自動化打磨集成工作站設計與實現(xiàn)

魏秋軒 胡旻輝 黃斌達

（中國航空工業(yè)集團公司金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇南京 211106）

0 引言

在“中國制造2025”戰(zhàn)略背景下，以工業(yè)機器人應用為核心的智能制造工廠近年來得到了極大的發(fā)展[1]。隨著機器人易用性、穩(wěn)定性及智能化水平的不斷提升，大批量加工作業(yè)采用工業(yè)機器人自動化生產方式不但可以極大地提高生產效率，還可以極大地提高良品率和生產穩(wěn)定性，是未來制造業(yè)轉型升級的重要發(fā)展方向[2-4]。

傳統(tǒng)的人工打磨方式存在許多劣勢，如對操作人員加工技能水準要求較高，導致生產效率低、人工成本高，且由于人工技術水平不一，零件打磨質量一致性也難以得到保證。目前，基于工業(yè)機器人的自動打磨技術在很多領域有所運用，例如練琛等人設計了工業(yè)機器人與臺磨機的協(xié)同打磨系統(tǒng)，可以完成普通工件的打磨[5]；浙江工業(yè)大學的黃琴設計了基于工業(yè)機器人的水龍頭拋光系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過機器人夾持水龍頭，在砂帶機構上進行拋光[6]；劉海龍等人通過Robot Studio軟件，完成了對汽車輪轂打磨的仿真過程[7]；M .C.Lee等人基于一臺三自由度加工中心和一臺兩自由度工業(yè)機器人搭建出適用于曲面拋光的五自由度拋光設備，并完成實驗仿真驗證[8]。

以上應用大部分是針對多批量、單一品種零件的自動化打磨加工，且大多使用機器人夾持零件在打磨設備上加工的方式，而航空機載零件品種多、結構復雜、形狀各異，在機加工后需進行表面拋光、毛刺清理及修形等加工，屬于最終的精加工工序，需要借助多種工具完成多項打磨內容。本文針對航空機載零件，設計了具備高柔性、高度靈活性的自動化工作站，可以配備各種柔性、剛性工具，實現(xiàn)對多品種零件的自動化集成打磨。

1 系統(tǒng)需求分析及總體設計

1.1 系統(tǒng)需求分析

采用傳統(tǒng)人工方式打磨零件時，會根據(jù)不同打磨內容采用毛刷、旋轉銼刀、砂紙等工具完成打磨。例如在清理毛刺時會使用旋轉銼刀或毛刷；在拋光時會使用砂紙、毛刷及百頁輪；在零件修形時會用到旋轉銼刀。其中毛刷和旋轉銼刀等工具也有很多分類。毛刷有陶瓷纖維刷、尼龍刷、布輪刷等，旋轉銼刀也有圓錐形和圓柱形、雙槽和單槽之分，打磨效果各不相同，需要多種工具配合完成打磨。

搭建打磨工作站系統(tǒng)，需要滿足物料流動自動化和信息自動化兩方面需求。物料流動自動化一方面指將待加工件、工具等由外界搬運進系統(tǒng)，以及將加工好的成品、更換后的工具從系統(tǒng)運出；另一方面指工件與工具等在系統(tǒng)內部的搬運與存儲。信息自動化主要指在工作站系統(tǒng)加工時，需要獲取加工任務、工件要求、加工方法、切削參數(shù)及工具要求等方面的信息，并且將加工過程中的各種系統(tǒng)狀態(tài)信息存入系統(tǒng)，實現(xiàn)對加工狀態(tài)的監(jiān)控。

結合人工打磨經(jīng)驗與自動化打磨系統(tǒng)的需求，工作站系統(tǒng)需要具備存放與更換各種工具功能、自動上下料功能、調整零件打磨位置功能、人機交互功能及狀態(tài)監(jiān)控功能等。

1.2 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)主要由工業(yè)機器人、機器人控制器、快換夾頭、控制系統(tǒng)、旋轉工具庫、旋轉工作臺、固定打磨頭、送料工裝臺、翻轉機構、吸塵裝置組成。

