自动打磨机器人实验装置的设计

石 昊，李庆章

(1.山西工程技术学院 电气工程实验教学中心，山西 阳泉 045000； 2.阳泉华越八达矿用电气制造有限公司，山西 阳泉 045000)

0 引 言

新工科是在新科技革命、新产业革命、新经济背景下工程教育改革的重大战略选择，是今后我国工程教育发展的新思维、新方式。新工科反映了未来工程教育的形态，是与时俱进的创新型工程教育方案，需要新的建设途径，新工科背景下，地方应用型本科高校应面向未来，培养多元化、创新型卓越工程人才[1]。实验教学仪器设备是高校建设“新工科”的硬件基础，实验教学仪器设备的建设情况会直接影响到实验实践课程教学效果，地方高校的实验室应积极探索适合本学校的实验教学仪器设备建设路径[2]。

目前，地方高校在实验教学仪器设备建设方面存在的主要问题有：① 被动选择厂家仪器设备，与学校实际教学情况契合度不足；② 实验设备之间关联度低，导致相关课程与课程、专业与专业之间的融合度和协调性不足；③ 实验设备的灵活性和可扩展性不足，不利于学生创新创造能力的培养。这些问题的存在制约了实验实践教学改革，延缓了学校建设“新工科”的步伐[3-4]。“新工科”背景下的实验教学仪器设备，应该是既能满足专业课程的实验需求，又要与实际生产相结合，融合本专业多门课程甚至跨专业相关课程的理论知识，适宜践行CDIO教学模式，适宜实施以学生为主导的探索式学习模式的实验装置。基于上述理念，本文所在实验室针对电气工程及其自动化专业设计开发了一套自动打磨机器人实验装置[5-6]。

1 实验装置的功能和构成

打磨工艺是现代制造业生产和维护产品时常用的一种加工手段，本文的自动打磨机器人实验装置结合了数控机床技术和工业机器人技术，可以模拟实现对打磨对象表面打磨的过程。自动打磨机器人实物如图1所示，装置采用了笛卡尔坐标系龙门架结构，该结构可以从顶部靠近打磨对象，能够提供更大的操作空间，有利于控制实验装置的体积[7]。

图1 自动打磨机器人实物图

自动打磨机器人系统结构框图如图2所示。本实验装置采用了分散控制的方式[8]，以PLC和单片机为主要控制设备，两个控制器之间利用Modbus RTU协议通信，以触摸屏作为人机界面，实现对自动打磨机器人的操作。执行机构包括X、Y、Z轴3条直线导轨，夹持固定机构和二轴打磨机械臂[9]三部分。X轴导轨固定在龙门架底部基座上;Y轴导轨固定在龙门架顶部;Z轴导轨固定在Y轴导轨的滑块上。夹持固定机构固定在X轴的滑块上，二轴打磨机械臂固定在Z轴的滑块上。

图2 系统结构框图

2 实验装置设计

2.1 硬件设计

(1) 控制系统。自动打磨机器人控制系统原理图如图3所示，其中PLC选用西门子S7-1200系列的产品，包括一个1214C型CPU模块、一个SB1222型数字量输出信号板和一个CM1241型RS-422/485通信模块。选用MOSFET场效应晶体管输出型CPU，数字量输入输出接口分别有14个和10个，有1个Profinet以太网端口[10]。单片机选用的是Arduino UNO开发板，具有14个数字量引脚和6个模拟量输入引脚，其中6个数字量引脚可以输出8位PWM脉冲，支持UART、USB、TWI、SPI等多种通信方式[11-12]。西门子PLC主要控制X、Y、Z轴3条直线导轨的运动轨迹，Arduino单片机负责控制夹持固定机构和二轴打磨机械臂。

(2) 执行机构。夹持固定机构用来固定打磨对象，包括一个机械夹和一个用来帮助打磨对象归位的部件，机械夹上装有漫反射型光电传感器，机械夹由可以反馈扭力的总线舵机驱动，归位部件由PWM舵机驱动。二轴打磨机械臂末端固定着打磨电动机，打磨电动机采用直流无刷电机，内置驱动，可以调节转速和转向，打磨电动机带动打磨头转动实现打磨动作。打磨电动机旁固定了一个接近传感器，用来确定打磨头与打磨对象之间的距离。二轴机械臂由两个PWM舵机驱动，可以调整打磨电动机的姿态。X轴直线导轨滑台带动夹持固定机构移动，可以调整打磨对象的位置，Y轴直线导轨滑台带动Z轴移动，Z轴直线导轨滑台带动二轴打磨机械臂移动，Y轴和Z轴直线导轨的运动决定了二轴打磨机械臂的空间位置。X、Y、Z轴三条直线导轨由3台步进电动机驱动。

