07
2024
-
04
一种粗糙度仪自动上料系统的设计
所属分类：
可编程控制器（PLC)为控制核心，通过计算机通讯模块模拟上位机鼠标输入信号对上位机进行机器语言操作，接受上位机命令对机器手臂完成相应的工作，控制粗糙度仪连续自行完成多次测试过程并上传数据到中控中心。
摘要：可编程控制器（PLC)为控制核心，通过计算机通讯模块模拟上位机鼠标输入信号对上位机进行机器语言操作，接受上位机命令对机器手臂完成相应的工作，控制粗糙度仪连续自行完成多次测试过程并上传数据到中控中心，真正实现粗糙度仪的机器全自动操作，降低科研实验室操作人员的工作强度并提高科研单位的工作效率。
前 言：
粗糙度仪的用途特别广泛，特别是国家科研单位和各种大型生产企业的实验室，使用频率特别高。粗糙度仪原理简单，操作简便[1]。具体操作步骤就是操作人员在粗糙度仪测试平台上放置一块被测试件，按下启动，等候粗糙度仪测试采样完毕，给出测试结果。操作人员再次点击电脑中的“上传”按钮，将测试结果打印、储存及上传到中央控制室。整个操作过程是非常简单的，但作为一个研究单位，要保证产品的合格性及被研究的产品性能的科学性，每次都需要大量的数据，这对粗糙度仪的使用者来说，是特别费时费力，也是特别容易让人做起来枯燥无味，容易犯错的。硬度计的使用者也同样有着这麻烦。国内一大型钢铁生产企业的薄板实验室每天就得做大量的薄板表面粗糙度试验，整个实验室里单粗糙度仪器都有8台，每台粗糙度仪器配备3个操作人员，保证车间生产出来的薄板都能抽样检测到，保证在足够短的时间内监控车间生产出的薄板的表面粗糙度符合规定，因为钢材的生产是连续性的，一天24小时不间断，一年365天不间断，表面粗糙度的监控也必须保持持续性，这就决定了实验室人员的工作的不间断性，劳动强度可想而知，劳动者工作的繁琐程度可想而知。作者受他们委托，利用其现有的高端进口粗糙度仪（S1400)为基础，研制一套粗糙度仪自动进样装置，实现表面粗糙度批量测试全自动完成，要求批量进行试样登记后开始测试，连续完成所有试样后自动停止、待机，整个过程全自动完成。同时，实现双向通讯，接受上位机指令和自动上样功能。这种方法以可编程控制器（PLC)为控制核心，机器手臂作为执行原件，增加特制的原样储存框。设计原理框图如图所示。产品由主机，主机显示器，PLC控制系统搭配人机显示界面，ABB机器人等组成，主机电脑检测粗糙度，机器人自动取样检测，PLC人机界面进行通讯，完成主机和机器人之间的协作。
1.具体实施方案
作者遵循可实用性和先进性原则，将粗糙度仪自动进样装置设计成如下几大部分：机器手臂、点阵式试样储存框及控制系统等。其中控制系统又包括整个执行机构控制、与粗糙度仪主机连接单元及与计算机双向通讯连接单元三部分。自动进样装置整体布局图如图所示。
试验准备阶段，操作人员将被测的一批（至少100片）试样放在可按点阵移动的试样储存框里，打开粗糙度仪控制电脑运行测试软件，打开机器手臂电源开关启动待工作状态，待粗机器手臂都初始化完成后，点击糙度仪自动送样装置开始按钮，由控制左右方向移动和前后方向移动的两只电机分别按点阵位移将点阵式试样储存框里的第一块试样移动到机器手臂抓取点，通知机器人手臂夹住试样，按照设计好的运动轨迹，缓慢移动到粗糙度仪测量探针下端，使其试样前三分之一处在探针下面的载物台上，机器手抓松开试样退回到一定位置待机，控制器模拟鼠标指令对粗糙度仪控制用上位机发送测试指令信号开始第一点线测量。当测量完毕，控制器指令上位机将测试数据储存、上传中央控制室主监控计算机，信号传输通过公共网络平台控制（即windows7+ORiCa）传输。粗糙度仪测试探针缓缓上移一定高度，机器手抓再移动刚放下试样的位置抓取试样，将试样挪动一定位置后放下试样，再次退回到一定位置待机，控制器再次模拟鼠标指令对粗糙度仪控制用上位机发送测试指令信号开始此块试样第二点线测量。第二点线测量完毕后，控制器重复上述步骤，对此块试样第三点线测量。这块试样三个点线全部测量完毕后，机器人手臂抓取试样，做旋转运动，将这块试样旋转180度，再次将这块试样的前三分之一放置在粗糙度仪测试探针下面的载物台上，如同刚才测试正面一样，对这块试样的反面进行三个点线的粗糙度测量。这块试样的正反两面各三个点线的六个点线都测试完毕，机器手臂抓取刚刚被测的试样送到废料箱。再后机器手臂移动到初始位置抓取第二块试样，此时第二块试样已被运送到抓取点等候多时。
2.设计过程中需要注意的问题
粗糙度仪自动进样装置在设计过程中，根据其具有可实用性和先进性原则，必须要满足以下几个方面：
（1）可连续性。自动进样装置应用到科研单位、大型生产企业的实验室，需要做大量的粗糙度测量工作，要求单循环工作不是单一性，连续测试试样越多越好，至少设计成连续送料100块试样。
（2）全自动化。自动进样装置的主控制器可以和机器人、粗糙度仪及试样储存框之间进行机器语言交流。自动进样装置有一特征就是“自动进样”，要求整个粗糙度测量过程都是全自动，包括自动抓取试样、自动放置试样、自动测量粗糙度、自动储存和上传数据、自动移动和翻转试样、自动移取测量完毕试样。整体测量过程为全自动，无需人员操作。自动进样装置设计有对工作过程中的故障具有声光报警输出功能，在整个粗糙度测量过程中遇到故障都给工作人员及时提醒。
