基于HMI工业机器人砂抛单元砂带磨损补偿管理系统的开发

成楚楚，傅高升，陈鸿玲，宋莉莉，孙泽棠

（1.宁德职业技术学院 机电工程系，宁德 355000；2.福州大学 机械工程及自动化学院，福州 350108；3.闽江学院，福州 350108）

0 引言

随着磨抛行业的不断发展，传统的人工作业已无法满足现代加工需求，环境恶劣，效率低，依赖工人经验，加工一致性低已是磨抛行业亟待解决的问题，为了满足该行业的自动化发展要求，使用工业机器人代替人工已成为了必然的趋势[1]。

傅高升教授科研团队就磨抛行业的问题，与福建长江工业公司，共同设计制造了CMP-60/4-A型工业机器人自动磨抛中心，已经福建省经济贸易委员会的鉴定（闽经贸技术鉴字[2011]2号），实现了磨抛多种材料、形状各异、小批量工件的自动化[2]。之后，团队在此基础上与其他相关单位共同承接了福建省科技重大专项“智能机器人抛光系统研发与产业化项目”，国家高技术研究发展计划（863计划）“磨抛机器人及自动化生产线研发与应用示范项目”[3]，项目已结题并获得了颇丰的科研成果，本文为该项目研究中的一部分。

在项目研究过程中发现，工业机器人砂抛柔性加工单元在磨削后期，砂带因磨损导致工件磨削量减少，加工工件的磨削量不再满足工艺要求，需调整磨削参数补偿工件的磨削量。工厂使用线性提高砂带速度的方式，而砂带的磨损是非线性的，故该方法并不合理[4]。此外，传统的砂带失效检测主要依靠人工判断，对工人的经验依赖性强，还需停机检测，影响生产效率，因此建立砂带的自动补偿管理系统十分必要。

作者先前已研究了砂带磨削参数对工件磨削量的影响规律及砂带磨损补偿策略等方面内容，并取得了一定的科研成果并发表了相关的论文，为砂带自动补偿管理系统建立提供了试验、理论依据，本文在此基础上，将工厂现有的非线性提速补偿方法和作者已研究出的非线性提速补偿策略相结合，建立工业机器人砂抛柔性加工单元中砂带自动补偿管理系统，以满足磨削生产过程对自动化程度要求不断提高的需求[5]。

1 砂带失效点的确定

基于作者先前对砂带磨损补偿策略的研究，在砂带管理系统中，确定砂带的失效点是关键问题，本节将通过试验确定如何判定砂带的失效点。

砂带非线性磨损后期，随着砂带磨损的加剧，工件磨削量低于工艺要求的额定值，此时的砂带已失效，应及时更换砂带，避免不合格工件的产生。在磨削加工中，砂带的磨损情况可通过砂带的磨削性能判断，主要包含以下几个方面[6]：

2）磨削参数不变，当切向磨削力Ft低于某一额定值时，说明砂带己失效；

3）磨削参数不变，当磨削温度超过某一规定温度时，说明砂带已失效。

本文的研究对象为敞开式的磨削环境，不考虑第三种判定方法。基于之前对切向磨削力的测试[7]，由于磨削环境复杂，而测量力的设备对环境要求较高，故水龙头磨削工业生产线不适用该判定方法，因此最终确定通过识别工件磨削量来判断砂带是否失效。

基于非线性提速补偿工件磨削量，在磨削过程中，砂带速度一直以非线性的方式增长。工件的磨损可通过非线性提速的方法得以补偿，然而后期随着砂带速度的不断提高，工件磨削量是否也随砂带速度的增加依然呈上升趋势，下文将通过试验得到工件的磨削量随砂带速度的变化趋势。

工件：水龙头毛坯；尺寸：175mm×70mm×40 mm，周长为4m，宽度为90mm；材料：铸造铜合金（ZCuSn3Zn11Pb4）；砂带：80#DEERFOS韩国鹿牌，型号为JC122；试验设备：IRB 4400-60/1.9 ABB工业机器人和CBB砂抛机，试验设备如图1所示。

