孔袁莉，付宏文，苏 达，梁世盛，张秋华

(上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245)

0 引言

随着机械加工制造业的迅速发展，打磨抛光机器人正逐渐取代传统手工打磨，完成对工件表面的打磨抛光[1]。目前,打磨抛光机器人已运用于工件的表面打磨、焊缝打磨、棱角去毛刺、内腔内孔去毛刺、螺纹口加工等工作中，并在卫浴五金行业、IT行业、汽车零部件、工业零件、医疗器械、木材建材家具制造、民用产品等行业得到了广泛应用[2]。机器人自动化打磨系统可以确保打磨效果的一致性和精确性，提高加工效率，降低废品率，而且能够降低成本，改善工人作业环境[3-4]。机器人打磨抛光系统在复杂曲面加工领域具有明显的优势，对推动科技发展具有非常重要的意义，也必将成为工业生产中不可或缺的一部分[5]。

PLC以其抗干扰能力强、性能稳定、应用灵活、安装和调试简单，易维护等优点，在工业自动化控制中得到了广泛应用[6]。在打磨抛光机器人控制系统中采用PLC控制，可以提升打磨效率，且具有成本低、稳定性高、易于操作等优点。同时，在加工过程中，对各执行机构工作状态进行实时监控，快速处理系统故障和报警尤为重要。本文拟采用QT软件编写上位机人机交互界面，与PLC进行实时以太网通信，实现对整个机器人打磨控制系统的状态控制与显示。

1 控制系统整体设计

1.1 机器人打磨装备整体结构

在汽车、船舶、医疗器械、五金等制造行业中存在众多大尺寸、结构复杂的零件。本文以不锈钢回转体工件为对象，设计研发一台机器人打磨抛光装备。该机器人打磨抛光装备总体结构主要由4个关键部分组成：机器人、打磨执行器、系统附件、装夹机构，如图1所示。机器人与末端装夹机构主要用于工件的装夹和移动，打磨装置主要用于完成工件的抛光打磨过程。

图1 机器人打磨整体结构图

1.2 系统总体设计要求

(1)系统工作模式。设计两种可以灵活切换的工作模式：自动模式和手动模式。手动模式：能够对各执行机构进行单独手动控制。自动模式：实现机器人全自动化的打磨控制。

(2)状态监控与显示。系统在运行过程中，各部件的运行状态和运行参数能够在人机交互界面中显示。

(3)故障诊断与报警。系统能够诊断出在自动加工过程中，各执行机构是否发生故障。当发生故障时能够在人机界面中显示，并提示故障问题和故障位置。

1.3 系统结构设计

根据系统设计要求，制定控制系统总体设计方案。该控制系统主要分为3个部分：上位机人机交互界面、下位机PLC控制系统以及报警显示和诊断。各部分完成的主要功能如下：

上位机系统：将整个工作过程中，各部件的运行状态直观的在上位机界面中显示出来，并通过操作按钮控制设备的运行；

下位机系统：主要完成对机器人的运动、气缸的开合、电机启停等控制，以及能够实现对现场数据采集与处理；

报警显示和诊断：当系统出现故障时，能通过声光报警的方式，达到报警的目的，并在界面中显示故障位置。

2 控制系统硬件设计

本控制系统采用西门子S7-1500系列高性能PLC，上位机采用研华工控机，打磨机器人选用安川工业机器人。打磨工件由机器人末端执行器夹持，并由伺服电机带动打磨工件旋转，打磨轮由三相异步电机带动旋转，整个控制系统硬件组成如图2所示。

图2 系统整体框图

上位机通过Ethernet以太网与西门子PLC进行实时通信，向PLC发送数据，同时获取设备的运行状态信息。通过上位机实时切换控制系统的手动、自动模式。PLC与机器人控制柜采用Profinet通讯协议进行通讯，实现PLC对机器人的运动控制。PLC控制器通过RS485通信接口模块与伺服驱动器进行Modbus通信，向伺服驱动器发送指令，控制伺服电机速度和位置，并读取电机转速和报警信息。PLC通过外接IO模块控制气动手爪的开合、旋转、打磨电机的启停。系统中的压力开关检测气路压力大小，接近传感器检测气缸到位信号，并反馈给PLC控制系统。

