槐創(chuàng)鋒，趙延，金志裕

(華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院,江西南昌 330013)

0 前言

伴隨著人類生存和發(fā)展的需要，生產(chǎn)和加工過(guò)程的自動(dòng)化程度備受關(guān)注。工業(yè)機(jī)器人對(duì)提高加工效率有很多貢獻(xiàn)，大多數(shù)機(jī)器人系統(tǒng)都使標(biāo)準(zhǔn)的六軸機(jī)械手臂，這種機(jī)械臂可以配備材料去除設(shè)備，如拋光、打磨和去毛刺工具等。拋光打磨是一種使用比較廣泛的工藝手段，用于消除表面下的損壞，以改善粗糙度并獲得光滑的表面[1]。拋光打磨過(guò)程不僅能使工件外觀美化，還能更進(jìn)一步提高工件表面質(zhì)量。磨拋工藝在各種精密制造行業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，例如模具制造、飛機(jī)零件、化學(xué)品、船舶和飲食等。但目前大部分工程中仍存在問(wèn)題[2]，全自動(dòng)打磨系統(tǒng)研究有待進(jìn)一步深入。因此，分析各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)打磨拋光效果的影響規(guī)律，建立磨拋工藝參數(shù)的相關(guān)模型，建立適應(yīng)性自動(dòng)化打磨系統(tǒng)，對(duì)于最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械全智能化打磨來(lái)說(shuō)是不可或缺的，同樣也為完善拋光打磨工藝的相關(guān)理論和工藝規(guī)劃方法提供了比較完善的平臺(tái)與硬件支持，具有非常重要的意義與價(jià)值。

目前，常見的大型機(jī)械駕駛室有挖掘機(jī)駕駛室、裝載機(jī)駕駛室、推土機(jī)駕駛室等。這類大型機(jī)械在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用廣泛，需求量大，單個(gè)利潤(rùn)較低，打磨時(shí)間長(zhǎng)，工人要求較高，因此需設(shè)計(jì)一套成型的自動(dòng)化打磨拋光生產(chǎn)系統(tǒng)?，F(xiàn)階段各類自動(dòng)化打磨拋光工位分為兩大類：一種是使用機(jī)器人夾取工件，移動(dòng)至打磨工位進(jìn)行打磨處理；另一種是用機(jī)器人夾取工具，對(duì)固定好的工件進(jìn)行處理。第一類方式大多都是體積小、曲面多、處理時(shí)需要姿態(tài)較多的工件；第二類是處理體積大、質(zhì)量大的工件，可快速更換工具，適配對(duì)打磨工藝要求相對(duì)復(fù)雜的工件。對(duì)于一些體積小、質(zhì)量輕工件的打磨拋光處理，采用第一類方式，例如中小型金屬件、陶瓷類工件、輕量化的復(fù)合材料等；對(duì)于體積較大、質(zhì)量較大零件的打磨拋光處理，由于機(jī)器人本身負(fù)載限制及打磨空間的約束往往采用第二類方法，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)機(jī)翼、車輛外殼等。很明顯大型機(jī)械駕駛室就屬于第二類工件，若采用機(jī)器人夾取工件的方式，那么對(duì)于機(jī)器人負(fù)載及尺寸要求較高，打磨過(guò)程中所要求環(huán)境也相對(duì)較高，無(wú)法滿足高效、經(jīng)濟(jì)的前提條件。所以，大型工程機(jī)械駕駛室的打磨拋光應(yīng)按照第二類打磨工位布置。

現(xiàn)階段機(jī)器人自動(dòng)化拋光打磨的側(cè)重點(diǎn)主要集中在打磨工藝現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃、工藝參數(shù)選取[3-5]、打磨工具的設(shè)計(jì)[6]、工裝夾取設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃及控制代碼[7]的設(shè)計(jì)與編寫等方面，主要應(yīng)用在擁有復(fù)雜工藝或者復(fù)雜材料的不規(guī)則曲面上[8]，對(duì)于整體系統(tǒng)[9]的效率及建設(shè)成本考慮較為欠缺。因此本文作者設(shè)計(jì)了一種針對(duì)大型機(jī)械駕駛室較為通用的機(jī)器人打磨拋光系統(tǒng)，能對(duì)初始焊接駕駛室進(jìn)行打磨處理，使其成為可噴涂的成品，并在加工效率的提高及制造成本的控制方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)組成與現(xiàn)場(chǎng)工位設(shè)計(jì)

