黃海濱，柯曉龍，林曉暉

(1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門 361024;2.精密驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361024)

鋁合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還具有較高的強(qiáng)度，且擁有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。鋁合金拋光是為了改善鋁合金表面狀態(tài)，提高其抗蝕性、耐磨性和裝飾性的一種金屬表面加工技術(shù)，也可以作為電鍍等后續(xù)工序的預(yù)處理方式。

國內(nèi)外研究者對(duì)鋁合金的機(jī)器人拋光機(jī)理、軌跡規(guī)劃等方面開展了富有成效的研究。Ali Akbar等［1］原創(chuàng)性地提出了使用一種帶有橡膠打磨盤的機(jī)器人拋光系統(tǒng)，用在鋁合金制件的精密研磨和拋光上，并研究了鋁合金拋光次數(shù)和切削進(jìn)給量對(duì)于拋光表面粗糙度的影響。Akbari［2］利用激光距離傳感器和apiezo電測(cè)功機(jī)將拋光力和工具角度的數(shù)據(jù)反饋給機(jī)器人控制器，以此為基礎(chǔ)提出機(jī)器人拋光鋁合金元件的刀具軌跡生成方法，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了軌跡加工效果。Yunquan Sun［3］等介紹了一種新的工業(yè)機(jī)器人砂帶磨削拋光的數(shù)學(xué)模型，主要從系統(tǒng)的標(biāo)定及拋光力恒定兩方面來保證加工質(zhì)量，最后利用實(shí)驗(yàn)印證了理論的正確性。Shuihua等［4］針對(duì)機(jī)器人砂帶拋光動(dòng)態(tài)性能差引起加工誤差的情況建立動(dòng)力學(xué)模型和仿真平臺(tái)，研究不同工藝參數(shù)對(duì)加工精度、抑制振動(dòng)以及材料去除率等的影響，提出優(yōu)化的加工參數(shù)。華中科技大學(xué)的吳昌林等［5］提出了基于恒去除率的鋁輪曲面拋光刀位軌跡生成方法，用恒去除率約束軌跡生成方法來保證鋁輪曲面拋光的質(zhì)量。北京航空航天大學(xué)的贠超等［6-7］開發(fā)了一種用于復(fù)雜曲面的磨削機(jī)器人系統(tǒng)和砂帶磨削機(jī)，并提出了一種包含弧長優(yōu)化和主曲率匹配的磨削路徑生產(chǎn)方法，通過離線仿真驗(yàn)證了其有效性，并利用該方法提高了曲面的磨削質(zhì)量。該路徑規(guī)劃方法為生成光順且精確的機(jī)器人曲面磨削路徑提供了理論依據(jù)。

本文以鋁合金制件的砂帶拋光成型為研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)了恒定拋光力的機(jī)器人拋光系統(tǒng)，并對(duì)機(jī)器人拋光運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬仿真，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的拋光機(jī)的合理性和可靠性［8-15］。

1 機(jī)器人砂帶拋光原理

所設(shè)計(jì)的機(jī)器人拋光系統(tǒng)可應(yīng)用于鋁合金制件的自動(dòng)化磨削拋光過程。在一個(gè)工件拋光周期內(nèi)，機(jī)器人通過自動(dòng)運(yùn)行編制在離線編程軟件內(nèi)的程序，完成自動(dòng)上料、磨削加丁、拋光加工、自動(dòng)下料等過程，具體工藝流程如下:

1)人工上料、定位。設(shè)計(jì)了雙向工作臺(tái)的上下料裝置，可以實(shí)現(xiàn)人工上下料與機(jī)器人自動(dòng)加工過程并行工作。每個(gè)工作臺(tái)上設(shè)有16個(gè)鋁合金工件定位座。人工上料時(shí)需要按下工作臺(tái)上料按鈕，氣缸將工作臺(tái)推出，然后人工將鋁合金工件放置在相應(yīng)的定位座上，完成上料工作后，再按下工作臺(tái)復(fù)位按鈕，工作臺(tái)回到工作位置，通過行程開關(guān)完成工件料盤的準(zhǔn)確定位。

2)機(jī)器人夾取鋁合金工件。鋁合金工件的卡具安裝在機(jī)器人手臂末端，采用氣動(dòng)控制方式，可以自動(dòng)從上下料裝置上抓取或放置鋁合金工件，在工件料盤上安裝有定位傳感器。機(jī)器人手臂完成工件夾取后，擺動(dòng)至定位傳感器側(cè)進(jìn)行夾取確認(rèn)檢測(cè)，檢測(cè)完畢后進(jìn)行下一道工序。

