李占賢，霍炳杰，黃寶旺

（1.河北省工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

0 引言

衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品是日常生活中不可或缺的物件，陶瓷坯體外表面的優(yōu)劣直接制約著衛(wèi)生陶瓷成品的質(zhì)量，所以要對(duì)修坯工序進(jìn)行嚴(yán)格把控。在衛(wèi)生陶瓷毛坯工件修坯打磨的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，若要人工操作不但危害操作人員身體健康［1］而且效率低，因此現(xiàn)在諸多衛(wèi)浴生產(chǎn)廠家均在修坯工序中使用在機(jī)器人末端［2］安裝打磨頭的打磨機(jī)器人［3－4］來(lái)去除陶坯毛刺及余量。這種修坯方式不僅容易使陶坯表面產(chǎn)生“環(huán)狀”劃痕，而且多數(shù)打磨機(jī)器人使用力傳感器采集壓力值再反饋于控制系統(tǒng)［5］，只能實(shí)現(xiàn)模糊控制［6－7］，并不能時(shí)刻保證恒力打磨［8］，這樣將會(huì)增大加工誤差［9］，嚴(yán)重影響衛(wèi)浴產(chǎn)品質(zhì)量。

本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)座便器的衛(wèi)生陶瓷修坯機(jī)械手，采用電位器經(jīng)采集卡采集電壓，間接表示手指旋轉(zhuǎn)角度，將角度反饋于控制系統(tǒng)進(jìn)而準(zhǔn)確調(diào)整機(jī)器人末端實(shí)現(xiàn)恒力打磨，降低加工誤差。

1 衛(wèi)生陶瓷修坯機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手工作原理

修坯機(jī)械手在進(jìn)行修坯工作時(shí)，會(huì)與座便器不同曲率的表面接觸。因此在建立手指結(jié)構(gòu)示意圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工作環(huán)境分別論述修坯機(jī)械手的工作原理。

1.1.1 陶瓷坯體單一曲率曲面

衛(wèi)生陶瓷修坯機(jī)械手接觸陶瓷坯體單一曲率規(guī)則曲面時(shí)，左、右手指對(duì)稱分布于支架中線兩側(cè)，其中支架與機(jī)器人末端法蘭盤固定連接，如圖1所示。修坯機(jī)械手隨機(jī)器人機(jī)械臂的工作路徑靠近座便器坯體表面，當(dāng)手指的指尖與坯體表面接觸處于臨界位置時(shí)，如圖1（a）所示修坯機(jī)械手在機(jī)械臂的壓力下開始下壓，左手指開始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右手指開始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即左手指和右手指之間的夾角逐漸增大，直至轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)到角度預(yù)定值，機(jī)械臂停止下壓并開始執(zhí)行打磨任務(wù)，如圖1（b）所示。

圖1 機(jī)械手接觸陶瓷坯體單一曲率曲面

1.1.2 陶瓷坯體多種曲率曲面

衛(wèi)生陶瓷修坯機(jī)械手接觸陶瓷坯體多曲率曲面時(shí)，左、右手指不規(guī)則分布于支架中線兩側(cè)，如圖2（a）所示。為實(shí)現(xiàn)修坯機(jī)械手對(duì)坯體表面的充分打磨，在機(jī)器人系統(tǒng)接收到左、右角度電位器阻值不同時(shí)，機(jī)械手腕部即法蘭盤處以與曲面切線成較小角度（即阻值較小）的手指為基準(zhǔn)，機(jī)器人系統(tǒng)調(diào)節(jié)阻值較大的手指，待左、右手指與曲面切線所成角度初次相等（即左、右阻值相等，如圖2（b）所示），機(jī)械臂開始下壓或上抬直至角度達(dá)到預(yù)定值，整個(gè)系統(tǒng)不再調(diào)節(jié)，修坯機(jī)械手開始修坯運(yùn)動(dòng)。

1.2 機(jī)械手構(gòu)型設(shè)計(jì)

修坯機(jī)械手左、右兩根手指的結(jié)構(gòu)完全一致，下面以一根手指為對(duì)象進(jìn)行說(shuō)明。單根手指位置結(jié)構(gòu)包括支架、手指、扭轉(zhuǎn)彈簧和角度電位器4部分。手指與支架通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸連接，軸兩端裝配軸承用來(lái)定位旋轉(zhuǎn)軸，同時(shí)降低旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力。扭轉(zhuǎn)彈簧一端固定在手指上，一端搭放在支架上，手指受到來(lái)自機(jī)械臂腕部的力，使得手指柔性旋轉(zhuǎn)同時(shí)增加表面作用力。為使各組件實(shí)現(xiàn)精確安裝，現(xiàn)對(duì)三維模型修坯機(jī)械手中關(guān)鍵部分尺寸進(jìn)行規(guī)定（如表1所示），并使用SolidWorks繪制修坯機(jī)械手三維模型，如圖3所示。

