成楚楚，傅高升，陳鴻玲，宋莉莉，孫澤棠

（1.寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，寧德 355000；2.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108；3.閩江學(xué)院，福州 350108）

0 引言

隨著磨拋行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的人工作業(yè)已無(wú)法滿足現(xiàn)代加工需求，環(huán)境惡劣，效率低，依賴工人經(jīng)驗(yàn)，加工一致性低已是磨拋行業(yè)亟待解決的問(wèn)題，為了滿足該行業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展要求，使用工業(yè)機(jī)器人代替人工已成為了必然的趨勢(shì)[1]。

傅高升教授科研團(tuán)隊(duì)就磨拋行業(yè)的問(wèn)題，與福建長(zhǎng)江工業(yè)公司，共同設(shè)計(jì)制造了CMP-60/4-A型工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)磨拋中心，已經(jīng)福建省經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)的鑒定（閩經(jīng)貿(mào)技術(shù)鑒字[2011]2號(hào)），實(shí)現(xiàn)了磨拋多種材料、形狀各異、小批量工件的自動(dòng)化[2]。之后，團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上與其他相關(guān)單位共同承接了福建省科技重大專項(xiàng)“智能機(jī)器人拋光系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“磨拋機(jī)器人及自動(dòng)化生產(chǎn)線研發(fā)與應(yīng)用示范項(xiàng)目”[3]，項(xiàng)目已結(jié)題并獲得了頗豐的科研成果，本文為該項(xiàng)目研究中的一部分。

在項(xiàng)目研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人砂拋柔性加工單元在磨削后期，砂帶因磨損導(dǎo)致工件磨削量減少，加工工件的磨削量不再滿足工藝要求，需調(diào)整磨削參數(shù)補(bǔ)償工件的磨削量。工廠使用線性提高砂帶速度的方式，而砂帶的磨損是非線性的，故該方法并不合理[4]。此外，傳統(tǒng)的砂帶失效檢測(cè)主要依靠人工判斷，對(duì)工人的經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)，還需停機(jī)檢測(cè)，影響生產(chǎn)效率，因此建立砂帶的自動(dòng)補(bǔ)償管理系統(tǒng)十分必要。

作者先前已研究了砂帶磨削參數(shù)對(duì)工件磨削量的影響規(guī)律及砂帶磨損補(bǔ)償策略等方面內(nèi)容，并取得了一定的科研成果并發(fā)表了相關(guān)的論文，為砂帶自動(dòng)補(bǔ)償管理系統(tǒng)建立提供了試驗(yàn)、理論依據(jù)，本文在此基礎(chǔ)上，將工廠現(xiàn)有的非線性提速補(bǔ)償方法和作者已研究出的非線性提速補(bǔ)償策略相結(jié)合，建立工業(yè)機(jī)器人砂拋柔性加工單元中砂帶自動(dòng)補(bǔ)償管理系統(tǒng)，以滿足磨削生產(chǎn)過(guò)程對(duì)自動(dòng)化程度要求不斷提高的需求[5]。

1 砂帶失效點(diǎn)的確定

基于作者先前對(duì)砂帶磨損補(bǔ)償策略的研究，在砂帶管理系統(tǒng)中，確定砂帶的失效點(diǎn)是關(guān)鍵問(wèn)題，本節(jié)將通過(guò)試驗(yàn)確定如何判定砂帶的失效點(diǎn)。

砂帶非線性磨損后期，隨著砂帶磨損的加劇，工件磨削量低于工藝要求的額定值，此時(shí)的砂帶已失效，應(yīng)及時(shí)更換砂帶，避免不合格工件的產(chǎn)生。在磨削加工中，砂帶的磨損情況可通過(guò)砂帶的磨削性能判斷，主要包含以下幾個(gè)方面[6]：

2）磨削參數(shù)不變，當(dāng)切向磨削力Ft低于某一額定值時(shí)，說(shuō)明砂帶己失效；

3）磨削參數(shù)不變，當(dāng)磨削溫度超過(guò)某一規(guī)定溫度時(shí)，說(shuō)明砂帶已失效。

本文的研究對(duì)象為敞開(kāi)式的磨削環(huán)境，不考慮第三種判定方法。基于之前對(duì)切向磨削力的測(cè)試[7]，由于磨削環(huán)境復(fù)雜，而測(cè)量力的設(shè)備對(duì)環(huán)境要求較高，故水龍頭磨削工業(yè)生產(chǎn)線不適用該判定方法，因此最終確定通過(guò)識(shí)別工件磨削量來(lái)判斷砂帶是否失效。

