机械设计与制造
２００
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ
Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第９期
２０１３年９月
抛光直角坐标机器人控制系统设计
金鹏，刘建新，史素敏
（西华大学机械工程与自动化学院，四川成都６１００３９）
摘要：抛光加工是曲面类零件生产过程中非常重要的一个环节。考虑到使用的通用性和成本控制的要求，设计了一种基于直角坐标机器人的自动抛光系统。整个控制系统基于ＰＣ＋ＰＬＣ＋ＨＭＩ的架构，利用ＰＣ进行插补等复杂计算，使用ＰＬＣ输出脉冲对伺服电机进行定位控制，昆仑触摸屏ＴＰＣ１０６３Ｈ用于对运动过程进行监控。所设计控制系统能保证抛光
刀具Ｈ－ｉｆ－确的姿态、准确的位置和合适的抛光力进行工作。实践表明，所设计的控制系统能满足抛光系统使用要求。控制精度较高，成本也较低。
关键词：模具抛光；直角坐标机器人；控制系统；柔性机构中图分类号：ＴＨｌ６
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１—３９９７（２０１３）０９－０２００－０３
ＤｅｓｉｇｎｏｆＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＰｏｌｉｓｈｉｎｇＣａｒｔｅｓｉａｎＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＲｏｂｏｔ
ＪＩＮＰｅｎｇ，ＬＩＵＪｉａｎ－ｘｉｎ，ＳＨＩＳｕ－ｍｉｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ
ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ａｎｄ
Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｘｉｈｕａ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｉｃｈｕａｎ
Ｃｈｅｎｇｄｕ
６１００３９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇｉｓ
ａ
ｖｅｒｙ
ｉｍｖｏｒｔ城ｔｏｆ
ｐｒｏｃｅｓｓ
ｆｏｒｓｕｒｆａｃｅ
ｐａｒｔ
ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅ琊ｅ
Ｏｎ
ｏｆｃｏｍｍｏｎａｌｉｔｙａｎｄｃｏｓｔ
ｃｏｎｔｒｏｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｎｋｉｎｄａｕｔｏｍａｔｉｃｐｏｌｉｓｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄＣａｒｔｅｓｉａｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｒｏｂｏｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇ
ｓｅｒｖｏ
ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙＰＣ，ＰＬＣａｎｄＨＭＩ，ａｎｄＰＬＣｉｓｕｓｅｄｔＯｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ
ｍｏｔＯｒ，ａｎｄＰＣｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅ
ｐｒｏｃｅｓｓ．眦ｈｉｎｇ
ａｎｄ／ｏｗｃｏｓｔ．Ｋｅｙ
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ｄｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
ｒｕｎｎｉｎｇ
ｓｈｏｗｓ
ｔｏｏｌｃｏｕｌｄｗｏｒｋｉｎｔｈｅｗａｙ
ｃａｎ
ｏｆｃｏｒｒｅｃｔｐｏｓｔｕｒｅ，ａｃｃｕｒａｔｅｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐｅｒｐｏｌｉｓｈｉｎｇｆｏｒｃｅ．Ｐｒａｃｔｉｃｅ
ｌＩＩ自咖ｃｏｎｔｒｏｌ
ｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓ＝蠡ｆｙｔｈｅ琊ｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｐｏｌｉｓｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｔｈａｓ
ａｃｃｕｒａｃｙ
Ｗｏｒｄｓ：ＭｏｌｄＰ０拯岫咤；Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ
ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＲｏｂｏｔ；ＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ；ＣｏｍｐｌｉａｎｔＡｃｔｕａｔｏｒ
