方形灭菌器自动打磨抛光机器人控制系统设计

2022-09-20李芳昕钱晨文珊珊李超杨帅张勇张春杰

机床与液压 2022年10期

李芳昕，钱晨，文珊珊，李超，杨帅，张勇，张春杰

(1.上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245；2.上海航天工艺与装备工程技术研究中心，上海 200245；3.上海宇航系统工程研究所，上海 201109)

0 前言

打磨抛光是制造业中一项不可或缺的基础工序。传统的打磨抛光一般采用手工的方式，劳动强度大、工作环境恶劣。正因为如此，近年来，我国打磨抛光行业的从业人员急剧减少，“招工难”的现象越来越普遍。从生产的角度来看，人工操作还存在生产效率低、产品一致性差等问题。在3C行业、五金家具、医疗器材、汽车零部件、小家电、重工行业、玻璃行业等，几乎制造业的方方面面，打磨抛光机器人都正迎来庞大的市场需求。

本文作者针对不锈钢方形灭菌器的打磨抛光，以提高自动化打磨抛光程度、逐步取代人工操作、降低劳动强度、改善作业环境为目的，开发了一套自动打磨抛光机器人集成控制系统。

该控制系统采用西门子PLC作为主控单元，安川机器人与打磨抛光末端执行器作为执行单元。其中，安川机器人与PLC建立Profinet总线通信机制，同时基于Qt编程环境搭建上位机人机交互界面，与主控系统PLC采用以太网通信。

1 打磨抛光装备结构及控制流程设计

1.1 装备结构概要

打磨抛光装备主要由机器人系统、装夹工装、导轨传送系统、自动刀具库、除尘装置、电气控制系统组成。机器人集成系统包括机器人本体、机器人第七轴移动平台、打磨抛光末端执行器、自适应力控柔顺装置、快换装置。导轨传送系统包括工件直线输送平台、工件回转台。工件直线输送平台用于工件的运输；工件回转台适用于对称结构工件的打磨。自动刀具库用于放置末端执行器。电气控制系统主要对系统的电、气进行混合控制，实现各分系统的协调动作。

1.2 控制流程设计

自动打磨抛光控制流程如图1所示。

图1 控制流程

打磨抛光作为两道工序，结合不同末端执行器分别完成相应转速的工艺流程。其中，打磨抛光中末端执行器的转速已提前在工艺数据库中选择。在打磨抛光过程中实时监测打磨末端执行器转速变化，若因故障突然停止，则机器人运动暂停，系统报警。此时，系统需人工干预检查并恢复。

2 集成控制系统设计

打磨抛光机器人集成控制方案如图2所示。

图2 集成控制方案

系统的所有分系统统一由中控系统PLC实现协调控制，人机交互界面与PLC之间建立以太网通信，实现人机交互操作、安全监控与故障诊断处理等功能；机器人与PLC之间建立Profinet通信，实现PLC与机器人之间的交互控制；同时PLC与运动系统建立Drive-CLIQ通信，实现打磨电机、传送电机及机器人移动平台的速度、高精度位置控制的需求。

3 控制系统软件关键技术

控制系统软件设计包括三部分：PLC控制软件设计、机器人软件设计、上位机人机交互界面设计。PLC控制软件设计主要完成与上位机人机交互界面、机器人、打磨电机的数据采集、数据交互、逻辑控制等功能；机器人软件设计主要完成与PLC的数据交互；上位机人机交互界面主要完成设备功能操作、监控设备状态、对异常状态的记录与报警等功能。

3.1 PLC控制软件设计

PLC与机器人建立Profinet总线通信，在PLC的网络组态界面，将机器人Profinet通信基板的GSD文件导入进行Ethernet配置，配置成功后，PLC与机器人间以字节形式通信，地址一一对应。

PLC与上位机人机交互界面采用TCP/IP通信，利用PLC提供的以太网通信库LCom，建立PLC与外部以太网设备的数据点与数据点的连续传输。

PLC与打磨电机通过Profinet总线通信，组态方式同机器人，通过设置PKW、PZD实现通信。

3.2 机器人软件设计

安川机器人与外部设备之间的通信是通过并行IO实现的。并行IO是和机器人动作独立或与机器人的动作并行，处理机器人控制器的输入输出。输入输出信号的分类如表1所示。

表1 安川机器人输入输出分类

以外部控制机器人主程序调出与机器人伺服开启状态反馈为例，并行IO编程如下：

STR #20070 //外部输入

OUT #40070 //主程序调用专用输入

STR #50073 //机器人伺服ON专用输出

OUT #30070 //外部输出

3.3 上位机人机交互界面

控制系统采用Qt作为上位机人机交互界面软件开发框架，利用其丰富的信号与槽以及各封装机制进行界面开发。

文中上位机人机交互界面与PLC采用TCP/IP通信方式。上位机作为客户端，PLC作为服务器，网络交互流程如图3所示。

图3 网络交互流程

控制系统上电启动，PLC启动进入网络监听模式，上位机启动，打开网络通信界面，初始化套接字，发送建立连接信号至PLC;PLC接收到客户端接入，发送连接成功信号至上位机。至此，PLC与上位机间建立了可靠的TCP/IP通信连接，从而建立了数据的交互传递机制。

