gè)數(shù)字量引腳和6個(gè)模擬量輸入引腳，其中6個(gè)數(shù)字量引腳可以輸出8位PWM脈沖，支持UART、USB、TWI、SPI等多種通信方式[11-12]。西門子PLC主要控制X、Y、Z軸3條直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)軌跡，Arduino單片機(jī)負(fù)責(zé)控制夾持固定機(jī)構(gòu)和二軸打磨機(jī)械臂。

(2) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)。夾持固定機(jī)構(gòu)用來(lái)固定打磨對(duì)象，包括一個(gè)機(jī)械夾和一個(gè)用來(lái)幫助打磨對(duì)象歸位的部件，機(jī)械夾上裝有漫反射型光電傳感器，機(jī)械夾由可以反饋扭力的總線舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，歸位部件由PWM舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。二軸打磨機(jī)械臂末端固定著打磨電動(dòng)機(jī)，打磨電動(dòng)機(jī)采用直流無(wú)刷電機(jī)，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，打磨電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)打磨頭轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)打磨動(dòng)作。打磨電動(dòng)機(jī)旁固定了一個(gè)接近傳感器，用來(lái)確定打磨頭與打磨對(duì)象之間的距離。二軸機(jī)械臂由兩個(gè)PWM舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以調(diào)整打磨電動(dòng)機(jī)的姿態(tài)。X軸直線導(dǎo)軌滑臺(tái)帶動(dòng)夾持固定機(jī)構(gòu)移動(dòng)，可以調(diào)整打磨對(duì)象的位置，Y軸直線導(dǎo)軌滑臺(tái)帶動(dòng)Z軸移動(dòng)，Z軸直線導(dǎo)軌滑臺(tái)帶動(dòng)二軸打磨機(jī)械臂移動(dòng)，Y軸和Z軸直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)決定了二軸打磨機(jī)械臂的空間位置。X、Y、Z軸三條直線導(dǎo)軌由3臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

2.2 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行總流程圖如圖4所示，自動(dòng)打磨機(jī)器人開(kāi)機(jī)后會(huì)自動(dòng)回歸原位，然后在觸摸屏上選擇工作模式，有自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式。如果選擇自動(dòng)模式，裝置會(huì)按照程序預(yù)設(shè)的方案自動(dòng)完成打磨過(guò)程，受硬件條件限制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)打磨對(duì)象的頂部、正面和一個(gè)側(cè)面的打磨；如果選擇手動(dòng)模式，先按照需要修改打磨參數(shù)，然后再按工藝流程完成打磨動(dòng)作。

圖4 總流程圖

(1) PLC控制程序。西門子S7-1200系列PLC的程序編輯軟件是TIA 博途軟件平臺(tái)下的STEP 7編程軟件，利用軟件中的“軸”工藝對(duì)象功能和相關(guān)運(yùn)動(dòng)指令，可以方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。本文實(shí)驗(yàn)裝置在程序里添加了3個(gè)“軸”工藝對(duì)象，分別對(duì)應(yīng)了X、Y、Z軸直線導(dǎo)軌，設(shè)置好參數(shù)之后就可以用相關(guān)運(yùn)動(dòng)指令控制直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)，程序流程圖如圖5所示。PLC接收到由Arduino單片機(jī)傳輸?shù)拇蚰?duì)象已經(jīng)固定完畢的信號(hào)后，X軸滑臺(tái)將打磨對(duì)象運(yùn)送至打磨區(qū)域，Y和Z軸共同動(dòng)作移動(dòng)打磨機(jī)械臂，直到機(jī)械臂末端固定的打磨頭與打磨對(duì)象接觸后停止動(dòng)作。然后X、Y、Z軸共同動(dòng)作，使打磨頭按照預(yù)設(shè)打磨軌跡運(yùn)動(dòng)，打磨動(dòng)作完成后，X、Y、Z軸各自回到原位，等待下一次動(dòng)作。