１引言
模具抛光是模具加工过程中极其重要的工艺之一，其加工质量是影响模具表面精度的关键因素，提高模具抛光技术是提升模具成型产品质量的最有效途径之一【ｌ－习。目前，模具抛光多采用
直角坐标
手工加工，抛光质量和生产效率难以提高嗍。模具抛光主要分为机械抛光方式和非机械抛光方式。非机械抛光主要包括等离
子抛光、液体喷射抛光、电化学抛光、磁体抛光、激光抛光、超声
柔顺机构
Ｉ。件
抛光、气囊抛光以及多种方式混合抛光等；机械抛光主要包括传
统的磨头机械抛光、机构辅助抛光等方法嘲。虽然现在各种各样的抛光方法均有使用，但是由于成本问题以及适用范围等因素使很多的设计方案并没有大规模投入到实际生产。考虑到使用
图１基于直角坐标机器人的自动抛光系统结构
Ｆｉｇ．１
ＡｕｔｏｍａｔｉｃＰｏｌｉｓｈｉｎｇＳｙｓｔｅｍ
ｏｎ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
Ｂａｓｅｄ
Ｃａｒｔｅｓｉ粕Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｒｏｂｏｔ
控制系统的核心就是利用ＰＩ上对伺服电机的控制，通过直
角坐标机器人的运动，使抛光刀具到达准确的加工位置；利用
的通用性和成本控制的要求，设计了一种基于直角坐标机器人的
自动抛光系统。
ＰＬＣ对气缸构成柔顺机构的控制可以使抛光刀具达到准确的加
工姿态；由刀具端部的传感器可以检测出抛光力的大小，从而通
２系统总体方案设计
基于直角坐标机器人的自动抛光系统的总体结构，如图１所示酮。该系统机械部分主要包括直角坐标机器人本体、抛光用
过这个传感器的反馈信号可以控制抛光力的大小川。
控制系统采用ＰＣ＋ＰＬＣ的架构，如图２所示。ＰＣ机作为上位机，主要完成待抛光工件的数据采集、抛光力的检测、柔顺机构姿态数据的采集、处理和插补运算等较复杂的数据处理过程。ＰＬＣ
柔顺机构和抛光件工作台等三部分构成。
来稿日期：２０１２－１
１－１４
作者简介：金鹏，（１９８６），男，湖北黄冈人，研究生，硕士，主要研究方向：电气自动化方向；
刘建新，（１９６９－），男，四川成都人，教授，博士，主要研究方向：机电一体化
万方数据
第９期金鹏等：抛光直角坐标机器人控制系统设计
２０１
作为现场控制器，主要完成直角坐标机器人本体的运动控制，并且把机器运转的实时信息通过ＲＳ２３２通讯数据线传送给相对应的人机界面，使用触摸屏对机器的运转进行监控。在必要的时候，还可以通过触摸屏直接对机器人进行操作控制。
ｌ＃伺服电机２＃伺服电机３＃伺服电机
ｌ＃气缸２＃气缸３＃气缸
图２控制系统方栗设计
Ｆｉｇ．２
ＴｈｅＤｅｓｉｇｎ
Ｓｃｈｅｍｅ
ｏｆＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ
３控制系统的设计
３．１
ＰＬＣ选型
控制系统采用台达ＤＶＰ系列的ＰＬＣ。台达ＤＶＰ系列的
ＰＬＣ，结构紧凑，通讯方便，可以支持常见的ＲＳ一２３２、ＲＳ－４２２、ＲＳ一４８５通讯，并且集成了运动控制、定位功能，它可以直接通过定位指令来输出脉冲控制电机的运行，无需外挂价格昂贵的运动控制模块，在这一点上台达ＰＬＣ的成本相对其他设备来说是比较低的，功能又能完全满足我们的需要。
ＰＬＣ接线图，如图３所示，ｘ。至ｘ，分别对应ｘ、ｙ、ｚ三轴的正反转的输入按钮，ｘ．。至ｘ。，分别对应ｘ、ｌ，、ｚ三轴的限位开关信号输入，在这里是指零点两个方向的接近开关信号。ｙ。、ｙ：、ｌ，。
指出了三个电机的脉冲输出装置，ｙ，、ｙ，、ｌ，，控制着三个电机的脉
冲输出方向哆采用２４Ｖ电源，这样通过手动控制ｘ旷如，就可以让ＰＬＣ相应的输出端输出相应的动作指示控制电机的运行。
ｘ轴脉冲输Ｈ｛端口ｘ轴脉冲输出频率设置Ｙ轴脉冲输出端口
ｙ轴脉冲输出频率设置ｚ轴脉冲输Ｈ｛端口ｚ轴脉冲输ｍ频率设置
图３ＰＬＣ接线图
Ｆｉｇ．３
ＴｈｅＰＬＣ
ＷｉｒｉｎｇＤｉａｇｒａｍ
３．２伺服电机运动系统
设计要求快速、准确地实现控制目标，采用松下ＭＨＭＤ０４２一ＰＬＵ系列交流伺服系统哺。电机输出轴的外端与新宝减速机相连，减速机的减速比采用５：ｌ和４：ｌ的比例对ｘ轴和ｙ、ｚ轴进行减速控制。为了使传动过程更为平稳，减速器采用行星齿轮传动。这样，轴的受力会在各个方向得到平衡，输出轴的受力情况会有很大程度的改善。力矩从减速机出来后与同步带的齿轮相连，齿条
万方数据
固定在轨道上面。伺服驱动器的一些主要参数设置，如表ｌ所示。
循环运动
图４ＰＬＣ控制示意图
Ｆｉｇ．４ＳｃｈｅｍａｔｉｃＤｉａｇｒａｍｏｆ
ＰＬＣＣｏｎｔｒｏｌ
表１伺服驱动器主要参数设置
Ｔａｂ．１
ＳｅｔｔｈｅＭａｉｎＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＳｅｒｖｏＤｒｉｖｅ
３．３监控系统
为了使整个系统的运行有一个可视化的效果，以及对运行过程有一个更为直观的了解，我们需要加入一个人机界面，在系
