葉 敏 張玉春 梅雪川 林粵科 林君健

（國機智能科技有限公司，廣州 510535）

為解決復(fù)雜曲面打磨的問題，世界各國都對自動化打磨技術(shù)進行了研究，并先后建成了一系列自動加工系統(tǒng)。雖然國外已有曲面研磨加工的設(shè)備出現(xiàn)，但在加工精度和適用范圍上還不是特別令人滿意，尤其是針對手表表殼、磨具等表面復(fù)雜、精度要求高的自由曲面類零件，其打磨拋光基本都是由人工手持作業(yè)工具并依賴于工人的經(jīng)驗完成[1-2]，其加工曲面的形位精度、表面微觀物理屬性難以保證，且制造成本較高，制約了打磨加工技術(shù)的發(fā)展。

使用自動化設(shè)備進行高質(zhì)量的打磨作業(yè)，是提高該行業(yè)生產(chǎn)效率的重要手段。對于機器人帶動工件運動的作業(yè)方式而言，六關(guān)節(jié)機器人在定位精度、運動耦合等方面具有很大優(yōu)勢，可通過多自由度機器人本體的關(guān)節(jié)動作來改變執(zhí)行末端的姿態(tài)，實現(xiàn)自由曲面打磨，在打磨領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[3-4]。通常是在獲取工件的特征信息后，通過示教或參照打磨理論軌跡進行作業(yè)[5-8]。但是，由于機器人運行重復(fù)定位精度和剛度不足，打磨時的微小位置誤差會對工件產(chǎn)生力沖擊，并不能很好地適應(yīng)復(fù)雜曲面變化，對打磨質(zhì)量有較大影響。

因此，本文針對復(fù)雜變化曲面，研發(fā)能根據(jù)工件表面的曲率變化自動調(diào)整打磨面位置和打磨力大小的自適應(yīng)打磨臺，更好地配合機器人作業(yè)，提高復(fù)雜曲面工件的打磨質(zhì)量。

1 打磨臺的工作原理及組成

對于復(fù)雜曲面的打磨加工，不僅需要對機器人的位置進行精確控制，還需要對加工區(qū)域的作用力進行控制。本文在單純被動柔順打磨的基礎(chǔ)上，通過主動控制打磨過程中的作用力，形成一種主被動柔順打磨控制策略。

打磨臺工作原理：磨臺安裝在可豎直平移的滑臺上，通過配重平衡滑臺重量，減小滑臺調(diào)整時的慣量，提高打磨力反饋調(diào)整的精度；滑臺與絲杠相連，可通過伺服電機調(diào)整滑臺位置。打磨系統(tǒng)工作時，通過與機器人配合，形成主被動結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)機器人末端的位置和作用力之間的關(guān)系，調(diào)整反饋位置（滑臺位置）達到控制力和打磨精度的目的。其工作原理示意圖如圖1所示。

打磨臺樣機如圖2所示，主要包括磨盤、配重裝置、軸向滑臺、軸向升降調(diào)節(jié)模組、伺服電機、電機安裝座、稱重傳感器等。

圖2 打磨臺樣機

磨盤安裝在伺服電機轉(zhuǎn)軸上，通過電機控制磨盤轉(zhuǎn)速；伺服電機安裝在電機安裝座上；電機安裝座與模組安裝板間通過直線導(dǎo)軌連接，其間安裝有稱重傳感器，組成軸向滑臺，可在豎直方向上微量移動；稱重傳感器可測量作用在磨盤上的打磨力，作為力反饋控制的輸入信號；電機安裝座通過軟質(zhì)繩索與配重裝置連接，可平衡打磨臺重量，通過減小整體慣量，提高力反饋調(diào)節(jié)精度；模組安裝板可豎直移動，可根據(jù)測得的打磨力調(diào)整磨盤高度，從而調(diào)整工件與磨盤間的壓力。

打磨時，電機帶動磨盤轉(zhuǎn)動，可通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)速改變磨盤轉(zhuǎn)速；軸向滑臺處在中間位置。工件固定在機器人末端的夾具上，通過機器人帶動執(zhí)行打磨動作。工件與磨盤接觸時，打磨軸向力傳遞到稱重傳感器，并將測得的打磨力值與預(yù)設(shè)值比較。當(dāng)測量值大于預(yù)設(shè)值時，軸向升降滑臺向下移動，推動其上機構(gòu)整體移動，帶動磨盤下降，減小打磨力；當(dāng)測量值小于預(yù)設(shè)值時，軸向升降滑臺向上移動，推動其上機構(gòu)整體移動，帶動磨盤上升，增大打磨力。該方案提供一種磨盤可軸向浮動貼合工件表面并具備打磨力調(diào)節(jié)功能的打磨臺，可實現(xiàn)恒力打磨或用于精磨的場合。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)由力傳感器、西門子PLC、模組組成；力傳感器將實時打磨力經(jīng)變送器后采集至PLC，PLC對采集值與觸摸屏設(shè)定值進行比較，通過控制算法調(diào)節(jié)升降滑臺位置，從而實現(xiàn)打磨力調(diào)節(jié)，當(dāng)實際打磨力與設(shè)定值相等時，流程結(jié)束；具體流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)總體流程圖