圖5 PLC程序流程圖

(2) Arduino控制程序。Arduino UNO單片機(jī)編程使用的是Arduino IDE軟件，主程序采用的是循環(huán)執(zhí)行方式，編程語(yǔ)言以C++語(yǔ)言為基礎(chǔ)。由于單片機(jī)需要同時(shí)與PLC和驅(qū)動(dòng)機(jī)械夾的總線舵機(jī)進(jìn)行通信，所以利用SoftwareSerial庫(kù)函數(shù)定義引腳12和13為軟串口，硬件串口引腳1和0負(fù)責(zé)與PLC通信，軟串口引腳12和13負(fù)責(zé)與總線舵機(jī)通信，具體程序流程圖如圖6所示。固定夾持機(jī)構(gòu)的光電傳感器檢測(cè)到打磨對(duì)象后，歸位部件動(dòng)作，使打磨對(duì)象貼緊機(jī)械夾根部，然后機(jī)械夾夾緊打磨對(duì)象，當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械夾的總線舵機(jī)扭力輸出達(dá)到設(shè)定值時(shí)，保持設(shè)定扭力輸出，同時(shí)歸位部件復(fù)位，并向PLC發(fā)出打磨對(duì)象已經(jīng)固定完畢的信號(hào)。之后，Arduino單片機(jī)按照設(shè)定的打磨方式調(diào)整二軸打磨機(jī)械臂的姿態(tài)，同時(shí)PLC控制的X、Y、Z軸直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，使打磨頭與打磨對(duì)象接觸，并向Arduino單片發(fā)送打磨頭就位信號(hào)。接收到打磨頭就位信號(hào)后，Arduino單片機(jī)啟動(dòng)打磨電動(dòng)機(jī)，按照設(shè)定好的速度和方向轉(zhuǎn)動(dòng)，配合X、Y、Z軸直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)完成打磨動(dòng)作。打磨動(dòng)作完成則停止打磨電動(dòng)機(jī)，同時(shí)二軸打磨機(jī)械臂回歸原位，X軸滑臺(tái)回到原位后，機(jī)械夾放松，等待下一次動(dòng)作。

圖6 Arduino程序流程圖

(3) 觸摸屏程序。實(shí)驗(yàn)裝置人機(jī)界面使用的是凌控公司的LC070SL型7寸觸摸屏，通過(guò)以太網(wǎng)端口利用Modbus TCP協(xié)議與PLC通信。凌控觸摸屏使用ArgusSoft組態(tài)軟件進(jìn)行界面開(kāi)發(fā)，針對(duì)自動(dòng)打磨機(jī)器人的操控開(kāi)發(fā)了4個(gè)窗口界面，分別是主界面、自動(dòng)模式界面、手動(dòng)模式界面和參數(shù)設(shè)置界面，觸摸屏開(kāi)機(jī)時(shí)首先顯示主界面，在開(kāi)始工作之前，可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置界面修改預(yù)設(shè)的打磨參數(shù)，然后按照需要選擇進(jìn)入自動(dòng)模式界面或者手動(dòng)模式界面，進(jìn)行對(duì)應(yīng)模式的操作。

3 實(shí)驗(yàn)裝置在教學(xué)中的應(yīng)用

自動(dòng)打磨機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置，以培養(yǎng)創(chuàng)新型卓越工程技術(shù)人才為目標(biāo)而開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置[13]，裝置主控制器包括PLC和單片機(jī)，需掌握3種編程軟件及梯形圖和C++編程語(yǔ)言，運(yùn)用了TCP/IP，Modbus TCP，Modbus RTU，UART，WiFi等多種通信方式，應(yīng)用了舵機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)等多種電動(dòng)機(jī)，體現(xiàn)了學(xué)科交叉和課程融合的理念。制定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，充分發(fā)揮了自制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備可以一切圍繞教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，以工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程為導(dǎo)向，制定了基礎(chǔ)型、應(yīng)用型、綜合設(shè)計(jì)型和拓展創(chuàng)新型4個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)圖7。4個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由基礎(chǔ)到綜合，有利于引導(dǎo)學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探索，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的開(kāi)拓創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力，充分挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力[14-15]。

圖7 基于自動(dòng)打磨機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

4 結(jié) 語(yǔ)

地方高校建設(shè)“新工科”對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備建設(shè)提出了更高的要求，尤其是對(duì)于處在傳統(tǒng)資源型經(jīng)濟(jì)區(qū)域的地方高校，實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備建設(shè)理念和途徑都需要革新。自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備能夠充分考慮學(xué)校實(shí)際情況，為本校專業(yè)量體裁衣、量身定制，本文設(shè)計(jì)制作的自動(dòng)打磨機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置正是“新工科”背景下實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備建設(shè)的一種嘗試，是實(shí)驗(yàn)室為更好地服務(wù)地方高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才、建設(shè)“新工科”而進(jìn)行的積極探索。