陳一鳴，李海剛，于林波，李軍鵬

天潤(rùn)泰達(dá)智能裝備（威海）有限公司 山東威海 264400

1 序言

六軸工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，其中針對(duì)鑄件清理打磨作業(yè)的應(yīng)用實(shí)例不勝枚舉[1]。但鑄件清理作業(yè)中工件個(gè)體差異大，對(duì)工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的柔性要求較高，尤其是目前眾多工作站由于投資、現(xiàn)場(chǎng)條件等多種原因，仍在使用人工示教調(diào)整打磨軌跡的作業(yè)方式。鑄件個(gè)體差異大的原因之一是同一型號(hào)工件存在不同爐號(hào)之間模具和鑄造工藝的差異，這就導(dǎo)致同一工件在打磨作業(yè)程序示教過程中，難以一蹴而就，需要反復(fù)調(diào)試對(duì)刀點(diǎn)。在程序調(diào)試至設(shè)備穩(wěn)定生產(chǎn)之前，存在因刀具規(guī)格不合適而出現(xiàn)的撞刀或過打磨情況。本文針對(duì)這一生產(chǎn)實(shí)際問題，提出了基于電主軸變頻器負(fù)載監(jiān)控的機(jī)器人整體運(yùn)行速度調(diào)節(jié)方案，以避免撞刀、過打磨等事故對(duì)電主軸等貴重設(shè)備的損害。

2 負(fù)載監(jiān)控方案原理

工業(yè)機(jī)器人鑄件打磨作業(yè)所用的電主軸一般采用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制，而變頻器的輸出電流主要由電主軸刀具端的實(shí)際加工負(fù)載決定。

變頻器工作電流的變化可以反映出打磨刀具端加工負(fù)載的變化情況[2]，如當(dāng)外部負(fù)載突然增大時(shí)，變頻器的輸出電流也會(huì)相應(yīng)增大，且增幅比例相似。

對(duì)比實(shí)際電流的變化趨勢(shì)、幅值與正常穩(wěn)定加工過程的相應(yīng)數(shù)值，可以間接分析出電主軸的工作情況是否存在撞刀、過打磨等大負(fù)載工況[3]，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。通過PLC通信模塊發(fā)送給機(jī)器人控制器，調(diào)整機(jī)器人的整體運(yùn)行速度。通過降低刀具端的進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)電主軸設(shè)備的保護(hù)。負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)整體框架

3 試驗(yàn)臺(tái)搭建

工業(yè)機(jī)器人采用KR210型六軸機(jī)器人，打磨測(cè)試工件選用某型號(hào)曲軸毛坯兩種爐號(hào)各多件，變頻器為臺(tái)達(dá)C2000系列，PLC為歐姆龍CP1H系列。測(cè)試曲軸毛坯打磨工作臺(tái)如圖2所示。

圖2 測(cè)試曲軸毛坯打磨工作臺(tái)

硬件準(zhǔn)備完畢后開始試驗(yàn)，試驗(yàn)流程如下。

（1）穩(wěn)定加工閾值采集 在PLC控制柜內(nèi)將采集的變頻器電流信號(hào)按照0.5s的間隔進(jìn)行存儲(chǔ)記錄，并顯示在控制柜顯示屏上。選用已經(jīng)調(diào)試好的打磨程序和能穩(wěn)定加工的一批相同爐號(hào)工件進(jìn)行信號(hào)采集。采集到多組信號(hào)后，結(jié)合實(shí)際打磨作業(yè)流程，分析穩(wěn)定打磨作業(yè)時(shí)電主軸負(fù)載的大致范圍，等效到變頻器工作電流的大致范圍。圖3為其中一件工件在穩(wěn)定加工工況下變頻器的電流變化情況，可以看到電流的突變幅值在60A左右，接近變頻器的額定電流。

圖3 穩(wěn)定加工工況下變頻器電流變化情況

（2）過載加工閾值采集 選用不同爐號(hào)的工件，仍使用上一組穩(wěn)定加工閾值采集中的機(jī)器人示教軌跡，對(duì)電流變化進(jìn)行記錄分析。圖4為其中一件工件在過載加工工況下變頻器的電流變化情況。測(cè)得過打磨作業(yè)的電流幅值約為83A，與穩(wěn)定加工工況有明顯差距。

圖4 過載工況試驗(yàn)記錄

（3）使加工調(diào)速過程平滑 將60A與83A兩個(gè)閾值代入上述控制流程對(duì)應(yīng)的邏輯判斷層的參數(shù)中，分別設(shè)定為降低整體運(yùn)行速度至70%和30%，并在其間插入3個(gè)額外分級(jí)，使整體加工調(diào)速過程更加平滑。再次選用第二批次工件進(jìn)行連續(xù)打磨作業(yè)的測(cè)試。

觀察出現(xiàn)撞刀、過打磨等情況的頻率，發(fā)現(xiàn)撞刀未發(fā)生，過打磨頻率降低。但期間出現(xiàn)過一次較為嚴(yán)重的過打磨情況（見圖5），超過了標(biāo)準(zhǔn)工件軌跡約8mm。通過分析得出該原因是：為提高整體運(yùn)行效率，機(jī)器人加工軌跡采用了逼近軌跡，而逼近軌跡會(huì)受到逼近前機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行速度的影響。因此系統(tǒng)調(diào)整了逼近前的機(jī)器人運(yùn)行速度，導(dǎo)致逼近軌跡發(fā)生變化，且由于此處軌跡特征，機(jī)器人無法快速回到逼近后軌跡上，所以持續(xù)在逼近過程中偏移軌跡進(jìn)行打磨，伴隨著打磨軌跡偏移和切削深度增加，電主軸負(fù)載增大，進(jìn)一步影響了機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行速度。在后續(xù)測(cè)試中取消了幾個(gè)特殊位置的逼近指令，未再次出現(xiàn)這種情況。

圖5 嚴(yán)重的過打磨情況

4 結(jié)束語

負(fù)載調(diào)速后，撞刀情況未再次發(fā)生，過打磨情況仍存在，但有所降低。因此得出該系統(tǒng)對(duì)示教軌跡調(diào)試驗(yàn)證階段的工作站電主軸有一定的保護(hù)效果。

在示教調(diào)試新工件打磨軌跡的過程中，對(duì)實(shí)際打磨效率的要求相對(duì)較低，更加注重打磨質(zhì)量和工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)位是否合適，此時(shí)可以不采用逼近指令，通過負(fù)載監(jiān)控減少調(diào)試過程中因軌跡不合適而出現(xiàn)的撞刀、憋停和過打磨等打磨事故，保護(hù)電主軸設(shè)備。在打磨軌跡穩(wěn)定后，為提高效率再增加逼近指令，同時(shí)移除變頻監(jiān)控的調(diào)速功能。打磨軌跡已經(jīng)穩(wěn)定且適應(yīng)工件時(shí)，本身出現(xiàn)撞刀等事故的概率就已經(jīng)很低，不再需要電主軸自身過載報(bào)警以外的其他保護(hù)措施。