圖2 機(jī)械手接觸陶瓷坯體多種曲率曲面

表1 修坯機(jī)械手三維模型關(guān)鍵尺寸 mm

2 修坯機(jī)械手可行性分析

修坯機(jī)械手去除座便器表面毛刺的過(guò)程較為復(fù)雜，所以需要建立模型模擬修坯機(jī)械手與座便器接觸時(shí)的狀態(tài)，有利于優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得座便器毛刺被均勻去除，座便器表面質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)，誤差值最小。

手指與坐便器接觸示意圖如圖4所示。手指與座便器表面接觸時(shí)受到手指結(jié)構(gòu)形狀、旋轉(zhuǎn)角度和打磨材料性質(zhì)等因素影響，復(fù)雜性較高。砂布的彈性模量要比陶瓷坯體的彈性模量小很多，在機(jī)器人進(jìn)行修坯工作時(shí)，打磨砂布容易產(chǎn)生較大變形，所以使用有限元分析法對(duì)砂布與座便器坯體表面進(jìn)行接觸分析。

圖3 修坯機(jī)械手三維模型

圖4 手指與座便器接觸示意圖

機(jī)械手與座便器接觸初始狀態(tài)模型如圖5所示。對(duì)修坯機(jī)械手和座便器部分曲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖6所示。初步設(shè)定機(jī)器人執(zhí)行修坯動(dòng)作時(shí)機(jī)械臂對(duì)修坯機(jī)械手施加的力為30N，此時(shí)得到的修坯機(jī)械手變形云圖和應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖7可知，修坯機(jī)械手在受到下壓力與曲面接觸時(shí)僅發(fā)生微小變化，因此選擇鋁合金作為生產(chǎn)修坯機(jī)械手的材料非常合理，機(jī)械手與座便器合理接觸，正常修坯工作時(shí)二者不易受到破損。以上分析驗(yàn)證了本次衛(wèi)生陶瓷修坯機(jī)械手設(shè)計(jì)的可行性，在規(guī)定的作用力下，修坯機(jī)械手不僅可以達(dá)到理想的修坯效果，而且工作時(shí)不易發(fā)生形變。

3 手指旋轉(zhuǎn)角度采集與處理

角度采集模塊由電位器、NI公司生產(chǎn)的USB-6251和軟件LabView組成，LabView具有圖形化編程語(yǔ)言和程序框圖，便于編輯數(shù)據(jù)采集［10－12］。在DAQ采集助手中各通道均設(shè)定最大輸入模擬電壓2.5V，采用RSE接線端配置，組裝的采集設(shè)備如圖8所示。運(yùn)行程序后，角度反饋于計(jì)算機(jī)，進(jìn)而調(diào)整機(jī)器人腕部位姿便于修坯。電位器最大旋轉(zhuǎn)角度為360°，電位器輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為：

其中：u（t）為輸出電壓，V；UP為電位器輸入電壓，V；φ為電位器某時(shí)刻旋轉(zhuǎn)角度，（°）；θmax為電位器能夠旋轉(zhuǎn)的最大角度，（°）；θ（t）為換算后電位器輸出角度，（°）；KP為電位器輸入、輸出電壓確定系數(shù)。

圖5 機(jī)械手與座便器接觸初始狀態(tài)模型

圖6 網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖7 修坯機(jī)械手與座便器接觸分析結(jié)果

圖8 機(jī)械手角度采集裝置

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種適用于座便器坯體表面復(fù)雜的修坯機(jī)械手，分析了修坯機(jī)械手修坯時(shí)的工作原理和受力情況，驗(yàn)證了機(jī)械手執(zhí)行修坯操作的可行性。

通過(guò)使用LabView選擇合理的數(shù)據(jù)采集控件，并編輯角度采集程序，整理并運(yùn)行后得到手指旋轉(zhuǎn)角度。修坯機(jī)械手的角度采集系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低、數(shù)據(jù)顯示直觀，可為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確、恒力修坯提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

圖9 手指旋轉(zhuǎn)角度采集程序框圖

圖10 手指旋轉(zhuǎn)角度采集界面