车延明 宋明安 陆 焓 黄淑娟 李志博 麻 辉

(宁夏巨能机器人股份有限公司，宁夏 银川750021)

大型铸件的清理在铸造生产中是不可缺少的一道关键工序，人工处理铸件毛坯上的浇冒口、飞边及毛刺产生粉尘飞扬的打磨环境，对人员身体健康造成了极大危害，导致职业病预防难、作业环境差和劳动强度大，也使众多企业陷入了招工难的困境。特别是在大型、重型铸件，使用人工打磨，需要大量的场地，生产效率低下，打磨质量不能保证。所以，铸造业的产业升级和自动化改造成为了我国目前的趋势。在这样的背景下，各种机器人与打磨工具结合的打磨控制系统将会应用而生，由于当前人机协作打磨控制系统没有明确的控制标准及相关要求，所以本文将对该系统需要的功能和要求进行说明。

1 人机协作铸件打磨系统简介

一套完整的人机协作铸件打磨系统主要是由以下控制元件组成，机器人系统、工控机、PLC，HMI、力传感器、测距传感器、速度传感器、温度传感和液压站等组成，如图1所示。

基本控制原理：整个控制系统是通过工控机集中协调调度。工控机通过HMI和手柄，发送调度指令给机器人控制系统、PLC系统，PLC通过梯形图逻辑，直接控制液压站、砂轮、加热器以及冷风机的动作，机器人系统直接控制机器人的动作。另外，温度检测、力检测、测距检测和转速检测等传感器，通过给PLC反馈模拟量信号，PLC将这些信号通过ModBus协议，传递给工控机，通过这些传感器的反馈，实现对砂轮、液压、机器人的动作协调及安全运行。

打磨前的准备工作，首先将工件装卡在电动转台上，确认打磨一侧的电动卷闸门的状态，保证打磨一侧，机器人、工件处于封闭空间，通风设备正常开启；接着启动系统总电源，确认电动转台打磨工件情况，进入虚拟座舱，打开外设灯光(包括舱内及打磨室灯光)，启动机器人，启动液压系统，启动打磨主轴(可选择正反转)；对工件打磨时，操作者通过HMI控制界面、操作手柄配合可实现工件的手动和自动打磨。电动转台由变频电机进行控制，操作者可实现点动控制工件的角度，实现工件不同姿态的打磨。

2 人机协作铸件打磨控制系统功能要求

由于打磨系统面临的工件和工况种类多而复杂，所以对于大批量的相同工件可以采用编程自动打磨的方式，但是对于小批量不同的工件，需要人工通过HMI设定参数，使用操作手柄来遥控机器人进行不同方向，不同角度，不同程度的打磨。这种既能自动工作又能半自动工作的大型液压打磨系统，在功能方面要满足如下要求：

(1)开关、按钮、显示、报警及联锁装置功能应正常。

(2)操作机构各轴运动平稳、正常。

(3)打磨系统力控制功能可靠，应具有力感知装置、力闭环控制功能、位置补偿功能。

(4)测距功能准确，应具有测距装置、位置补偿功能、斜面找正功能。

(5)遥操作应满足操作手柄功能正常，操作机器人的各种动作平稳、顺滑；操作的灵敏性满足打磨要求，无明显延时现象；操作的灵敏性满足打磨要求，无明显延时现象；各种打磨模式易操作，人机界面友好。

3 打磨控制系统的软件要求

一套打磨系统中，由多个输出、监控、反馈和补偿的闭环控制系统组成。

3.1 手柄给工控机的交互信息

手柄报警信息，XYZ方向相对编码器的脉冲值，手柄的移动速度，工控机给手柄的交互功能有：工控机调用手柄SDK进行手柄的使能、失能、初始位置标定，如图2所示。

程序开始时，操作者通过HMI控制界面、操作手柄配合可实现工件的手动和自动打磨。电动转台由变频电机进行控制，操作者可实现点动控制工件的角度，实现工件不同姿态的打磨。

