陈富夫， 刘建新

(西华大学机械工程与自动化学院 ，四川成都 610039)



MCGS和PLC在抛光机器人上的应用

陈富夫， 刘建新

(西华大学机械工程与自动化学院 ，四川成都 610039)

摘要抛光轨迹和抛光力是抛光工艺中的两个重要参数，本文通过运用MCGS组态软件，触摸屏，PLC控制器等软硬件设备对原有的抛光机器人运动控制系统进行了改进，实验结果表明该系统达到预期要求，更具实用性。

关键词机器人MCGS组态软件PLC运动控制

0引言

抛光是机械加工过程中的的一项重要工序，其目的是去除上一步加工后的加工痕迹，以及零部件四周和表面的毛刺，以获得光滑、光亮的表面，满足零件表面粗糙度等技术要求。目前该工艺的实施主要还是靠工人手持抛光工具对产品工件进行打磨抛光，这种方式效率低下、产品质量次，工作工程中的细微粉尘非常伤害工人身体，高速旋转的打磨机等工具也具有危险性，稍有不慎就可能引发安全事故。同时伴随用企业用工成本的持续上涨，加之机器人制造技术和控制技术的飞速发展，目前国内外许多制造型企业也都引进了基于机器人的自动化技术，但这类机器人系统复杂，使用成本和维护成本都不低，对一些微利的制造企业而言是不小的负担。针对这种情况，本文利用组态软件，PLC控制器等软硬件设备对前期搭建的抛光机器人运动控制系统进行了大胆地改进，重新设计了更合理的人机控制界面和控制程序，工人通过该界面就能非常方便的根据需要完成对工件的抛光。

1抛光原理介绍

根据赫兹接触理论，两物体因受压相触后将会产生局部应力和应变，在接触点附近材料会发生局部变形，变形区域近似椭圆形，各处的形变量由于材料本身特性的不同也不同，这使得表面各单位面积上的压力也不相同，但是垂直方向上将产生最大的力，这个力就是抛光力。抛光工具对模具表面进行抛光时，在法向抛光力的作用下两者之间形成一个接触区域，模具表面材料的去除就发生在这个区域内，所以在抛光工艺中，抛光力恒定对抛光效果起着主要作用。针对大批量，规格化的产品，在人工抛光过程中的接触力和工具运动速度就很难保持恒定，影响抛光效果。

结合具体实践经验来看，抛光方式大致可归结为两类：一类是固定工件，抛光工具相对工件运动；一类是固定抛光工具，工件相对工具运动。但是对于表面积较大的工件，多数情况下采用的是第二种方式。此外，抛光轨迹的均匀性也十分重要，它保证了工件表面各点具有相同的材料去除率。由此推断抛光过程中的抛光力和抛光运动方式是影响抛光效果的两个至关重要的因素。

2控制系统介绍

2.1系统组成及原理

该系统硬件由直角坐标机器人骨架、PLC控制器、触摸屏、伺服驱动器等组成。直角坐标机器人是一种以单个运动轴的直线运动为基础,在空间上一般分为水平运动的x轴和Y轴以及垂直运动的Z轴组成的设备，该类机器人具有6个自由度，可以在允许的空间范围中随意运动，因此具有很大的灵活性。由于需要保证机器人一定的运动精度，所以该机器人所有轴的驱动均采用交流伺服电机作为动力源，电机型号均为松下A4系列的MSMD042P1U，伺服驱动器型号为MBDDT2210，相关参数设置为出厂设置，考虑到传动的平稳性以及系统的载荷能力，三轴均配置相应的高精度齿轮减速器。系统采用台达系列的小型PLC作为机器人控制核心，它通过接收上位机发出的指令来完成对机器人运动的控制。触摸屏作为人机交互的媒介，通过RS—232串口完成与下层控制器的连接，以便快速的将PLC内存中的数据反馈到界面上。控制系统总体框图如图1所示：

2.2PLC与MCGS的通信和数据连接

组态软件MCGS是数据采集与过程控制的专用软件，具有它丰富的动画图形功能和全中文的操作环境。作为人机交互的软件媒介，它必须与PLC建立通信才能完成对机器人的控制和数据采集工作。点击MCGS软件的设备窗口，在弹出的设备窗口中选择设备串口父设备，根据控制器种类选择对应的PLC种类，设置好后通讯参数后即可完成上位机与PLC的通讯连接。通讯连接建立以后必须在实时数据库中将MCGS中的变量和PLC寄存器一一对应起来才能实现对机器人的控制。台达DVP—32EH机型的PLC支持RS-232通讯方式，通讯参数设置为波特率9600，数据位7位，停止位1位，偶检验方式。通讯连接及参数设置过程如图2所示：