基于非線性提速補(bǔ)償工件磨削量，在磨削過(guò)程中，砂帶速度一直以非線性的方式增長(zhǎng)。工件的磨損可通過(guò)非線性提速的方法得以補(bǔ)償，然而后期隨著砂帶速度的不斷提高，工件磨削量是否也隨砂帶速度的增加依然呈上升趨勢(shì)，下文將通過(guò)試驗(yàn)得到工件的磨削量隨砂帶速度的變化趨勢(shì)。

工件：水龍頭毛坯；尺寸：175mm×70mm×40 mm，周長(zhǎng)為4m，寬度為90mm；材料：鑄造銅合金（ZCuSn3Zn11Pb4）；砂帶：80#DEERFOS韓國(guó)鹿牌，型號(hào)為JC122；試驗(yàn)設(shè)備：IRB 4400-60/1.9 ABB工業(yè)機(jī)器人和CBB砂拋機(jī)，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

工件速度：60mm/s、工件進(jìn)給量：0.2mm，不斷提高砂帶速度，測(cè)量工件磨削量，記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 砂帶速度對(duì)工件磨削量的影響

由圖2可知，當(dāng)砂帶速度小于25m/s時(shí)，提高砂帶速度，工件磨削量也變大；然而當(dāng)砂帶速度高于25m/s時(shí)，工件磨削量增長(zhǎng)變緩并開(kāi)始下降。因?yàn)樵谀ハ鞯某跗?，提升砂帶速度，同樣的時(shí)間內(nèi)砂帶與工件的接觸面積變大，由磨損變鈍的磨粒在高速下也參與磨削，工作的磨粒變多，總磨削量變大；隨砂帶速度的提高，砂帶震動(dòng)變強(qiáng)，砂帶表面磨屑較難堵塞，利于磨削的進(jìn)行。而后期，不斷提高的磨削速度導(dǎo)致彈性磨粒受工件的反沖擊頻率增加，提高了砂帶的彈性退讓，砂帶的實(shí)際切入深度降低，工件磨削量減少[8]。

2 磨削參數(shù)識(shí)別補(bǔ)償管理流程

根據(jù)作者先前的研究?jī)?nèi)容可知，當(dāng)工件磨削達(dá)到預(yù)定加工件數(shù)時(shí)，通過(guò)比較當(dāng)前砂帶磨削條件下的工件磨削量m1與標(biāo)準(zhǔn)磨削量m0（本文中m0=11.3g[4,5]），若滿足式(1)，則不需進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)償，按照原先的磨削參數(shù)繼續(xù)加工。

非線性提速補(bǔ)償策略下，砂帶的提速式(3)。

V1為當(dāng)前砂帶的速度，V2是為了補(bǔ)償工件磨削量m1到標(biāo)準(zhǔn)磨削量m0，應(yīng)當(dāng)提高到的砂帶速度。

砂帶智能管理系統(tǒng)磨削參數(shù)識(shí)別及非線性提速補(bǔ)償策略管理流程如圖3所示。

圖3 砂帶識(shí)別補(bǔ)償管理系統(tǒng)流程圖

該流程圖可解決線性提高砂帶速度補(bǔ)償方法與砂帶非線性磨損之間的矛盾，補(bǔ)償線性提速造成的累積誤差，保持工件加工的一致性。由于磨削加工工件型號(hào)、尺寸、材料不同，均會(huì)導(dǎo)致磨削狀態(tài)的改變[9]。該補(bǔ)償策略不需要根據(jù)磨削加工的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到砂帶磨損的數(shù)學(xué)模型，而是通過(guò)測(cè)量工件磨削量與標(biāo)準(zhǔn)磨削量的對(duì)比進(jìn)行判斷，通過(guò)公式計(jì)算應(yīng)提高的砂帶速度。該方法可適用于各種加工條件下砂帶的在線補(bǔ)償，適應(yīng)自動(dòng)化制造系統(tǒng)中加工對(duì)象不斷變換的需求，符合柔性加工的理念，適用于工廠生產(chǎn)。