3)鋁合金工件拋光。在鋁合金工件的整個(gè)拋光過程中，通過機(jī)器人控制器的離線編程軟件進(jìn)行軌跡規(guī)劃和設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行鋁合金工件的初拋:機(jī)器人手臂將鋁合金工件送到80號(hào)砂帶拋光機(jī)工位，自動(dòng)運(yùn)行機(jī)器人位姿和軌跡程序，通過砂帶拋光初步去掉鋁合金工件表面上的粗糙毛刺和凹坑等;然后通過機(jī)器人手臂將鋁合金工件送到240號(hào)砂帶拋光機(jī)工位，對(duì)鋁合金工件整體面型再進(jìn)行磨拋精加工，使得其曲面面型平整光潔，無砂眼、氣泡;最后再將鋁合金工件調(diào)至800號(hào)砂帶拋光機(jī)工位進(jìn)行最后的拋磨清光，使鋁合金工件線條更流暢，達(dá)到表面粗糙度要求。

4)自動(dòng)下料。機(jī)器人完成鋁合金工件拋光工序后，回到雙向上下料工作臺(tái)，松開氣動(dòng)夾具，將鋁合金工件成品放置在對(duì)應(yīng)的定位座上，經(jīng)人工補(bǔ)拋后，確認(rèn)達(dá)到表面粗糙度和輪廓度要求后入庫，完成一個(gè)鋁合金工件拋光周期。

鋁合金機(jī)器人拋光工藝流程如圖1所示。

2 拋光系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

拋光系統(tǒng)硬件由機(jī)器人及夾具、砂帶拋光機(jī)、電氣控制系統(tǒng)、雙向上下料裝置等組成。機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用了ABB4600工業(yè)機(jī)器人。夾具安裝在機(jī)器人末端，采用氣動(dòng)控制方式，可以自動(dòng)從上下料裝置上抓取或放置鋁合金工件。磨削拋光設(shè)備實(shí)現(xiàn)鋁合金工件的磨削拋光過程。雙向上下料工作臺(tái)可以放置8×4=32個(gè)鋁合金工件，供機(jī)器人自動(dòng)上下料使用。

圖2為機(jī)器人鋁合金拋光原理。

圖2 機(jī)器人鋁合金拋光原理

1)主動(dòng)輪直徑D計(jì)算

設(shè)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速為N，其計(jì)算公式為

其中:V為拋光線速度;D為主動(dòng)輪直徑;N為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速。由式(1)可得主動(dòng)輪的直徑D:

2)砂帶張力計(jì)算

主動(dòng)輪張力F的計(jì)算公式為

拋光砂帶所受的張力Fd的計(jì)算公式為:

已知電機(jī)功率P=4 kW，主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速n=1 400 r/min，拋光輪的半徑 r=D/2=0.2 m，代入式(2)、(3)可計(jì)算得拋光砂帶所受的張力Fd:

取整后，可得砂帶上所受張力大小為137 N。

3)張緊氣缸缸徑計(jì)算

氣缸推力Ft的計(jì)算公式為

氣缸缸徑Dz的計(jì)算公式為

得氣缸推力為192.939 N，設(shè)定氣源壓力P=5 kg/fcm2，代入式(4)和(5)可得氣缸缸徑Dz:

可得氣缸直徑計(jì)算值為8.380 cm，據(jù)其工作安全考慮選取缸徑Dz=100 mm的張緊氣缸。表1列出了鋁合金砂帶拋光系統(tǒng)主要部件的技術(shù)參數(shù)。

表1 拋光系統(tǒng)主要部件的技術(shù)參數(shù)

在完成對(duì)拋光機(jī)主要部件的技術(shù)參數(shù)選型和計(jì)算后，繪制了拋光機(jī)機(jī)構(gòu)三維圖，如圖3所示。

圖3 拋光機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)三維圖

3 恒定力拋光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

機(jī)器人砂帶拋光對(duì)鋁合金工件的加工過程融合了傳統(tǒng)加工的表面切削作用、磨粒對(duì)鋁合金工件表面的塑性擠壓作用，以及相對(duì)摩擦引起的熱塑性流動(dòng)作用等。為了保證鋁合金工件表面去除量穩(wěn)定，表面光潔度高，本文設(shè)計(jì)了一套恒定力拋光系統(tǒng)，以確保砂帶拋光機(jī)在鋁合金工件的整個(gè)拋光過程中保持拋光力恒定。

3.1 拋光控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)拋光系統(tǒng)的工藝要求，系統(tǒng)主要由砂帶轉(zhuǎn)速控制、拋光機(jī)主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)位置控制及拋光力控制等組成。鋁合金機(jī)器人拋光控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，包括了機(jī)器人控制器、觸摸屏、變頻器、變頻電機(jī)、電磁閥、氣缸和PLC等。