3 控制系统软件设计

打磨抛光机器人控制系统软件设计分为两部分：PLC控制软件设计和人机交互界面软件设计。PLC控制软件主要完成控制现场传感器信号采集、逻辑控制、故障处理等功能。人机交互软件主要是监控工作流程、各部件的运行状态，对异常工况进行报警提示等功能。

3.1 PLC软件设计

本系统选用的是西门子型号为S7-1500的PLC，其编程软件为博途(TIA Portal)。该软件支持LAD、FBD、SCL、STL及S7-Graph编程语言设计，编程方式简单灵活[7]。PLC软件整体设计流程图如图3所示，PLC控制软件程序设计主要由手动控制和自动控制组成。

图3 PLC控制流程图

手动控制可以实现对各个气缸和电机的单独控制,主要用于各执行机构测试和设备检修及调试。自动控制是整个控制系统的核心部分，系统上电后，初始化，然后进行系统自检，选择自动模式，并确定要打磨的工件的型号，将机器人切换到外部自动模式，PLC调用机器人程序，可实现机器人打磨抛光全自动化流程。监控各部件工作状态，主要用于显示设备实时运行状态等。

PLC与机器人通过profinet通信，具有30个Byte的输入和30个Byte字节输出。机器人与PLC交互控制信号定义如表1所示。

表1 机器人与末端执行器交互控制信号

3.2 人机交互界面设计

人机交互界面在研华工控机上基于Qt软件编写，通过以太网与PLC通讯，实现数据的传输。Qt是一个多平台的C++图形用户界面应用框架，有良好的封装机制，模块化程度高，可重用性好，容易扩展，允许真正的组件编程[8]。打磨抛光人机交互界面软件设计基于C/S模式(Client-server model)，其中上位机作为客户端，PLC作为服务器。客户端与服务器端采用TCP通信协议实现可靠的通信，通信流程图如图4所示。上位机部分Qt软件通信程序如下：

QTcpSocket *tcpClient;//创建客户端套接字

QByteArray sendbuffer;//用于暂存要发送的数据

QByteArray recvbuffer;//用于暂存要接收的数据

tcpClient =new QTcpSocket(this)

tcpClient->connectToHost("192.168.100.1",2000);//连接服务器

tcpClient->write(sendbuffer);//发送数据到服务器

recvbuffer=tcpClient->readAll();//接收数据

图4 程序通信流程图

西门子PLC支持与第三方设备的TCP通信，将PLC的IP地址与上位机的IP地址设置在同一个网段内，并设置好端口号，实现设备之间的物理连接。在PLC程序中创建发送数据和接收数据数组，采用TSEND_C指令发送数据给上位机，采用TRCV指令接收上位机发送的数据。自动模式下的人机交互界面如图5所示。手动控制模式下的人机交互界面如图6所示。

图5 自动模式下的人机界面

图6 手动模式下的人机界面

4 实例

本文以不锈钢回转体为对象，进行打磨抛光实验，实验过程包括工件抓取、打磨、旋转、抛光、放置。打磨过程工件旋转速度为500r/min，打磨工具转速为3000r/min，整个打磨抛光时间为2.5min，自动全流程时间为3min。传统手工打磨抛光时间大约5min，效率提升了60%。操作人员通过人机交互界面可以实时监控设备运行状态，对工艺流程参数进行设置，并且使得设备维护更加方便。

5 结论

本文设计了一套机器人自动化打磨抛光设备，将各个控制系统集成，并详细介绍了机器人、执行器、人机界面之间的交互控制过程。通过PLC控制抛光打磨机器人，实现了复杂曲面的打磨控制，并与QT软件技术相结合开发了人机交互软件，实现了打磨系统的智能化控制与监控。实际运行结果表明，该抛光打磨机器人控制系统运行稳定、易于操作、界面简单、打磨抛效果好、并且提升了打磨效率。