根据自动加工流程与操作对象分类，文中的人机交互界面采用模块化的方式进行设计，特点在于各部分功能模块的显示条理清晰，便于用户操作管理。

打磨抛光控制系统人机交互界面主要由4个功能模块组成，分别为手动模式、自动模式、参数模式、诊断模式。手动模式包含系统中所有单独元器件的操作，便于用户调试。自动模式界面调用机器人自动程序与设计好的自动打磨抛光程序，并能随时暂停、继续与强行中止机器人程序。参数模式中对粗加工、精加工、抛光工序中用到的工件材料、表面粗糙度，砂带品牌、砂带颗粒度、砂带线速度、法向压力、进给速度进行统计与管理，提供记录和查询的功能，方便工艺人员对工艺参数的数据管理。诊断模式中包括报警数据库、打磨时间数据库与报警解除操作。报警记录方便操作人员查看系统状态，打磨时间数据库主要记录砂带寿命，方便工艺人员对选用物料进行统计管理。

4 数据库管理设计

该套控制系统中界面“参数模式”和“诊断模式”中涉及数据库管理设计，共设计了4个数据库，分别为工艺数据库、报警数据库、打磨时间记录数据库、砂带寿命数据库。

系统采用SQLite轻型数据库技术对数据进行管理。SQLite数据库是一个轻量级的关系数据库，占用极小的空间，可存储多达2 TB的数据量。Qt中的QtSql库模块提供了对数据库的支持，其中QSqlDatabase类用来创建连接，QSqlQuery类用来使用SQL语句实现与数据库的交互，QSqlTableModel 提供了基于SQL查询的只读模型，只需更改数据模型即可移植数据存储格式。

以工艺数据库为例,工艺数据库的建立框图如图4所示。

图4 工艺数据库的建立框图

(1)创建名为grinding的打磨工艺数据库。

QSqlDatabase db = QSqlDatabase::addDatabase("QSQLITE");

db.setDatabaseName("grinding.db");

(2)创建工艺表，插入ID、粗精抛光加工砂带品牌、粗精抛光加工砂带颗粒度、粗精抛光加工砂带线速度、粗精抛光加工法向压力、粗精抛光加工砂带进给速度、粗精抛光加工金属材料、粗精抛光加工粗糙度共22个字段。数据库执行以下程序：

QSqlQuery query;

query.exec(QString("create table grinding(id int primary key,harshbrand varchar,harshparticle varch-ar,……)"));

(3)插入工艺数据。在参数模式的“更新”菜单栏中依次填入各工艺参数并点击“添加”按钮时，如图5所示，数据库执行以下程序：

图5 “参数模式”数据库操作界面

QSqlTableModel *model;

model = new QSqlTableModel(this);

QSqlQuery query;

query.prepare("insert into grinding(id,harshbrand,harshparticle,……)values(:id,:harshbrand,:harshparticle,……)");

//获取控件的输入值

int idValue = ui->idLineEdit->text().toInt();

QString harshbrandValue = ui->harshBrandComboBox->currentText();

QString harshparticleValue = ui->harshParticleSizeComboBox->currentText();

//绑定值

query.bindValue(":id",idValue);

query.bindValue(":harshbrand",harshbrandValue);

query.bindValue(":harshparticle",arshparticleValue);

query.exec();

model->select();

(4)在参数模式的“查询”菜单栏中点击“查询”按钮，将会按照输入的金属材料和粗糙度进行查询。数据库执行以下程序：

//选择符合条件的工艺数据，粗加工、精加工、抛光任意工序符合条件均筛选

model->setFilter(QString("1=1 and harshroughness <=′%1′ and harshmaterial=′%2′ or ……").arg(ui->roughnessLineEdit->text()).arg(ui->checkMaterialComboBox->currentText())……);

model->select();

(5)对已存在数据记录条目中的数值修改后，点击“修改”按钮对数据进行保存。数据库执行以下程序：

model->database().transaction();

if(model->submitAll()){model->database().commit();}else{model->database().rollback(); QMessageBox::warning(this,tr("tableModel"),

tr("数据库错:%1").arg(model->lastError().text()));}

(6)选中一行数据记录点击“删除选中行”按钮，将删除该条记录。数据库执行以下程序：

QItemSelectionModel *selections = ui->tableView_parametersdatabase->selectionModel();

QModelIndexList selecteds =selections->selectedIndexes();

foreach(QModelIndex index,selecteds){

int curRow = index.row();

model->removeRow(curRow);}