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化處理。模塊化設(shè)計(jì)對(duì)提高系統(tǒng)適應(yīng)能力具有關(guān)鍵作用，大幅度提高了整個(gè)系統(tǒng)的兼容性。以這一設(shè)計(jì)理念為核心并結(jié)合此類大型機(jī)械駕駛室打磨拋光特點(diǎn)，可將其表面焊縫的打磨拋光處理分為電控系統(tǒng)、機(jī)器人及外接軸添加、自適應(yīng)性力控裝置、氣動(dòng)裝置、加工件上下料、工件的夾裝及定位、集塵裝置等模塊。機(jī)器人外接軸可以幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工件焊縫處理全方位覆蓋；自適應(yīng)性力控裝置可使打磨工具在不同狀態(tài)下保持恒力打磨，實(shí)現(xiàn)不同工藝效果的需求；工件的夾裝和定位可實(shí)現(xiàn)工件的固定及打磨路徑的分層設(shè)定，實(shí)現(xiàn)不同打磨工藝要求；集塵裝置是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的優(yōu)化及管理人員身體安全的保護(hù)。這套系統(tǒng)相對(duì)較為靈活，由于模塊化的設(shè)計(jì)可以根據(jù)具體需求進(jìn)行模塊的添加與刪除，來(lái)適應(yīng)及實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境不同要求。根據(jù)打磨節(jié)拍的要求確定工位數(shù)量與布置方式，這里采用線性布局方式，如圖1所示。工件隨傳送線運(yùn)動(dòng)至相應(yīng)工藝間進(jìn)行處理，并在相應(yīng)工位上進(jìn)行夾裝定位、打磨處理、下料等工序。

圖1 大型機(jī)械駕駛室打磨拋光布局

2 電氣控制設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)打磨主要采用氣動(dòng)工具，不僅考慮到成本與功能的實(shí)現(xiàn)，還考慮到能源的綠化。此系統(tǒng)不僅工件的夾緊與定位為氣動(dòng)控制，而且核心力控系統(tǒng)也是氣動(dòng)控制；而機(jī)器人及外接軸、力控系統(tǒng)的信號(hào)傳輸與數(shù)據(jù)控制、集塵裝置等一系列電動(dòng)設(shè)備則需要PLC及上位機(jī)進(jìn)行控制。

2.1 力控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主動(dòng)力控執(zhí)行器是機(jī)器人和工具間實(shí)時(shí)響應(yīng)的核心部件。集成化的主動(dòng)力控技術(shù)解決駕駛室產(chǎn)品表面焊縫處理的主要難題：焊縫高低不規(guī)則(補(bǔ)償范圍內(nèi))。其主要原理是通過(guò)壓力傳感器將壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸與判斷，然后通過(guò)氣缸進(jìn)行推、拉動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償范圍內(nèi)打磨工具與駕駛室焊縫之間的貼合，以此完成打磨。安裝方式如圖2所示。

圖2 力控裝置安裝示意Fig.2 Force control device installation

2.2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)氣動(dòng)磨機(jī)、力控裝置和工件夾緊與定位的分析，主要采用多種氣動(dòng)閥門進(jìn)行分流控制，使系統(tǒng)各功能有序?qū)崿F(xiàn)，再通過(guò)PLC與上位機(jī)對(duì)各閥門進(jìn)行控制。氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意 Fig.3 Pneumatic system design

