馬凱威，劉建春，林彥鋒，黃海濱，林曉輝

（1.廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廈門 361024；2.廈門思爾特機(jī)器人系統(tǒng)有限公司，廈門 361023）

0 引言

目前，磨拋加工的相關(guān)方法主要分為手工磨拋、專用磨床磨削、數(shù)控機(jī)床磨拋和工業(yè)機(jī)器人磨拋。手工磨拋存在勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)周期長，產(chǎn)品合格率不穩(wěn)定等缺點(diǎn)；專用磨床雖然適合大規(guī)模生產(chǎn)，但通用性較差；數(shù)控機(jī)床磨拋則成本偏高，并且程序復(fù)雜。而機(jī)器人自動磨拋，具有效率高、成本低、柔性好等優(yōu)點(diǎn)，因而，廣泛應(yīng)用于航空葉片、高檔水暖器材和汽輪機(jī)葉片等具有復(fù)雜空間曲面產(chǎn)品的磨拋加工[1～4]。

近幾年，國內(nèi)外眾多學(xué)者對機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)研究，例如李成群等[5]設(shè)計了機(jī)器人磨削系統(tǒng)中的三自由度砂帶磨床，實(shí)現(xiàn)了磨削過程中的微量進(jìn)給；齊立哲等[6]提出了一整套關(guān)于組建機(jī)器人柔性加工系統(tǒng)的方案；Wang Wei等[7,8]設(shè)計了六自由度砂帶磨拋系統(tǒng)的離線編程軟件，為磨拋加工中路徑的空間優(yōu)化提供了理論支持；Dieste等[9]通過控制加工路徑、工藝流程和數(shù)學(xué)模型等方面，使自由曲面磨拋所需要的時間和成本降到了最低。但是大多數(shù)相關(guān)研究尚未對機(jī)器人復(fù)雜曲面磨拋系統(tǒng)的搭建，離線編程及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)和詳細(xì)的闡述。

本文將利用工業(yè)機(jī)器人，結(jié)合自主研發(fā)的砂帶磨拋機(jī)和系統(tǒng)控制柜等組件，參照人工磨拋的方法搭建與之相對應(yīng)的自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在模擬機(jī)器人砂帶磨拋生產(chǎn)作業(yè)，開展離線編程和模擬仿真，并為相關(guān)研究提供技術(shù)探索和實(shí)驗(yàn)參考。

1 機(jī)器人磨拋系統(tǒng)的搭建

該機(jī)器人砂帶磨拋系統(tǒng)主要由機(jī)器人、砂帶磨拋機(jī)、夾具和系統(tǒng)控制柜等部分組成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 機(jī)器人砂帶磨拋系統(tǒng)

1.1 工業(yè)機(jī)器人

機(jī)器人模塊主要由六軸機(jī)器人、IRC5控制柜和RobotStudio/RobotWare離線編程軟件等部分組成。

該系統(tǒng)采用的工業(yè)機(jī)器人，其最大承載重量為60kg，可達(dá)距離為2.05m，能夠充分模擬手工砂帶磨拋[10]；其配備的IRC5控制柜能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人與PLC的DeviceNET通訊；自帶的離線編程軟件能夠保證離線編程和模擬仿真的順利進(jìn)行。

1.2 砂帶磨拋機(jī)

該砂帶磨拋模塊主要包括傳動系統(tǒng)和氣動單元等部分。如圖2所示，傳動系統(tǒng)由主動輪，張緊調(diào)偏輪，上接觸輪和下接觸輪等部件組成，由變頻電機(jī)驅(qū)動，可以提供1400r/min的工作轉(zhuǎn)速和最大2.2KN的砂帶張緊力；氣動單元由氣缸和直線導(dǎo)軌等零件組成，可以滿足 60kgf/cm2磨拋力的產(chǎn)品加工并實(shí)現(xiàn)支架整體80mm的往復(fù)運(yùn)動。

圖2 機(jī)器人砂帶磨拋機(jī)整體裝配圖

1.3 機(jī)器人夾具

夾具設(shè)計采用了內(nèi)外螺紋配合和伸縮銷周向定位相結(jié)合的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時利用氣動控制和機(jī)器人運(yùn)動組合的方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動夾取和放置，效果如圖3所示。經(jīng)過理論分析和計算，該結(jié)構(gòu)能夠承受20KN的軸向力和772Nm的力矩。

圖3 機(jī)器人夾具三維截面圖

1.4 控制系統(tǒng)

根據(jù)磨拋工藝的特殊需求，結(jié)合人工磨拋和機(jī)床磨拋生產(chǎn)線的設(shè)計思路，設(shè)計了工業(yè)機(jī)器人磨拋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以可編程控制器（PLC）為控制核心，依靠現(xiàn)場總線和串口完成工業(yè)機(jī)器人、變頻器和PLC等設(shè)備的通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)由人機(jī)界面（HMI）到工業(yè)機(jī)器人和砂帶磨拋機(jī)等設(shè)備的控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 機(jī)器人磨拋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 離線編程與仿真

