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
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(lái)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(guò)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(guò)打磨情況。本文針對(duì)這一生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)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(guò)打磨等事故對(duì)電主軸等貴重設(shè)備的損害。
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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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
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(kāi)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(guò)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(guò)載加工工況下變頻器的電流變化情況。測(cè)得過(guò)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(guò)載工況試驗(yàn)記錄
(3)使加工調(diào)速過(guò)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(guò)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(guò)打磨等情況的頻率,發(fā)現(xiàn)撞刀未發(fā)生,過(guò)打磨頻率降低。但期間出現(xiàn)過(guò)一次較為嚴(yán)重的過(guò)打磨情況(見(jiàn)圖5),超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)工件軌跡約8mm。通過(guò)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(wú)法快速回到逼近后軌跡上,所以持續(xù)在逼近過(guò)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(guò)打磨情況
負(fù)載調(diào)速后,撞刀情況未再次發(fā)生,過(guò)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(guò)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(guò)負(fù)載監(jiān)控減少調(diào)試過(guò)程中因軌跡不合適而出現(xiàn)的撞刀、憋停和過(guò)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(guò)載報(bào)警以外的其他保護(hù)措施。