2.3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

力控系統(tǒng)：采用PLC配置Modbus通信，對(duì)實(shí)時(shí)壓力、補(bǔ)償行程、補(bǔ)償速度進(jìn)行控制及監(jiān)控；機(jī)器人及外接電機(jī)：通過(guò)PLC與機(jī)器人及外接伺服驅(qū)動(dòng)器建立Profinet通信協(xié)議，使機(jī)器人被PLC控制實(shí)行EXT外部執(zhí)行，同時(shí)PLC控制伺服驅(qū)動(dòng)器控制機(jī)器人在滑軌上運(yùn)行至打磨位置；各類電控元器件：PLC通過(guò)I/O口對(duì)各電子元器件及輔助系統(tǒng)(光柵、集塵裝置、耗材更換等)進(jìn)行控制。采用工控機(jī)(其他上位機(jī))編寫觸控界面，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模式編寫，使其擁有自動(dòng)與人工兩個(gè)運(yùn)動(dòng)模式，并且集成工況及故障診斷功能，使其更易操作與維護(hù)。電控系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意Fig.4 Electric control system design

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以電氣系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的控制為基礎(chǔ)，結(jié)合對(duì)大型機(jī)械駕駛室全自動(dòng)適應(yīng)性打磨拋光的分析，在機(jī)械設(shè)計(jì)部分，以機(jī)器人工具的自動(dòng)更換、機(jī)器人外接軸添加、工件的夾裝及定位為側(cè)重點(diǎn)。

3.1 機(jī)器人工具的自動(dòng)更換設(shè)計(jì)

大型機(jī)械駕駛室自適應(yīng)打磨拋光主要是機(jī)器人夾持工具進(jìn)行焊縫打磨，因此機(jī)器人快換盤對(duì)于打磨效率和自動(dòng)化程度較為重要。主要組成部件為：公頭連接組件[圖5(a)]、母頭連接組件[圖5(b)]和兩塊公母頭連接板。公頭連接板主要作用是連接公頭連接組件和機(jī)器人執(zhí)行末端，母頭連接板主要作用是連接母頭連接組件與打磨工具的一端。所述公頭連接組件和母頭連接組件可拆卸連接，如圖6所示。

圖5 工具快換組件

圖6 工具快換裝配圖Fig.6 Tool quick change assembly diagram

公頭連接組件的一端配置航空插頭、水接口和氣接口；母頭連接組件的另一端配置航空插座、水接頭和氣接頭。航空插頭適配對(duì)接航空插座，用于連接動(dòng)力線和I/O口；水接頭適配對(duì)接另一端水接口，用于固定進(jìn)出的水管；氣接頭適配對(duì)接氣接口，用于連接通氣。所述夾緊裝置包括設(shè)置在公頭連接組件上的夾緊座和設(shè)置在母頭連接組件上的環(huán)形凹槽，夾緊座內(nèi)布置活塞板和連接孔，活塞板內(nèi)設(shè)有通氣腔，該連接口一端與氣接口相連接，另一端與通氣腔相連接。該活塞板上環(huán)繞設(shè)置若干鋼珠，公接頭組件通過(guò)控制活塞板驅(qū)動(dòng)鋼珠散開與聚攏，以實(shí)現(xiàn)與母接頭組件拆卸與連接，完成機(jī)器人自動(dòng)更換工具動(dòng)作。

3.2 機(jī)器人外接軸設(shè)計(jì)

機(jī)器人外接軸添加如圖7所示，通過(guò)添加一組線性滑軌，給工業(yè)機(jī)器人又添加了一個(gè)軸，從而明顯增大了工業(yè)機(jī)器人的工作空間。每個(gè)外接軸由電機(jī)固定座、運(yùn)行導(dǎo)軌、運(yùn)行滑塊、高精度斜齒條、伺服套裝等組成?？刂聘黝惥€性滑軌的控制系統(tǒng)與控制機(jī)器人的相同，它們可以無(wú)縫整合到工作流程中。線性滑軌的控制裝置是作為數(shù)學(xué)耦合軸集成到機(jī)器人控制系統(tǒng)的，無(wú)需額外設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)配合打磨拋光動(dòng)作。在每條線性滑軌上，可以增添多達(dá)4個(gè)機(jī)器人。線性滑軌具有不同的規(guī)格和負(fù)載能力等級(jí)，可根據(jù)具體打磨需求進(jìn)行滑軌長(zhǎng)度的制作，應(yīng)當(dāng)與選配的工業(yè)機(jī)器人系列兼容。每條線性滑軌上配備4個(gè)光電開關(guān)，來(lái)保證其運(yùn)行路徑范圍及初始原點(diǎn)。