图3 控制系统原理图

2.2 程序设计

系统运行总流程图如图4所示，自动打磨机器人开机后会自动回归原位，然后在触摸屏上选择工作模式，有自动和手动两种模式。如果选择自动模式，装置会按照程序预设的方案自动完成打磨过程，受硬件条件限制，可以实现对打磨对象的顶部、正面和一个侧面的打磨；如果选择手动模式，先按照需要修改打磨参数，然后再按工艺流程完成打磨动作。

图4 总流程图

(1) PLC控制程序。西门子S7-1200系列PLC的程序编辑软件是TIA 博途软件平台下的STEP 7编程软件，利用软件中的“轴”工艺对象功能和相关运动指令，可以方便地实现运动控制任务。本文实验装置在程序里添加了3个“轴”工艺对象，分别对应了X、Y、Z轴直线导轨，设置好参数之后就可以用相关运动指令控制直线导轨的运动，程序流程图如图5所示。PLC接收到由Arduino单片机传输的打磨对象已经固定完毕的信号后，X轴滑台将打磨对象运送至打磨区域，Y和Z轴共同动作移动打磨机械臂，直到机械臂末端固定的打磨头与打磨对象接触后停止动作。然后X、Y、Z轴共同动作，使打磨头按照预设打磨轨迹运动，打磨动作完成后，X、Y、Z轴各自回到原位，等待下一次动作。

图5 PLC程序流程图

(2) Arduino控制程序。Arduino UNO单片机编程使用的是Arduino IDE软件，主程序采用的是循环执行方式，编程语言以C++语言为基础。由于单片机需要同时与PLC和驱动机械夹的总线舵机进行通信，所以利用SoftwareSerial库函数定义引脚12和13为软串口，硬件串口引脚1和0负责与PLC通信，软串口引脚12和13负责与总线舵机通信，具体程序流程图如图6所示。固定夹持机构的光电传感器检测到打磨对象后，归位部件动作，使打磨对象贴紧机械夹根部，然后机械夹夹紧打磨对象，当驱动机械夹的总线舵机扭力输出达到设定值时，保持设定扭力输出，同时归位部件复位，并向PLC发出打磨对象已经固定完毕的信号。之后，Arduino单片机按照设定的打磨方式调整二轴打磨机械臂的姿态，同时PLC控制的X、Y、Z轴直线导轨运动，使打磨头与打磨对象接触，并向Arduino单片发送打磨头就位信号。接收到打磨头就位信号后，Arduino单片机启动打磨电动机，按照设定好的速度和方向转动，配合X、Y、Z轴直线导轨的运动完成打磨动作。打磨动作完成则停止打磨电动机，同时二轴打磨机械臂回归原位，X轴滑台回到原位后，机械夹放松，等待下一次动作。

图6 Arduino程序流程图

(3) 触摸屏程序。实验装置人机界面使用的是凌控公司的LC070SL型7寸触摸屏，通过以太网端口利用Modbus TCP协议与PLC通信。凌控触摸屏使用ArgusSoft组态软件进行界面开发，针对自动打磨机器人的操控开发了4个窗口界面，分别是主界面、自动模式界面、手动模式界面和参数设置界面，触摸屏开机时首先显示主界面，在开始工作之前，可以通过参数设置界面修改预设的打磨参数，然后按照需要选择进入自动模式界面或者手动模式界面，进行对应模式的操作。

3 实验装置在教学中的应用

自动打磨机器人实验装置，以培养创新型卓越工程技术人才为目标而开发的实验装置[13]，装置主控制器包括PLC和单片机，需掌握3种编程软件及梯形图和C++编程语言，运用了TCP/IP，Modbus TCP，Modbus RTU，UART，WiFi等多种通信方式，应用了舵机、步进电动机，直流电动机等多种电动机，体现了学科交叉和课程融合的理念。制定实验项目时，充分发挥了自制实验仪器设备可以一切围绕教学的优势，以工程项目设计过程为导向，制定了基础型、应用型、综合设计型和拓展创新型4个层次的实验项目，具体实验项目见图7。4个层次的实验项目由简单到复杂、由基础到综合，有利于引导学生由被动学习转变为主动探索，循序渐进地培养学生的开拓创新意识和工程实践能力，充分挖掘学生的学习潜力[14-15]。

图7 基于自动打磨机器人的实验项目

4 结 语

地方高校建设“新工科”对学校实验教学仪器设备建设提出了更高的要求，尤其是对于处在传统资源型经济区域的地方高校，实验教学仪器设备建设理念和途径都需要革新。自制实验教学仪器设备能够充分考虑学校实际情况，为本校专业量体裁衣、量身定制，本文设计制作的自动打磨机器人实验装置正是“新工科”背景下实验教学仪器设备建设的一种尝试，是实验室为更好地服务地方高校培养应用型人才、建设“新工科”而进行的积极探索。