王宗躍，何志新，艾興才，劉有余

（1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院；2.埃夫特智能裝備股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

機(jī)器人打磨拋光的工藝研究

王宗躍1，何志新2，艾興才2，劉有余1

（1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院；2.埃夫特智能裝備股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

本文分析了使用機(jī)器人對(duì)汽車(chē)排氣管進(jìn)行打磨拋光的工藝.采用力控制和軌跡優(yōu)化的方法，對(duì)傳統(tǒng)工藝做了優(yōu)化改進(jìn)并進(jìn)行了打磨拋光實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明，取得了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果，達(dá)到產(chǎn)品工藝要求，提高了打磨拋光效率.

機(jī)器人；打磨拋光；工藝；力控制；軌跡優(yōu)化

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)制造業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型以及人口紅利逐漸的消失，機(jī)器人行業(yè)正迎來(lái)高速發(fā)展時(shí)期.而在工件表面的打磨拋光技術(shù)被廣泛的應(yīng)用到衛(wèi)浴、五金和IT等行業(yè).傳統(tǒng)的手工打磨拋光存在打磨拋光質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低、產(chǎn)品的均一性差和自動(dòng)化程度低[1]等問(wèn)題.因此，對(duì)打磨拋光機(jī)器人的研究引起了許多國(guó)內(nèi)外高校，研究機(jī)構(gòu)和一些公司的廣泛關(guān)注.

打磨拋光機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高質(zhì)量的自動(dòng)化打磨，正慢慢的被一些公司用以代替人工打磨.但影響機(jī)器人打磨拋光的質(zhì)量因素很多，如磨砂帶的型號(hào)[2-3]、拋光輪的材質(zhì)[4]、工業(yè)蠟的使用，而控制打磨工具末端的力和加工軌跡是確保打磨工件質(zhì)量很重要的途徑[5].故本文采用壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)打磨工具末端力的值，由PLC反饋給機(jī)器人，進(jìn)而控制機(jī)器人打磨力的大小的方法，并在傳統(tǒng)的機(jī)器人示教編程方法基礎(chǔ)上，優(yōu)化打磨軌跡.

2 打磨機(jī)器人系統(tǒng)組成及打磨控制流程

打磨機(jī)器人系統(tǒng)采用由埃夫特機(jī)器人公司研發(fā)的六軸工業(yè)機(jī)器人ER50-C10.打磨系統(tǒng)包括PLC、打磨砂帶機(jī)、拋光機(jī)、和壓力傳感器、安裝在機(jī)器人第六軸的夾具組成的一個(gè)閉環(huán)控制系[6].

當(dāng)開(kāi)始打磨時(shí)，安裝在機(jī)器人第六軸的夾具夾持圓形排氣管，放置在轉(zhuǎn)動(dòng)的打磨砂帶機(jī)上進(jìn)行打磨，打磨下壓力的大小實(shí)時(shí)被壓力傳感器檢測(cè)，傳感器將檢測(cè)壓力值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給PLC，PLC判斷壓力大小，輸送給機(jī)器人控制系統(tǒng).從而控制機(jī)器人打磨壓力的大小.通過(guò)多次試驗(yàn)設(shè)定合適的壓力值.如果打磨的壓力大于正常壓力，則機(jī)器人六軸向相反方向移動(dòng)一定距離，即減小打磨壓力.如果打磨的壓力值小于正常壓力值，則機(jī)器人六軸向正方向移動(dòng)一定距離，即增大打磨壓力.如果打磨壓力值在允許的打磨壓力范圍之內(nèi)，則進(jìn)行正常的打磨程序運(yùn)行[7].以此來(lái)保證打磨機(jī)器人系統(tǒng)的打磨壓力值一直在合理的范圍之內(nèi).打磨控制流程圖，如圖1所示.

圖1 打磨控制流程圖

3 打磨拋光示教編程

傳統(tǒng)打磨拋光示教編程需要耗費(fèi)工人的很多時(shí)間，一般采用點(diǎn)到點(diǎn)示教編程方法，普通工件打磨示教編程需要幾百個(gè)點(diǎn)，多的則長(zhǎng)達(dá)一千多個(gè)點(diǎn).本文對(duì)結(jié)構(gòu)較為典型汽車(chē)排氣管進(jìn)行示教編程，并采用兩種示教編程方法.第一種示教編程方法：如圖2所示，根據(jù)工件特點(diǎn)，打磨從起始點(diǎn)A1處開(kāi)始，依次到An、Bn、B1、C1、Cn，以此類(lèi)推.其中A1到An有N個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)的個(gè)數(shù)根據(jù)打磨工件的大小和打磨效果確定，同理確定Bn到B1點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以此類(lèi)推.在示教打磨圓形汽車(chē)排氣管時(shí)，完成整個(gè)打磨程序示教了600多個(gè)點(diǎn)，耗時(shí)8個(gè)小時(shí)左右.