统运行过程中对整个运行过程进行监控以及必要的数据显示。采用实验室现有的ＴＰＣ１０６３Ｈ系列触摸屏。触摸屏的主要功能是在系统运行时，实时显示直角坐标机器人的运行状态、位置坐标、柔顺机构的状态、抛光力等数据，在系统出现故障时人机界面上会出现相应的报警提示。
４控制系统的实现
４．１
ＰＬＣ的运行
ＰＬＣ的控制程序在上位机中编写，程序编写完成后，再从上
位机中下载到ＰＬＣ中。ＤＶＰ系列ＰＬＣ可以进行ＲＳ一２３２、ＲＳ一４８５、ＲＳ－－４２２通讯。ＰＣ机上自带ＲＳ２３２接口，因此ＰＬＣ和ＰＣ机
可以直接进行ＲＳ一２３２通讯，把编写好的程序下载到ＰＬＣ中。在程序的起始位置对ＰＬＣ的通讯参数进行设置，在程序编写窗口中对ＰＬＣ下载通讯进行通讯设置。下载程序的通讯参数设置如下：通讯端口为ＣＯＭｌ，数据长为７，校验位为偶校验，停止位为１，波特率为９６００，通讯站号为０，ＡＳＣＩＩ方式。
ＰＬＣ的主要功能就是控制伺服电机的运行，以达到我们需出脉冲控制电机的运行，无需外挂价格昂贵的运动控制模块，在的点到点定位要求；还有与这些绝对定位指令相对应的相对定位
要的轨迹以及到达指定位置，控制流程，如图４所示。台达ＰＬＣ里面集成了运动控制、定位功能，它可以直接通过定位指令来输这一点上台达ＰＬＣ的成本相对其他设备来说是比较低，功能又能完全满足我们的需要例如：ＤＰＰＭＡ双轴绝对点对点运动，这个指令可以实现双轴联动，两根轴同时运动产生平面曲线等比较复杂的轨迹；ＤＲＶＡ绝对定位，这个指令可以实现单个方向电机轴
Ｎｏ．９
机械设计与制造
指令，这些指令使我们控制电机的运行更为便捷。
Ｓｅｐｔ．２０１３
有一个报警的控件，点开这个控件，即可在这个类似表格的控件
里进行报警设置。运行效果，如图６所示。
４．２监控系统的运行
触摸屏选用ＴＰＣＩ０６３Ｈ，支持软件为ＭＣＧＳ。这里先介绍触摸屏的通讯设置，通讯设置包括两部分：Ｐｃ机与触摸屏的通讯（使用触摸屏的ＣＯＭｌ口）、触摸屏与ＰＬＣ的通讯（使用触摸屏的ＣＯＭ２口）。在触摸屏软件中添加设备驱动程序，添加串口通讯为父通讯口，选择台达ＤＶＰ系列ＰＬＣ为子通讯口，驱动程序选择
５小结
提到的直角坐标机器人是运用在在工业生产中的抛光工艺上的，舍去了手工抛光所带来的人力、物力的浪费，而且由于合理的设计控制系统，使抛光质量也有质的提高。本系统中采用ＰＬＣ进行直角坐标机器人的电机移动控制，采用触摸屏将运转过程很
ＲＳ一２３２，在通讯组态时对通信口ＣＯＭ２进行配置，传输速率设置
为１９２００ｂｉｔ／ｓ，偶校验，１停止，数据长为７位。在ＰＬＣ软件中将
直观的显示出来，无论是即时控制还是监控的直观性都表现了本系统的优越性，在实际生产中有很大的实用价值。
通信口的传输速率设置为１９２００ｂｉｔ／ｓ，偶验位，１停止，数据长为７位，即可实现ＰＬＣ与触摸屏之间的通信。Ｐｃ机与触摸屏的通讯
设置则是：这里的通讯主要是用途是从ＰＣ机上下载组态好的程序到触摸屏上，在触摸屏通电后的几秒钟点击屏幕，即可进入触摸屏参数设置的界面，在这个界面中对触摸屏的ＣＯＭ１口进行设置通讯的参数，然后在程序下载界面也对下载参数设置，主要涉
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ａ
ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ／
及到通讯口和通讯速率。即可进行程序下载。
在软件中通过添加画面，放置所需要的开关、文本框、显示框等，并对其进行相应的设置设计出所需画面，通过标准ＲＳ一２３２
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ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ
ｓｕｒｆａｃｅ
ｏｆ
数据线从Ｐｃ传送到触摸屏，在画面的调试过程中，也可从触摸
屏上传画面到Ｐｃ进行修改。由于驱动器选用台达ＤＶＰ系列ＰＬＣ，它具有点到点定位、速度控制、电子齿轮、手动模式等多种控制模式，可以根据用户的具体应用选择控制模式，在触摸屏上设计出参数设置和数据动态显示画面等。
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触摸屏的主要功能就是在系统运行过程中对系统进行监控，如图５所示。这里所说的监控指两方面：对机器运行中的有用的数据进行显示和保存、对系统的不良运行状况进行报警或者警告提示。至于对有用数据进行显示和保存，这就是根据使用者需要进行组态，而报警提示则包括很多方面，在ＭＣＧＳ组态软件中
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万方数据
抛光直角坐标机器人控制系统设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
金鹏， 刘建新， 史素敏， JIN Peng， LIU Jian-xin， SHI Su-min西华大学 机械工程与自动化学院,四川 成都,610039机械设计与制造
Machinery Design & Manufacture2013(9)
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxsjyzz201309061.aspx