3 基于HMI的可視化砂帶智能管理系統(tǒng)

本文利用PLC編程搭建磨削參數(shù)識(shí)別和非線性提速補(bǔ)償?shù)纳皫Э梢暬悄芄芾硐到y(tǒng)，通過(guò)HMI（人機(jī)界面），實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換[10]。

系統(tǒng)控制界面可在線監(jiān)控自動(dòng)拋光系統(tǒng)的磨削參數(shù)，機(jī)器人自動(dòng)拋光系統(tǒng)的控制界面如圖4所示。

圖4 機(jī)器人自動(dòng)拋光系統(tǒng)控制界面

根據(jù)作者先前的研究，確定了砂帶的磨削參數(shù)識(shí)別方法及補(bǔ)償策略，現(xiàn)通過(guò)WinCC軟件建立砂帶可視化智能管理系統(tǒng)，顯示內(nèi)容如下：

1）當(dāng)前加工數(shù)量

通過(guò)機(jī)械手帶動(dòng)完成磨削的工件觸碰碰撞開(kāi)關(guān)統(tǒng)計(jì)已加工工件的數(shù)量，通過(guò)智能管理系統(tǒng)HMI人機(jī)界面顯示結(jié)果。

2）砂帶提速系數(shù)及智能砂帶提速速度及當(dāng)前砂帶速度變化曲線。

本文的提速補(bǔ)償策略在傳統(tǒng)線性提速的基礎(chǔ)上，結(jié)合非線性提速補(bǔ)償策略，更有效地補(bǔ)償了工件磨削量。砂帶智能管理系統(tǒng)讀取當(dāng)前的砂帶速度，固定顯示傳統(tǒng)線性提速系數(shù)，并顯示通過(guò)PLC計(jì)算得到的智能砂帶的提速速度，通過(guò)數(shù)值與曲線相結(jié)合的方式，操作者可直觀了解當(dāng)前砂帶的速度變化情況。

3）取樣工件磨削量及變化曲線

通過(guò)稱重設(shè)備測(cè)量工件磨削量，并通過(guò)HMI人機(jī)界面讀取并顯示測(cè)量結(jié)果。固定顯示標(biāo)準(zhǔn)磨削量，更直觀地比較取樣磨削量和標(biāo)準(zhǔn)磨削量。數(shù)值與曲線相結(jié)合，記錄歷史結(jié)果，更好地呈現(xiàn)工件磨削量的補(bǔ)償情況，便于砂帶的管理。可人工輸入取樣磨削量，若測(cè)量結(jié)果誤差較大，則可通過(guò)人工測(cè)量并輸入取樣磨削量值，避免測(cè)量誤差影響磨削參數(shù)的識(shí)別及調(diào)控，影響工件的加工一致性。

4）磨削參數(shù)、加工狀態(tài)及砂帶狀態(tài)

砂帶可視化智能管理系統(tǒng)固定顯示砂帶的磨削參數(shù)。此外，當(dāng)加工單元工作時(shí)，加工狀態(tài)顯示為綠色；當(dāng)加工停止時(shí)，加工狀態(tài)顯示為紅色。砂帶工作正常時(shí)，砂帶狀態(tài)為綠色；當(dāng)應(yīng)提高的砂帶速度大于25m/s時(shí)，此時(shí)砂帶失效，砂帶處于報(bào)廢狀態(tài)，系統(tǒng)自動(dòng)停止生產(chǎn)線的磨削工作，砂帶狀態(tài)燈變?yōu)榧t色，智能管理系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，提示工人及時(shí)更換砂帶。

5）非線性提速補(bǔ)償?shù)闹悄荛_(kāi)關(guān)

本系統(tǒng)可智能選擇是否使用非線性提速補(bǔ)償策略，若點(diǎn)擊智能補(bǔ)償開(kāi)關(guān)禁用按鈕，則關(guān)閉非線性提速補(bǔ)償策略，僅使用傳統(tǒng)提速補(bǔ)償方式對(duì)工件磨削量進(jìn)行補(bǔ)償。

本文設(shè)計(jì)的砂帶智能管理系統(tǒng)界面如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)