系統(tǒng)布局圖如圖1所示。工業(yè)機器人選用ABB機器人IRB4600-40/2.5，最大負載40 kg，有效臂展為2.55 m。旋轉工具庫有3層，每層4個存放位，分別成90°夾角，共12個工具存放位，用于存放工具與夾爪，并通過伺服電機驅動旋轉與機器人程序配合，使工具庫旋轉至所需的工具位置，然后由機器人進行更換夾取。工具及機器人末端都配有快換夾頭，用于機器人快速更換工具。翻轉機構采用氣缸驅動齒輪齒條的方式，搭配精密減壓閥防止零件夾傷，以機器人搭配完成零件的翻轉，便于完成零件各面打磨。旋轉工作臺利用電機驅動工裝，根據(jù)零件打磨位置旋轉至最佳打磨位置，回轉定位氣缸對工作臺進行定位，同時預壓氣缸可以對零件預壓夾緊。固定打磨頭共有4個，具有浮動功能，可配備不同工具，實現(xiàn)機器人夾持零件并通過不同打磨工具交替加工。送料工裝臺由氣缸驅動料盤進行送料。控制系統(tǒng)由密封式電控柜、散熱過濾系統(tǒng)（高效散熱風扇、濾網(wǎng)）等電氣控制元件組成。

圖1 系統(tǒng)布局圖

根據(jù)不同的零件質量、零件體積、打磨工藝，機器人可以通過兩種方式進行打磨加工：（1）由機器人根據(jù)指令切換合適的夾爪將零件夾持至伺服工作臺進行定位夾持，機器人自動切換不同的毛刷進行拋光去毛刺后，切換夾爪將零件送至送料工裝臺；（2）由機器人根據(jù)指令切換合適的夾爪將工件夾持至不同的工具處進行交替拋光去毛刺，加工完畢移送至送料工裝臺。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 電氣硬件設計

電氣控制硬件主要包括PLC、觸摸屏、伺服電機控制器、傳感器等，如圖2所示。工作站控制系統(tǒng)選用FX 5U-80MT/ES三菱PLC，該型號PLC 可以實現(xiàn)1.5K 字節(jié)/ms的通信速度，在編程軟件上可以進行模塊組態(tài)，內置SD 卡槽、2入1出模擬量、以太網(wǎng)接口等，穩(wěn)定性高、功能強、速度快。作為控制系統(tǒng)的核心，PLC 系統(tǒng)接收傳感器的狀態(tài)監(jiān)控信息，與機器人控制器通過I/O 端口進行數(shù)字信號傳輸，同時與人機交互硬件觸摸屏通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳送。在PLC 系統(tǒng)接收相應指令后，通過對電磁閥、伺服控制器、變頻器等的控制實現(xiàn)翻轉機構、送料工裝臺、旋轉工作臺、旋轉工具庫等機構的運行。機器人控制器作為機器人的控制系統(tǒng)，通過示教器對機器人路徑進行編程，并根據(jù)程序對機器人運動進行控制。觸摸屏作為人機交互硬件，負責打磨程序運行、控制指令下達、工藝參數(shù)設置以及工作站的狀態(tài)監(jiān)控顯示等。傳感器作為檢測裝置，通過限位開關、接近開關、光電管等元件對工作站中各種裝置狀態(tài)進行檢測，并將信號傳輸給PLC。

圖2 控制系統(tǒng)結構圖

2.2 氣路設計

工作站的氣路主要包括氣源、氣源處理裝置及控制氣路。氣源處理氣路中的元件主要有過濾減壓閥、油霧分離器、微霧分離器。其中過濾減壓閥起到減壓、穩(wěn)壓的作用，并過濾壓縮空氣中的大部分水分和雜質；油霧分離器和微霧分離器可以對壓縮空氣中的油霧、水霧或粉塵進行過濾。控制氣路中的元件主要由三位五通電磁閥、速度控制閥及減壓閥組成。三位五通電磁閥作為方向控制閥，通過對氣體方向進行控制，從而調節(jié)驅動裝置的運動方向；速度控制閥屬于流量控制閥，可以保持氣體流量不變，使其不受負載影響，從而控制執(zhí)行元件的作動速度；減壓閥屬于壓力控制閥，通過對氣體壓力的控制，使驅動裝置輸出恒定的力。

氣路如圖3所示，工作站中送料定位氣缸、翻轉齒條推拉氣缸、回轉定位氣缸及回轉預壓氣缸需要不受負載影響，保持恒定的工作速度，因此利用調速閥進行控制；預壓氣缸、夾爪、浮動頭等執(zhí)行機構直接接觸零件，需要保持合適的工作壓力，避免損傷零件，因此利用減壓閥進行壓力控制。