图2　MCGS与PLC通讯连接及参数设置

2.3上位机控制界面设计

上位机操作界面是操作人员对设备进行操作的接口，良好简洁，结构合理的人机界面在设备操作过程中尤为重要。在对工件抛光的过程中并不是对整个工件进行全面抛光，而是根据工艺技术要求和工件表面的状况对工件表面进行选择性的抛光，所以针对不同的情况需要对机械手进行不断的重新定位，考虑到这些因素，利用MCGS的页面关联性属性，分别设计了用于不断调整定位的“单轴监控”界面和用于目标位置抛光和参数输入的“联动监控”界面，两个界面中都利用坐标图来实时显示各轴运动情况，方便对异常情况进行监控。

2.3.1单轴监控界面

该监控界面主要用来对机器人的各个单轴进行位置调整，通过MCGS设计软件的工具箱选择相应的控件图标，在该界面上设置了“原点设置”、“返回原点”、“急停”、“联动”、“轨迹清零”以及X、Y、Z方向上的六个方向控制按钮。调整好各轴位置后，“原点设置”用于设置目标抛光区域的起点。整个界面设置了指示灯来监控触摸屏与PLC的通信情况，操作人员可以通过指示灯的状态变化来发现问题，及时排除故障。

2.3.2联动监控界面

通过“单轴监控”界面中单击“联动”按钮就能进入“联动监控”界面。该界面用于对预定抛光轨迹的选择和抛光区域的范围设置，该系统中预置了四种常用的抛光轨迹模式，用于可根据需要结合零件大小选择相应的模式。该套系统仿照数控系统的设置模式，通过设置抛光范围的X轴、Y轴边界坐标、抛光速度、抛光进给量等各种参数来达到加工要求， 联动界面设计如图3所示。设计好人机操作界面以后，需要再对控件定义变量(数据对象)，组态的上位机控制功能的实现还必须将定义的变量在MCGS的实时数据库中与PLC相应寄存器之间的连接，这样才能实现相应数据的下置和上传。

图3　抛光联动控制界面

2.4下位机程序设计

PLC具有的抗干扰能力强、适应恶劣工作环境的特点使得它成为工业现场广泛采用的工业控制计算机，同时由于该机器人控制系统并不算复杂，综合经济性方面的考虑，选用PLC做控制器是合适的。本系统采用的是台达DVP-32EH型的可编程序控制器，具有32点I/O，软件采用与控制器配套的梯形图编程软件。考虑到整个控制程序较为复杂，考虑到程序的易读性和可修改性，编程过程中采用了主程序加子程序的模块化编辑思路，系统程序主要由主轴控制主程序、四种轨迹控制子程序、循环子程序、步长计算子程序组成，主程序通过控制器内置的CALL指令来完成对子程序的调用。此外，在轨迹计算的过程中使用到了变址寄存器来辅助计算和存放目标区域的地址，使得程序更加简洁和方便。 PLC控制流程图如图4所示。

图4　PLC控制流程图

3实验运行

最后在“联动监控”的控制界面选择圆形轨迹模式(模式三)进行抛光实验，设定目标抛光区域的四个圆弧定位点(20,20)、(40，0)、(20,-20)、(0,0)，步进长度(轮廓进给量)为5mm，抛光过程及加工效果如图5所示：

图5　设备实际运行情况

4实验结论和分析

实验结果表明，抛光力的恒定通过对Z轴的控制得以实现，而对X-Y轴的控制则实现了对轨迹的均匀控制。该套运动控制系统能根据操作人员输入的工艺参数完成目标区域预定轨迹的抛光工序，同时也可以根据现场情况随时调整工艺参数。但是不足之处在于垂直方向上的力不能直观控制，这使得最佳抛光力必须经过多次实验才能取得，这间接影响到了最终的抛光效果，这为系统后续研究和改进指明了方向。

参考文献

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第一作者：陈富夫(1989-)，男，硕士研究生，研究方向：机电控制理论及其应用技术。

Application of MCGS and PLC on Polishing Robot

CHEN Fu-fu, LIU Jian-xin

(School of Mechanical Engineering and Automation, Xihua University, Chengdu 610039)

Abstract：The polishing path and polishing force are two important parameters in the process of polishing. The motion control system for polishing robot was improved by using MCGS configuration software, touching screen, PLC Controller and other software and hardware equipments. The experiment results showed that the system had met the expected requirements and become more practical.

Key words：robot, MCGS configuration software, PLC, motion control

文献标志码：中国分类号：TP249 B

基金项目：四川省科技厅科技支撑计划(2010GZ0132)。

收稿日期：2014-12-20