劉 克

（福建交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福州 350007 ）

基于機(jī)器人和PLC技術(shù)的自由曲面拋光控制分析

劉 克

（福建交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福州 350007 ）

0 引言

衛(wèi)浴部件是一個自由曲面的工件，其加工的最后一道工序是表面拋光加工，它是一種少無切削量的加工，所以其刀具與工件接觸表面之間的法向力很小。此刀具是布輪，工件是衛(wèi)浴部件。影響這種加工的主要因素包括：磨拋接觸力、磨拋布輪的線速度等等。

傳統(tǒng)的拋光加工方法是靠人工手持工件與拋光布輪的接觸，通過人工調(diào)節(jié)接觸力大小，這樣不但安全性難以保證，且費(fèi)時費(fèi)力、效率低、質(zhì)量差，并且還存在環(huán)保等諸多問題。為此課題組研究開發(fā)了“工業(yè)機(jī)器人自動磨拋系統(tǒng)”，有效地解決了它所存在的問題。

1 自動磨拋系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)自動的磨拋接觸力的控制，就是要對“工件”和“布輪”進(jìn)行控制，可以有兩種辦法：一種是在夾持工件的機(jī)構(gòu)那一端實現(xiàn)，另一種是在布輪一端實現(xiàn)。

由于加工工件的外輪廓是不規(guī)則的，采用簡單的機(jī)械設(shè)備完成工件的位移是困難的，為此，設(shè)計了如圖1所示的加工機(jī)構(gòu)：

1）第一部分：加工工件靠六個自由度的機(jī)器人控制，保證了所有工件高精度的重復(fù)定位的功能；

2）第二部分：布輪靠PLC控制，由變頻器控制布輪電機(jī)帶動的旋轉(zhuǎn)，其速度可以調(diào)節(jié)，同時通過伺服電機(jī)控制的絲杠運(yùn)動來移動布輪，以改變工件在布輪的拋光位置。

圖1 加工過程示意圖

2 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和基本原理

依據(jù)拋光工藝的特殊特性，結(jié)合上述的思路，設(shè)計了如圖2所示的拋光加工控制系統(tǒng)。

整個控制系統(tǒng)由人機(jī)界面（HMI）、可編程序控制器（PLC）、一號拋光機(jī)（包括伺服驅(qū)動器、變頻器）和二號拋光機(jī)（包括伺服驅(qū)動器、變頻器）、現(xiàn)場I/O、送料臺和機(jī)器人等組成。

控制系統(tǒng)的基本工作原理是： PLC、變頻器、伺服驅(qū)動器和機(jī)器人依靠現(xiàn)場總線Device Net完成數(shù)據(jù)交換。機(jī)器人在Rapid軟件平臺下，對布拋工件的運(yùn)動軌跡進(jìn)行控制，同時分別對一、二號拋光機(jī)實時的發(fā)出加工指令；PLC根據(jù)機(jī)器人的指令，結(jié)合現(xiàn)場I/O的狀態(tài)完成：

1）通過變頻器改變布輪的轉(zhuǎn)速，以保證布輪的旋轉(zhuǎn)速度；

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2）通過伺服驅(qū)動器改變拋光切點A與拋光布輪中心的距離，以保證拋光過程的拋光力（如圖1）。

3 主要控制變量的分析

為了說明問題，先對系統(tǒng)的主要控制變量做如下定義：

1）FN：在磨拋交點A上，沿著拋光輪法線方向的壓力；

2）FT：在磨拋交點上，沿著拋光切線方向的拋光力；

3）n：布拋輪的角速度；

4）v：磨拋交點A上的線速度；

5）T：磨拋轉(zhuǎn)矩。拋光力FT與磨拋切點到布輪圓心的距離r的乘積。

如圖1所示，改變磨拋點的位置，即改變布輪中心與機(jī)器人的相對位置，這種在法向上的微小位置變化，將使正壓力FN發(fā)生大幅度的變化;因此經(jīng)過實驗可以了解到：為了獲得質(zhì)量均勻的拋光自由表面，在控制切向運(yùn)動速度v恒定的同時，必須對拋光法向力FN進(jìn)行控制，以盡量保證拋光力FT的恒定。

3.1 保持拋光力Fr的恒定

拋光布輪中心與機(jī)器人的相對位置一個很小的變化，F(xiàn)N都會發(fā)生大幅度的變化，同樣FT也發(fā)生大幅度的變化，這是由于拋光力FT正比于正壓力 FN，即：