程序开始时，首先对手柄进行使能操作，然后手动将手柄移动到初始位置标定记录手柄在初始位置的脉冲值，之后移动手柄时，实时脉冲值会和初始位置的脉冲值做差，计算手柄的电子齿轮比，从而确定手柄在初始位置坐标系下的位置。移动手柄过程中，程序实时读取手柄的位置，并用等比例放大的方式，将手柄的位置转换成机器人的位置，采用拟合计算的方式，优化手柄的轨迹，并将计算出的机器人位置存入到公共点位存储区域，方便机器人控制程序实时获取 。

3.2 工控机与力传感器通讯功能

力传感器将测得的XYZ方向的力分别转换为模拟量，对应一个受力范围。当没有力作用在传感器上时，模拟量为一个固定值，PLC读取这3个方向的模拟量并存储于PLC的寄存器中，然后工控机与PLC做Modbus TCP通信，从PLC的寄存器中读取模拟量的值，并按照线性关系转换为力的值，从而实现工控机与力传感器的通讯，如图3所示。

3.3 工控机和机器人通讯

机器人和工控机的交互部分为心跳包通讯检测和坐标信息交换；机器人实时发送当前坐标位置，实时接收工控机发送过来的信息；工控机实时接收机器人发送过来的位置，并实时把手柄控制线程存储到公共点位存储区的位置，位置计算方式根据工艺选定，在只打磨平面的时候，会将Z值固定，移动手柄计算的位置只有XY向的值在变，在调整打磨机的姿态时，可将XYZ的方向锁定，只改变绕XYZ方向旋转的坐标值。程序一开始会启动心跳包检测程序，机器人控制程序，手柄控制程序，3个程序同时运行；心跳包程序负责检测工控机和机器人的网络连接状态，采用CS的网络通讯方式，工控机作Server连接成功之后，工控机会等待接收机器人发送的时间戳，并验证时间戳，验证完成之后工控机发送自己的时间戳给机器人，中间出现连接断开，则会重新进行连接。机器人控制线程负责实时获取和发送机器人的点位。机器人端做Client，有一个心跳包程序在实时检测机器人与工控机的连接情况；机器人运动控制程序控制机器人点位的发送，接收和运动到接收到的点位位置上，之后再次开始循环。

3.4 手动打磨模式

手动模式下可以完成快速进给和手动打磨操作，快速进给时，用户操作两个手柄，在任意自由度内移动机器人，使工具头快速接近工件，完成“对刀”过程。工具头接触工件后，锁定转动轴，此时用户只能操作平移手柄完成平面内打磨操作，同时根据需要调整进给速度。机器人的Z轴进给量可以通过手柄手动控制；也可以锁定Z轴，定量控制，如图4所示。

3.5 自动打磨模式

用户首先操作手柄移动机器人到3个示教点，分别作为“起始位置”、“X轴正向位置”、“Y轴正向位置”，然后将机器人移动到额外一点作为“打磨高度”。控制系统将根据这4个示教点生成机器人运动轨迹，控制机器人在一个矩形区域内进行多层连续打磨。

3.6 激光位移传感器通讯开发

激光位移传感器将测得距离转换为模拟量，对应一定的距离，PLC读取这个模拟量并存储于PLC的寄存器中，然后工控机与PLC做Modbus TCP通信，从PLC中读取模拟量的数值，并按照线性关系转换为距离，从而实现工控机与激光位移传感器的通讯，如图5所示。

4 打磨系统HMI控制功能开发

4.1 主体功能

为了便于操作和实时监控各功能单元状态，HMI控制功能开发包括5个部分，分别是“力传感器”、“机器人”、“操作手柄”、“液压系统”以及“主轴”，如图6所示。

4.1.1打磨力监控

用来对打磨时与工件的接触力进行实时监测，操作人员需要通过该视窗观察打磨时力的变化趋势，以便操作者随时掌控接触力的大小，便于手动模式下的操作。

4.1.2操作手柄连接

在手动操作模式下，控制上位机与手柄的连接和断开。连接成功之后， “连接手柄”按钮通过变色来提示，同时LED灯也变为绿色,段开时，“断开手柄”按钮会变为灰色，同时LED灯会变为红色，确保断开成功。