圖2 工件立體圖

圖3 工件平面圖

第二種示教編程的方法：圖3為排氣管的平面圖，根據(jù)打磨圓形工件的特點(diǎn)，為直徑88mm，AB長(zhǎng)度為104cm，CD長(zhǎng)度為156cm.將圓形工件的曲面劃分為正面180°和反面180°，打磨示教需要設(shè)置兩個(gè)點(diǎn)，即打磨從起始點(diǎn)A，和打磨示教點(diǎn)B.當(dāng)打磨示教B點(diǎn)結(jié)束時(shí)，機(jī)器人夾持工件以β角度向左移動(dòng)，移動(dòng)至工件左端，再以同樣的β角度向右面移動(dòng)打磨.如果β角度為10°，機(jī)器人一個(gè)來(lái)回移動(dòng)的角度和就是20°，180°的正曲面被打磨機(jī)器人來(lái)回打磨9次完成，整個(gè)工件打磨完成需要機(jī)器人來(lái)回移動(dòng)18次.同時(shí)，機(jī)器人夾持工件每次來(lái)回打磨移動(dòng)的距離都會(huì)有所變化，這是因?yàn)楣ぜ目傞L(zhǎng)為156cm，而起始點(diǎn)打磨A點(diǎn)到B點(diǎn)的距離為104cm.如果β角度為10°，進(jìn)行正曲面打磨，則每次機(jī)器人下一次打磨移動(dòng)的距離比上一次大約增加2.9cm.在進(jìn)行反曲面打磨時(shí)，每下次打磨移動(dòng)距離比上次減少大約2.9cm.在具體的工程打磨實(shí)踐中分別設(shè)置了β角度為10°、5°、3°、2°，角度越小這種往復(fù)打磨的效果越好，但受機(jī)器人的精度和穩(wěn)定性等一些因素的影響不可能角度做到絕對(duì)的好.打磨調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)置β角度為3°時(shí)，效果最好.拋光時(shí)采用同樣的方法.其基本思想就是，一邊打磨一邊以一定的角度旋轉(zhuǎn)圓形排氣管，β值為3°的打磨拋光部分調(diào)式程序如下：

兩種打磨方法的效果圖分別如圖4和圖5，從圖可以看出第二種方法打磨加工出來(lái)的零件產(chǎn)品質(zhì)量更高，優(yōu)化后的打磨軌跡更好.

圖4 打磨拋光方法一效果圖

圖5 打磨拋光方法二效果圖

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

打磨設(shè)備部分如圖6所示，下面是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方法：

（1）首先采用仿真軟件對(duì)打磨設(shè)備安裝位置及打磨軌跡進(jìn)行仿真分析，采用離線(xiàn)編程技術(shù)對(duì)打磨軌跡進(jìn)行了示教編程，然后把離線(xiàn)示教編程的程序?qū)氲绞窘唐髦衃8].發(fā)現(xiàn)仿真和實(shí)際情況有一定的差距，需要在打磨現(xiàn)場(chǎng)對(duì)打磨的軌跡進(jìn)行微調(diào).因此節(jié)省了大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間.

（2）采用壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)打磨壓力的大小，使傳統(tǒng)的打磨開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，變?yōu)殚]環(huán)系統(tǒng)，提高了對(duì)打磨力的大小的控制.打磨拋光補(bǔ)償問(wèn)題一直以來(lái)都是影響打磨拋光質(zhì)量的因素之一[9].在使用ER50-C10機(jī)器人的時(shí)候，創(chuàng)建工件坐標(biāo)系，把把它定義成可變量，然后在程序里設(shè)定每打磨完一個(gè)產(chǎn)品以后工件坐標(biāo)系的Z方向就減少一個(gè)數(shù)值[10]，而這個(gè)數(shù)值就是打磨拋光輪的磨損量，在程序里設(shè)定一個(gè)數(shù)字量，用來(lái)計(jì)算打磨產(chǎn)品的個(gè)數(shù)，當(dāng)這個(gè)數(shù)值達(dá)到預(yù)定的值時(shí)候，就把工件坐標(biāo)系的值復(fù)位，這時(shí)就可以更換打磨拋光輪了[9].

圖6 打磨設(shè)備部分圖

5 總結(jié)

本文從理論分析和工程應(yīng)用方面研究打磨排氣管工藝，采用壓力傳感器對(duì)打磨力進(jìn)行有效的控制；優(yōu)化了打磨軌跡，并通過(guò)示教編程對(duì)排氣管進(jìn)行打磨；根據(jù)打磨軌跡的不同，分別采用兩種示教編程方法，實(shí)驗(yàn)表明采用優(yōu)化后的打磨軌跡，打磨質(zhì)量得到提高，減少了打磨耗時(shí)；采用工具坐標(biāo)對(duì)打磨拋光輪的損耗進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，從總的打磨效果來(lái)看，取得了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果，打磨拋光的效率得到提高.

〔1〕賈時(shí)成,孫英飛.國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人打磨系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新品,2014（4）：149-150.

〔2〕楊威.加工自由曲面的機(jī)器人砂帶機(jī)研磨系統(tǒng)研究[D].吉林大學(xué),2007.

〔3〕陳冠林.基于六自由度機(jī)器人的四工位砂帶磨削系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].廣東工業(yè)大學(xué),2015.

〔4〕王文忠,趙繼,張雷.一種自主研磨作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) [J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2013,8（4）：200-205.

〔5〕譚福生，葛景國(guó).力控制技術(shù)在機(jī)器人打磨中的應(yīng)用及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) [J].上海電氣技術(shù),2008，8(2)：200-205.

〔6〕繆新，田威.機(jī)器人打磨系統(tǒng)控制技術(shù)研究[J].機(jī)電一體化，2014,20（11）：8-14.

〔7〕葉永龍.基于機(jī)器人的玻璃自動(dòng)打磨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].浙江理工大學(xué),2013.

〔8〕楊林，趙吉賓，李論.有機(jī)玻璃研磨拋光機(jī)器人力控制研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015（4）：105-107.

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TP242

A

1673-260X（2017）04-0016-03

2017-01-14

安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目（1501021009），項(xiàng)目名稱(chēng)：工業(yè)機(jī)器人研發(fā)以及在鑄造行業(yè)的應(yīng)用