機(jī)器人磨拋系統(tǒng)模擬仿真是建立在以RobotStudio/RobotWare為基礎(chǔ)的工作站上完成的，主要包括機(jī)器人系統(tǒng)的建立及參數(shù)設(shè)定，工具模型的建立及參數(shù)設(shè)定，工作站的布局和Smart組件的應(yīng)用等部分。

2.1 系統(tǒng)建模

工業(yè)機(jī)器人自帶的專業(yè)離線仿真軟件RobotStudio能夠?qū)崿F(xiàn)CAD模型導(dǎo)入、自動路徑生成和碰撞檢測等模擬仿真功能。首先，創(chuàng)建帶有目標(biāo)機(jī)器人及其控制柜的工作站。然后，利用Creo繪制仿真實(shí)驗(yàn)所需要的系統(tǒng)控制柜和砂帶磨拋機(jī)等設(shè)備，并將其導(dǎo)入到該工作站中。最后，利用放置、創(chuàng)建機(jī)械裝置和I/O配置等功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的布局和仿真，其效果如圖5所示。

圖5 仿真模擬實(shí)驗(yàn)平臺在RobotStudio中的搭建

2.2 模擬仿真

在機(jī)器人磨拋系統(tǒng)的離線仿真過程中，主要采用RAPID語言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯和動作控制。利用系統(tǒng)的坐標(biāo)參數(shù)，工具數(shù)據(jù)，功能指令和I/O信號等數(shù)據(jù)編寫仿真程序，其控制流程如圖6所示。

根據(jù)圖6的任務(wù)流程進(jìn)行模擬仿真。在仿真中，機(jī)器人首先夾取工件，然后磨拋機(jī)向PLC發(fā)出工位到達(dá)信號后，將其到達(dá)指定位置的信息傳遞給了機(jī)器人，機(jī)器人接收到信號后便迅速進(jìn)入磨拋模式。該模式結(jié)束后，機(jī)器人放回水龍頭，同時砂帶磨拋機(jī)退回原點(diǎn)。由此保證了在整個磨拋過程中機(jī)器人，磨拋機(jī)和夾具等設(shè)備的協(xié)同工作。

圖6 機(jī)器人編程流程圖

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證以上方案的可行性，以鍛鑄銅合金普通水龍頭外表面磨拋為研究對象，根據(jù)設(shè)計方案及仿真流程，編寫相應(yīng)的PLC程序和人機(jī)界面，進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用到的主要儀器如表1所示，其中加工工件表面的粗糙度由泰勒—霍普森表面輪廓儀上獲得。

表1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號

在加工實(shí)驗(yàn)時，設(shè)定砂帶張緊力為139N，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r/min，磨拋力閥值為500N。按照圖7所示流程分別對水龍頭進(jìn)行粗磨和細(xì)磨實(shí)驗(yàn)。加工前后工件對比效果如圖8所示。

圖7 機(jī)器人磨拋實(shí)驗(yàn)加工流程

圖8 工件實(shí)驗(yàn)前后對比圖

根據(jù)工件加工前后對比表面，加工后工件表面光滑，無明顯毛刺、磕碰和劃痕等缺陷。利用泰勒—霍普森輪廓儀，選取半徑為22.4818mm，最大峰－谷高度為0.0785um的標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)榛鶞?zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。然后選取長度為5mm的行程長度，在粗磨和細(xì)磨后的加工表測量得出表面粗糙度分別為Ra=2.2672um和Ra=0.7616um，以最小二乘法擬合各點(diǎn)結(jié)果如圖9所示。分析最終加工表面粗糙度值遠(yuǎn)小于1.6um，完全可以滿足工件電鍍和配合等要求。

圖9 加工表面粗糙度

4 結(jié)束語

1）本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求完成了機(jī)器人砂帶磨拋系統(tǒng)的整體搭建。在此過程中，自主研發(fā)并生產(chǎn)了砂帶磨拋機(jī)、系統(tǒng)控制柜和夾具等設(shè)備，為該試驗(yàn)平臺的搭建奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

2）利用RobotStudio實(shí)現(xiàn)了整個磨拋系統(tǒng)的模擬仿真及機(jī)器人軌跡的離線編程，保證了生產(chǎn)加工的順利完成。最后以水龍頭為對象進(jìn)行磨拋實(shí)驗(yàn)，證明了該方法的可行性、科學(xué)性和高效性，為機(jī)器人磨拋系統(tǒng)的自主研發(fā)提供了技術(shù)支持和有益探索。

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