图1 试验设备

工件速度：60mm/s、工件进给量：0.2mm，不断提高砂带速度，测量工件磨削量，记录数据，试验结果如图2所示。

图2 砂带速度对工件磨削量的影响

由图2可知，当砂带速度小于25m/s时，提高砂带速度，工件磨削量也变大；然而当砂带速度高于25m/s时，工件磨削量增长变缓并开始下降。因为在磨削的初期，提升砂带速度，同样的时间内砂带与工件的接触面积变大，由磨损变钝的磨粒在高速下也参与磨削，工作的磨粒变多，总磨削量变大；随砂带速度的提高，砂带震动变强，砂带表面磨屑较难堵塞，利于磨削的进行。而后期，不断提高的磨削速度导致弹性磨粒受工件的反冲击频率增加，提高了砂带的弹性退让，砂带的实际切入深度降低，工件磨削量减少[8]。

2 磨削参数识别补偿管理流程

根据作者先前的研究内容可知，当工件磨削达到预定加工件数时，通过比较当前砂带磨削条件下的工件磨削量m1与标准磨削量m0（本文中m0=11.3g[4,5]），若满足式(1)，则不需进行进一步补偿，按照原先的磨削参数继续加工。

非线性提速补偿策略下，砂带的提速式(3)。

V1为当前砂带的速度，V2是为了补偿工件磨削量m1到标准磨削量m0，应当提高到的砂带速度。

砂带智能管理系统磨削参数识别及非线性提速补偿策略管理流程如图3所示。

图3 砂带识别补偿管理系统流程图

该流程图可解决线性提高砂带速度补偿方法与砂带非线性磨损之间的矛盾，补偿线性提速造成的累积误差，保持工件加工的一致性。由于磨削加工工件型号、尺寸、材料不同，均会导致磨削状态的改变[9]。该补偿策略不需要根据磨削加工的试验数据进行拟合，得到砂带磨损的数学模型，而是通过测量工件磨削量与标准磨削量的对比进行判断，通过公式计算应提高的砂带速度。该方法可适用于各种加工条件下砂带的在线补偿，适应自动化制造系统中加工对象不断变换的需求，符合柔性加工的理念，适用于工厂生产。

3 基于HMI的可视化砂带智能管理系统

本文利用PLC编程搭建磨削参数识别和非线性提速补偿的砂带可视化智能管理系统，通过HMI（人机界面），实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换[10]。

系统控制界面可在线监控自动抛光系统的磨削参数，机器人自动抛光系统的控制界面如图4所示。

图4 机器人自动抛光系统控制界面

根据作者先前的研究，确定了砂带的磨削参数识别方法及补偿策略，现通过WinCC软件建立砂带可视化智能管理系统，显示内容如下：

1）当前加工数量

通过机械手带动完成磨削的工件触碰碰撞开关统计已加工工件的数量，通过智能管理系统HMI人机界面显示结果。

2）砂带提速系数及智能砂带提速速度及当前砂带速度变化曲线。

本文的提速补偿策略在传统线性提速的基础上，结合非线性提速补偿策略，更有效地补偿了工件磨削量。砂带智能管理系统读取当前的砂带速度，固定显示传统线性提速系数，并显示通过PLC计算得到的智能砂带的提速速度，通过数值与曲线相结合的方式，操作者可直观了解当前砂带的速度变化情况。

3）取样工件磨削量及变化曲线

通过称重设备测量工件磨削量，并通过HMI人机界面读取并显示测量结果。固定显示标准磨削量，更直观地比较取样磨削量和标准磨削量。数值与曲线相结合，记录历史结果，更好地呈现工件磨削量的补偿情况，便于砂带的管理。可人工输入取样磨削量，若测量结果误差较大，则可通过人工测量并输入取样磨削量值，避免测量误差影响磨削参数的识别及调控，影响工件的加工一致性。

4）磨削参数、加工状态及砂带状态

砂带可视化智能管理系统固定显示砂带的磨削参数。此外，当加工单元工作时，加工状态显示为绿色；当加工停止时，加工状态显示为红色。砂带工作正常时，砂带状态为绿色；当应提高的砂带速度大于25m/s时，此时砂带失效，砂带处于报废状态，系统自动停止生产线的磨削工作，砂带状态灯变为红色，智能管理系统自动报警，提示工人及时更换砂带。

5）非线性提速补偿的智能开关

本系统可智能选择是否使用非线性提速补偿策略，若点击智能补偿开关禁用按钮，则关闭非线性提速补偿策略，仅使用传统提速补偿方式对工件磨削量进行补偿。

本文设计的砂带智能管理系统界面如图5所示。

4 结语