（3）高可靠度。自动进样装置是无人化不间断工作，设备中应有的软硬件保护、行程保护、过载保护、断电保护及其它各方面的保护功能都得齐备。
（4）高安全性。因为是全自动化，考虑到机器执行元件可能动作，造成设备损坏、附近人员有危险，自动进样装置周围装有可靠的安全防护罩，装置在工作过程中每个动作都有检测保护功能；同时，整套系统中易发生安全隐患的环节、部位都考虑设计防护措施。
3.试样储存框
粗糙度仪自动进样装置的试样储存框需要储存尽量多的试样，保证一个批次的粗糙度测量不间断，作者采用点阵式设计。储存框底部装有控制横向和纵向移动的两只步进电机，步进电机带动丝杆旋转，丝杆上固定滑块，滑块分别向前后、左右方向做轴向移动，固定在滑块上面的储存框就可以被控制着进行前后左右移动了，位移控制精度可达到0.1毫米。本课题的储存框里试样采用点阵式放置，共有100点阵，横排有间距为12毫米的10点，竖排有间距为104毫米的10点，组成10*10的100个点的点阵平面，每个点阵上放置长（或宽）不超过100毫米，厚度不超过8毫米的薄板试样。在一个批次测量开始时，点阵的第一点上的试样位于机器手臂的手爪抓取位置处。当机器手臂抓取第一个试样离开后，2只电机动作将点阵的第二块试样送到机器手臂的手爪抓取位置处，直到被测量的所有试样都被抓取测量，试样储存框回到初始位置。
4.机器手臂
作者选用ABB产品IPB-1200型机器手臂作为粗糙度仪自动进样装置主动作执行机构，本机器手臂抓取试样位置精度达到0.02毫米，机械手臂与粗糙度仪进行相互联动，机械手臂从储存框中抓取试样送往粗糙度仪测试平台后通知粗糙度仪进行粗糙度的测量，粗糙度测量完毕后糙度仪通知机械手臂执行下一动作[2]。
机械手臂技术参数如下：测量试样一面与二面直接机械手臂控制器设定，测量完毕后通知机器手臂抓取式样送往废料框，再次抓取第二个试样进行测量，所有动作不需要人员干涉，此设计将大大减少人工出错率，也可以节省人工的费用。机械手臂与粗糙度仪之间、机械手臂与试样储存框之间都通过PLC作为中间握手桥梁，保证机器手臂和粗糙度仪、试样储存框之间协调工作。
5.鼠标控制
作者运用VB语言编辑自动捕捉上位机鼠标位置、仿真操作鼠标，真正做到机器控制电脑，完全不需人工参与操作[3]。具体程序如下：
；- - -
实现点击按钮程序
Private Sub Command_Click()
hpwnd = FindWindow(vbNullString, "12345")
Print "hpwd:" & hpwnd
hcwnd = FindWindowEx(hpwnd, 0, vbNullString, "确定")
Print "hcwnd:" & hcwnd
SetForegroundWindow hpwnd '不加上这句话的话 就会出现时灵时不灵的情况
SendMessage hcwnd, &HF5, 0, 0
End Sub
&HF5是BM_CLICK的意思
Private Const WM_LBUTTONDOWN = &H201
Private Const WM_LBUTTONUP = &H202
Private Const WM_MBUTTONDBLCLK = &H209
Private Sub Command_Click()
hpwnd = FindWindow(vbNullString, "12345")
Print "hpwd:" & hpwnd
hcwnd = FindWindowEx(hpwnd, 0, vbNullString, "确定")
Print "hcwnd:" & hcwnd
SetForegroundWindow hpwnd
SendMessage hcwnd, WM_LBUTTONDOWN, 0, 0
SendMessage hcwnd, WM_LBUTTONUP, 0, 0
End Sub
6.数据处理及上传
粗糙度仪测量的数据需要上传中央控制室，供试验人员储存分析，供管理人员对生产的产品全方位监控。作者在自动上料系统写入人机对话程序，作无人化操作。具体程序如下：
结论：
粗糙度仪自动上料系统的用途特别广泛，可以大量地节省人力、物力，工作效率高，减少人为测量误差。粗糙度仪具体操作步骤就是操作人员在粗糙度仪测试平台上放置一块被测试件，按下启动，等候粗糙度仪测试采样完毕，给出测试结果。操作人员再次点击电脑中的“上传”按钮，将测试结果打印、储存及上传到中央控制室。整个操作过程非常简单的，但作为一个研究单位，要保证产品的合格性及被研究的产品性能的科学性，每次都需要大量的数据，这对粗糙度仪的使用者来说，是特别费时费力，也是特别容易让人做起来枯燥无味，容易犯错的。硬度计的使用者也同样有着这麻烦，作者设计的自动上料系统稍加改造，可以拓展到硬度、平整度等等各种各样的大批量测量或试验中。
参考文献：
[1] 张根保，陈子辰等，自动化制造系统，机械工业出版社，2005年第3版.
[2] 洪岐，陈秀玲等，计算机应用基础教程，中国传媒大学出版社，2014年6月第1版.
[3] 梁恩主，Visual Basic 6.0 编程与实例解析，科学出版社，2000年.