力矩是等于力與作用半徑的乘積，即：

注：在（最大布輪半徑－）處讀取一個值作為最大拋光力的點，其半徑是rmax；實際應(yīng)用中， 值是在一定范圍值里可選的?？梢缘玫阶畲髵伖饬κ牵?/p>

在任意半徑位置的拋光力是：

用式（3）除于式（2）得到：

同時從式（1）得到：

所以式（4）為：

FT總是占最大拋光力FTmax一定的百分?jǐn)?shù)，加工要求FT恒定，必然這個百分?jǐn)?shù)也必須恒定，將上式轉(zhuǎn)化為：

注：實際使用是通過HMI輸入壓力的百分?jǐn)?shù)。

磨拋布輪電機(jī)是異步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)矩T是磁通 與轉(zhuǎn)子流過電流I2之間相互作用而產(chǎn)生的，即： T＝CTI2。

由此式（4）可以改寫為：

由于磨拋布輪電機(jī)是由變頻器在額定頻率下進(jìn)行調(diào)速，而這種調(diào)速方式是通過保持電壓與頻率的比值為恒定實現(xiàn)調(diào)速的。即：電動機(jī)的磁通保持一定。因此,上式（4）的 ＝max，式子轉(zhuǎn)化為：

圖3 布輪半徑檢測示意圖

3.2 保持切向運(yùn)動速度v的恒定

由于磨拋加工，布輪的磨損，使布輪半徑r會減小，按照線速度與角速度的關(guān)系：v＝ ×r，所以在角轉(zhuǎn)速 不變的情況下，拋光點上的線速度v也將減小，從而影響拋光效果，為此必須通過調(diào)節(jié)磨拋電機(jī)的轉(zhuǎn)速來保證其線速度的恒定。

通過HMI輸入線速度v，當(dāng)布輪半徑r改變時，對應(yīng)的修改布輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，就可以穩(wěn)定線速度v值。

注： 布 輪 由n＝1450rpm，P＝5kw，f＝50Hz 的異步電動機(jī)帶動，其傳動比為：1∶1；并由變頻器在基頻之下實現(xiàn)調(diào)速。

3.3 布輪半徑r

正如式（6）所表達(dá)的，為了保持壓力百分?jǐn)?shù)為恒定值，PLC檢測到布輪電機(jī)工作電流I2發(fā)生變化時，必須控制伺服電機(jī)來調(diào)節(jié)布輪位置，來改變磨拋作用半徑r，以保持壓力百分?jǐn)?shù)為恒定值。

式中：R是最大布輪直徑是已知的；

L1和L0是絲杠的不同位移距離，也是已知的。

注： 布輪有效工作直徑：500mm～1000mm；

當(dāng)布輪直徑為510mm，系統(tǒng)發(fā)警告提示，要求更換布輪；

當(dāng)布輪直徑小等于500mm，系統(tǒng)禁止拋光工作。3.4 布輪位移速度vs

伺服電機(jī)最大轉(zhuǎn)速n＝3000rpm，減速比i＝5，絲桿導(dǎo)程L＝5mm；

絲桿最大直線位移速度：

注：1）在有負(fù)荷（有壓力）下，以“壓力控制速度”參量作為速度控制值，其值小于“位置調(diào)整速度”；

2）在無負(fù)荷下，以“位置調(diào)整速度”參量作為速度控制值，其小于50mm/s。

4 結(jié)束語

本文的技術(shù)方案在生產(chǎn)實踐中得到了應(yīng)用，基本滿足了生產(chǎn)的需求。具有如下明顯的優(yōu)點：

1）改善工人惡劣的勞動條件，消除枯燥無味的重復(fù)工作，節(jié)約勞動力，極大的提高生產(chǎn)效率；

2）提高了對復(fù)雜形狀表面零件的處理能力與產(chǎn)品質(zhì)量；

3）具備24小時全天候連續(xù)加工的能力,解決了勞動力缺乏的問題，提高了生產(chǎn)設(shè)備的利用率；

4）更強(qiáng)與可控的生產(chǎn)能力，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代。

由于機(jī)器人所具有的多自由度的特點和被加工工件的自由曲面特性，尤其是在加工過程中考慮到力因素影響，使得這些問題研究起來更加的復(fù)雜，有待繼續(xù)地把這個課題研究下去。

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Technology based on robotics and PLC control of free-form surface polishing

LIU Ke

本文介紹一種基于機(jī)器人和PLC技術(shù)，用于自由曲面工件的表面拋光的加工方法，文章著重探討在力因子作用下的加工方法、控制參量的推算。實踐證明，采用這種設(shè)計思想制造的加工設(shè)備，達(dá)到了自動化生產(chǎn)的需求。

機(jī)器人；PLC；表面拋光；控制分析

劉克（1961－），男，高級工程師， 主要從事機(jī)電一體化產(chǎn)品的研究和教學(xué)工作。

TP273

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1009-0134(2011)4(下)-0050-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).15

2011-02-28