4.1.3液压系统连接

用来控制液压系统的启停。启动成功之后，需要将“连接液压”按钮会变色，同时LED灯也变色,及时给操作人员反馈连接结果，同样，断开时，“断开液压”按钮会变为灰色，同时LED灯会变为绿色，确保断开成功。

4.1.4机器人监控

用来控制上位机与机器人的连接，并且对机器人的位置进行监测，设计按钮和颜色的变化，来显示机器人是否和上位机连接成功或断开成功。

4.1.5主轴控制

用来控制主轴的启停、正反转和主轴转速的设置。通过按钮的颜色来显示主轴的正反转。主轴的转速可以手动输入。同时人工需要查看打磨情况时，通过打开“主轴照明”开启主轴照明灯。

4.2 打磨操作

打磨模式包含包括“打磨模式设置”和“手柄空间比例设置”两部分。打磨模式包括“手动打磨”、“平面运动”、“快速平面”、“自动打磨”、“自动斜面”，如图7所示。

4.2.1手动打磨模式设置

对齐按钮：使机器人自动运动到工具坐标系XY平面与基坐标系XY平面平行的状态。对齐成功后，通过专门的按钮颜色变色，来显示对齐成功。

“Z轴锁定”：在砂轮工作的时候，为了防止误操作造成砂轮突然过切损害系统，设计了“Z轴锁定”按钮，将机器人的Z轴锁定，锁定后机器人Z轴进给将不再受平移手柄控制，只有按动手柄上的按钮或界面上的进给按钮才可以控制机器人Z方向的运动。

4.2.2自动打磨模式设置

设计了自动打磨的相关参数按钮，让机器人按照该参数按钮的设置进行动作，包括打磨平面的“起始点”、“X方向”和“Y方向”、 “打磨高度”， 设定完成后点击“确定”按钮即可完成打磨参数设置，点击“开始打磨”即可切换到自动打磨程序。在自动打磨过程中点击“停止打磨”，系统自动切换回手动打磨模式。

4.2.3平面运动打磨模式设置

在HMI界面界面上，利用测距传感器，通过手柄控制机器人移动到工件上方选择3个位置，系统将根据这3个位置计算新的基坐标系。生成1个平面后开始打磨，如果生成失败需要重新设置。

4.2.4快速平面打磨模式设置

设计了一种对于规则平面快速自动打磨的功能，能够大大提高打磨效率。启用“计算平面”功能，系统将根据工具坐标系建立机器人基坐标系，若计算成功，“计算平面”按钮通过变色来显示，点击“快速平面启动”按钮，程序会切换到快速平面程序，实现规则平面的快速高效打磨。

4.2.5自动斜面打磨模式设置

为了适应斜面的自动打磨，设计了自动斜面打模式。在平面运动模式中设置斜面，平面生成成功后“切换”机器人到该斜面下运动，然后在倾斜的坐标系中设置打磨高度和打磨参数，然后点击“开始打磨”，机器人将切换到自动斜面打磨程序，此时，平移手柄控制机器人在斜面上做平移运动。

5 结语

通过对人机协作铸件打磨控制系统介绍和HMI功能的说明，为打磨控制系统的设计提供技术指导。

通过以上技术方案，完成了人机协作铸件打磨控制系统的开发，项目完整安装运行后，经过检测，基本满足操作者人性化需求，实现了整个系统安全稳定运转的设计目标。此系统采用人机融合交互的方式，杜绝了铸件清理打磨所产生的粉尘污染，提高了打磨作业效率，达到了车间无粉尘污染、无职业病工伤的目的，在节能减排的大前提下，可以实现工厂大幅减员增效、铸造车间智能化绿色发展的转型升级目标。