圖3 氣路控制圖

2.3 軟件設計

軟件設計主要包括觸摸屏編程、PLC 編程以及機器人編程。

觸摸屏選用Proface，通過GP-ProEX 軟件進行編程。主要功能為設備輸入/輸出信號狀態(tài)監(jiān)視、氣缸控制、回轉機構伺服控制、工具庫伺服控制等，如圖4～圖6所示。氣缸控制頁面可以對送料氣缸、預壓氣缸、翻轉夾爪、快換夾頭、回轉氣缸、翻轉氣缸動作進行控制；回轉機構控制頁面主要對旋轉工作臺伺服電機轉動角度及速度進行控制；工具庫控制頁面主要用于工具庫伺服電機轉動角度位置控制。當用戶操作觸摸屏時，觸摸屏系統(tǒng)通過以太網(wǎng)對PLC 系統(tǒng)發(fā)出相應指令，從而完成對工作站機構的控制。

圖4 氣缸指令頁面

圖5 回轉機構指令頁面

圖6 工具庫指令頁面

三菱FX 5U 型號PLC 通過GXWorks3軟件進行編程。程序模塊主要包括輸入/輸出映射、伺服程序、報警記錄、原點回歸、機器人信號等。輸入/輸出映射模塊定義了系統(tǒng)的輸入與輸出，輸入包括各種傳感信號與觸摸屏按鈕，輸出包括電磁閥，用于控制氣缸等機構。伺服程序模塊定義了伺服位置范圍，并根據(jù)用戶要求對伺服電機輸出相應速度與位置的脈沖信號，完成對伺服電機的控制。報警記錄模塊通過傳感器對設備狀態(tài)進行監(jiān)控，將異常狀態(tài)傳輸給PLC，并記錄下異常位置。原點回歸用于系統(tǒng)報錯或異常時，將系統(tǒng)恢復初始狀態(tài)。機器人信號模塊定義了PLC 與機器人I/O 端口交互信號的功能，由于機器人輸入DI與輸出DO最多各為16個信號，無法滿足所需功能數(shù)量要求，因此采用組合信號的方式，如表1及表2所示。表1為機器人輸入信號定義，將DI3至DI9輸入定義為組信號GI1，可以實現(xiàn)64個輸入信號組合，以此實現(xiàn)更多功能定義。

表1 機器人信號輸入

表2 機器人組信號輸入

機器人通過示教器進行運動路徑編程。ABB 機器人的編程語言為RAPID，具有較大的靈活性和拓展性，也支持用戶自己定義數(shù)據(jù)類型，是一種很強大的工業(yè)機器人編程語言。在編程時，主要使用機器人與PLC 交互的I/O 端口信號控制指令與機器人手臂運動控制指令。其中，I/O 端口信號控制常用指令主要有SETDO（數(shù)字信號置位）、WAITDI（數(shù)字輸入信號判斷）、WAITDO（數(shù)字輸出信號判斷）、RESET（數(shù)字信號復位）等，機器人運動常用指令主要有Move A BsJ（絕對位置運動指令）、MoveJ（關節(jié)軸運動指令）、MoveL（直線運動指令）、MoveC（圓弧運動指令）等。

3 調試與試驗

為驗證工作站的自動化打磨效果，選用航空機載葉輪零件為試驗對象，需要對葉輪葉片進行修形并拋光，對外邊小葉片毛刺進行去除。首先在PLC 系統(tǒng)中根據(jù)相應打磨動作順序，編寫自動運行程序，與機器人交互，實現(xiàn)程序自動運行，達到自動化打磨的目的。在示教器中對零件抓取路徑、旋轉銼刀修形加工路徑、毛刷拋光與毛刺清理路徑進行編程。

調試完成后進行打磨試驗，具體流程為：

（1）人工將零件放入送料工裝臺，通電后開始程序；

（2）送料工裝臺送料，機器人更換夾爪，將零件放入旋轉工作臺；

（3）工作臺氣爪夾緊零件，機器人更換旋轉銼刀進行修形；

（4）機器人更換毛刷對零件表面進行拋光，清理毛刺；

（5）機器人更換夾爪，將零件放入送料工裝臺；

（6）送料工裝臺下料，程序結束。

根據(jù)流程完成多個葉輪零件打磨，打磨前后如圖7、圖8所示，對比發(fā)現(xiàn)打磨效果良好，效率高，穩(wěn)定性好。

圖7 葉輪打磨前

圖8 葉輪打磨后

4 結語

本文以航空機載零件打磨為出發(fā)點，分析了自動化打磨工作站系統(tǒng)需求，搭建了基于工業(yè)機器人與PLC的自動化打磨集成工作站。該自動化打磨工作站可以對零件進行表面拋光、毛刺清理及修形，并通過控制系統(tǒng)與機械裝置實現(xiàn)自動化零件打磨，具有較高的靈活度及柔性，可以完成大部分零件的打磨任務，大大解放勞動力，為制造業(yè)數(shù)字化轉型提供參考。