圖4 拋光控制系統(tǒng)硬件框圖

由于機(jī)器人與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通訊信息量不大，拋光系統(tǒng)通過RS232完成PLC與機(jī)器人的通訊，節(jié)省了成本。選用臺(tái)達(dá)觸摸屏，通過RS485與PLC通訊，能實(shí)時(shí)共享更改PLC的數(shù)據(jù)單元，組成了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。通過上位機(jī)觸摸屏對(duì)拋光系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，監(jiān)控拋光系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行故障信息管理。

3.2 機(jī)器人拋光系統(tǒng)恒定力運(yùn)動(dòng)仿真

拋光力的恒定控制可以由機(jī)器人系統(tǒng)和拋光機(jī)系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)。拋光輪電機(jī)直接由變頻器驅(qū)動(dòng)，可無級(jí)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)與工件接觸點(diǎn)的線速度恒定。拋光機(jī)主體移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由PLC通過電磁閥控制移動(dòng)氣缸來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。左、右極限位置由行程開關(guān)控制。

拋光力的恒定控制可以由機(jī)器人系統(tǒng)和拋光機(jī)系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人系統(tǒng)的拋光力控制采用直接驅(qū)動(dòng)拋光輪的三相異步電機(jī)的電流作為反饋信號(hào)，反饋電流信號(hào)可以由變頻控制器獲得，通過建立電流與拋光力的關(guān)系，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊可以實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)砂帶輪的徑向距離，保證拋光力的恒定控制。隨著工件與磨削輪之間的磨削力增大，相應(yīng)作用在氣缸上的力也增大，比例閥做出調(diào)整進(jìn)行排氣，使氣缸內(nèi)的壓力維持在設(shè)定值。在完成設(shè)計(jì)后，利用robotstudio軟件對(duì)其工藝流程和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬仿真。圖5所示為鋁合金拋光的運(yùn)動(dòng)仿真截圖。結(jié)果表明:該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理和可靠的。

4 結(jié)束語

本研究進(jìn)行了鋁合金機(jī)器人拋光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)其拋光原理和工藝流程進(jìn)行了分析，對(duì)鋁合金拋光系統(tǒng)的張緊氣缸推力、調(diào)偏電機(jī)扭矩和主動(dòng)輪規(guī)格進(jìn)行了計(jì)算，完成了三維圖紙的繪制。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了恒定拋光力的機(jī)器人拋光控制系統(tǒng)，包含了調(diào)偏機(jī)構(gòu)、砂帶拋光機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，拋光力恒定機(jī)構(gòu)。利用robotstudio軟件對(duì)鋁合金拋光過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡模擬仿真，驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理、可靠的。

［1］Ali Akbar AKBARI，Shizuichi HIGUCHI.Optimum Machining Conditions for Mirror Polishing of Aluminum Alloy Using a Robot［J］.JSME International Journal Series C Mechanical Systems，Machine Elements and Manufacturing，2001，44(3):842-847.

［2］Akbari A A，Higuchi S.Autonomous Tool Path Generation in Robotic Polishing of an Aluminum Alloy［J］.Key Engineering Materials，2003，238/239:263-268.

［3］Yunquan Sun，David J G，Kazem Kazerounian.Accurate robotic belt grinding of workpieces with complex geometries using relative calibration techniques［J］.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2009，25(1):204-210.

［4］Shuihua W，Kazem K，Zhongxue G.A simulation platform for optimal selection of robotic belt grinding system parameters［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013(64):447-458.

［5］陳義，吳昌林.鋁輪曲面恒去除率拋光刀位軌跡生成方法［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，38(2):45-47.

［6］洪云飛，李成群，贠超.用于復(fù)雜空間曲面加工的機(jī)器人磨削系統(tǒng)［J］.中國機(jī)械工程，2006，(17):150-153.

［7］王偉，贠超，張令，等.機(jī)器人砂帶磨削的曲面路徑優(yōu)化算法［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(7):8-15.

［8］陳情，薛方正.工業(yè)機(jī)器人的仿人智能控制［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012(7):42-49.

［9］楊華，田新誠，許傳俊.工業(yè)機(jī)器人三維仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2002(5):36-38.

［10］逄啟壽.分布式控制系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2005(10):17-18.

［11］畢魯雁，劉立生.基于RTX的六軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2013(15):134-136，163.

［12］劉君，帥曉峰，郭秋東，等.機(jī)器人三維空間激光切割定位支架的有限元參數(shù)化建模與優(yōu)化研究［J］.激光雜志，2009(6):62.

［13］周書華，毛儻生，吳善強(qiáng)，等.雙壓電膜驅(qū)動(dòng)微小機(jī)器人控制器的研究［J］.壓電與聲光，2013(4):561-563.

［14］張鋒，周生，張金，等.基于優(yōu)化向量場(chǎng)直方圖法的機(jī)器人避障方法［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2013(10):102-104.

［15］袁夫彩，陸念力，王立權(quán).水下船體表面清刷機(jī)器人密封的設(shè)計(jì)［J］.潤滑與密封，2007(5):69-72.