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)以西門子S7-200系列CPU 224XP CN PLC為控制系統(tǒng)的核心，其自帶兩路模擬量輸入、并支持兩路最高可達100kHz的高速脈沖輸出，且其最多可支持8路PID控制回路。力傳感器采用LZ-LS9柱式拉壓傳感器，并配以LZ-JX1單路精密型變送器，力傳感器量程為10kg，經(jīng)變送器可輸出0～10V一路模擬量信號，將該模擬量接入PLC模擬量輸入模塊中，可接A或B接點，配置好接點后，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，模擬量轉(zhuǎn)換成0～32000的數(shù)字量值，若接A點，則數(shù)字量傳至AIW0寄存器中，若接B點，則數(shù)字量傳至AIW2寄存器中，電路圖如圖4所示。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件包括HMI與控制程序兩部分，HMI用于設(shè)置實驗參數(shù)。本系統(tǒng)采用三菱GT1000觸摸屏作為HMI，其中參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。

圖4 力傳感器電路圖

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

參數(shù)設(shè)置完畢后，需進行單位轉(zhuǎn)換，通過調(diào)用MAP SERV庫中的Scale_EU_Pulse函數(shù)，將設(shè)定的速度值轉(zhuǎn)化為脈沖頻率值，具體程序如圖6所示。

系統(tǒng)單輸入單輸出的力反饋控制過程如圖7所示。傳感器和變送器實時檢測打磨力的輸出情況，并反饋到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)實時計算系統(tǒng)給定值與打磨力的偏差大小，同時通過控制模組的升降運動，調(diào)節(jié)磨盤位置以達到減小力偏差的目的。

同時，設(shè)計了一種利用定時器分階段調(diào)速的控制算法，實現(xiàn)不同壓力差S使用不同的調(diào)整速度，提高反應(yīng)時間。當(dāng)壓力差S較大時，升降模組速度也越快，壓力差S較小時，升降模組速度也較小。使用西門子PLC自帶的1ms、10ms、100ms三種類型的定時器，如表1所示，為實現(xiàn)分階段調(diào)速，本文提出了針對不同壓力差階段定時判斷的方法，即在不同壓力差階段定時判斷的頻率不同。將壓力差S分為四個階段，具體情況如式（1）所示。

圖6 單位轉(zhuǎn)換程序

圖7 控制框圖

表1 西門子PLC定時器

圖9 階段四程序

由于傳感器精度問題以及數(shù)字轉(zhuǎn)換及比較過程存在一定誤差。當(dāng)壓力差絕對值小于0.005kg情況時，認為壓力已調(diào)整到目標值。

在式（1）中，當(dāng)壓力差絕對值大于0.1kg時，模組滑臺移動速度設(shè)置為20mm/s，每個定時周期（1s）發(fā)送10000個脈沖；在階段二，模組滑臺移動速度設(shè)置為10mm/s，每個定時周期（500ms）發(fā)送3000個脈沖；在階段三，模組滑臺移動速度設(shè)置為5mm/s，每個定時周期（200ms）發(fā)送1000個脈沖；在壓力差很小情況下，也就是在第四階段，需要模組滑臺慢速移動，具體程序如圖9所示。

由圖9可知，在階段四中，每個定時周期PLC發(fā)送10個脈沖；模組伺服驅(qū)動器電子齒輪比設(shè)置為10000，即PLC每發(fā)送10000個脈沖，升降電機轉(zhuǎn)動一圈，升降模組移動一個導(dǎo)程L（10mm）。通過以下計算可得到模組在壓力差很小時可實現(xiàn)移動精度：

通過上式可知，x為10μm。通過本文的分階段調(diào)速算法，既可以在壓力差很低情況下實現(xiàn)精確移動，又可以在壓力差較大情況下實現(xiàn)快速調(diào)整。

3 結(jié)論

該打磨臺在試驗平臺上進行連續(xù)運行生產(chǎn)，運行狀態(tài)良好，可配合六關(guān)節(jié)機器人實現(xiàn)高精度打磨作業(yè)。試驗表明，打磨臺中磨盤平移的可調(diào)整范圍為±3mm，平移精度達到10μm，磨盤轉(zhuǎn)速為200～3000r/min，加工可接觸力為0.1～8kg。該設(shè)備成功研發(fā)可提高打磨設(shè)備的柔性，可對平面、曲面及各種不規(guī)則自由面進行加工，滿足不同種類工件的打磨要求。