圖7 機(jī)器人外接軸安裝Fig.7 Robot external shaft installation

3.3 工件的夾裝及定位

首先駕駛室通過(guò)傳送線到達(dá)指定打磨工位，觸碰到光電開關(guān)后傳送線停止，升降氣缸搭配浮動(dòng)單元上升將工件升起(工件離開傳送輪)，通過(guò)排列氣缸進(jìn)行工件位置修正，工件到位，升降氣缸降下工件落回傳送輪進(jìn)行打磨，打磨完排列氣缸松開傳送至下一工位。整套定位夾裝系統(tǒng)包括光電開關(guān)(X軸方向定位)、升降氣缸搭配浮動(dòng)定位裝置(輔助定位)、排列氣缸(Y軸方向定位)，如圖8所示。

圖8 公頭連接組件

其中最為核心的裝置為浮動(dòng)定位裝置(見圖9)，它可將較為沉重的物體用較小力進(jìn)行移動(dòng)，這一特點(diǎn)使定位更加方便與精準(zhǔn)。其原理為滑臺(tái)受到橫向力，軸承就滑動(dòng)，中心復(fù)位彈簧也發(fā)生伸縮，若橫向力消失中心復(fù)位彈簧將中軸復(fù)位至中心位置。其鎖緊與解鎖原理：氣體穿過(guò)鎖緊通孔供氣推動(dòng)活塞下降中軸被壓下降，壓緊軸承擋板，滑臺(tái)被鎖緊；從解鎖通孔通氣，鎖緊活塞上升，滑臺(tái)被解鎖。

圖9 浮動(dòng)定位裝置Fig.9 Floating positioning device

4 打磨焊縫路徑規(guī)劃

打磨機(jī)器人為庫(kù)卡K60型機(jī)器人，在其執(zhí)行末端安裝激光焊縫掃描裝置，如圖10所示，對(duì)焊縫進(jìn)行掃描，獲取及記錄焊縫空間位置、高度、長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，對(duì)焊縫模型進(jìn)行重新建模。為了對(duì)所有焊縫進(jìn)行標(biāo)定，引入哈希碼法。哈希碼法是將同類特征按照細(xì)微差別值重新排序，每次建立一個(gè)LIST，每次的焊縫輪廓將其不同的哈希碼值存入其中，這樣每次更新完后倒數(shù)的幾個(gè)就為新建立的。遍歷焊縫輪廓，將匹配的哈希碼尋出，類推出焊縫輪廓值最小。最終結(jié)果如圖11所示，從最近點(diǎn)直至擴(kuò)展到最遠(yuǎn)點(diǎn)，完全覆蓋所有焊點(diǎn)，每個(gè)焊縫擁有不會(huì)干涉的打磨路徑。將其導(dǎo)入Robot M進(jìn)行位姿獲取，最終會(huì)得到完整的打磨程序進(jìn)行打磨。

圖10 激光焊縫掃描裝置Fig.10 Laser weld scanning device

圖11 打磨路徑規(guī)劃Fig.11 Grinding path planning

5 打磨實(shí)例試驗(yàn)

挖掘機(jī)是現(xiàn)實(shí)大型工程機(jī)械中較為常見的設(shè)備，其駕駛室焊縫的打磨目前以手工打磨為主。本文作者以機(jī)器人自動(dòng)打磨焊縫為例，以此來(lái)驗(yàn)證文中提出的針對(duì)于大型機(jī)械駕駛室的機(jī)器人自適性打磨系統(tǒng)的可行性及有效性。根據(jù)應(yīng)用商的生產(chǎn)需求及工藝參數(shù)，機(jī)器人打磨需滿足以下要求：(1)擴(kuò)大機(jī)械臂覆蓋面積、滿足該公司所含類型(9種)大型機(jī)械駕駛室打磨拋光加工要求；(2)全自動(dòng)化完成所有拋光打磨工序(試驗(yàn)品為4道)；(3)機(jī)器人打磨效率相對(duì)于人工提高30%，當(dāng)前人工打磨耗時(shí)30 min左右(不考慮工件流轉(zhuǎn)及定位所消耗時(shí)間)。該工作站可以保證2臺(tái)機(jī)器人同時(shí)加工1個(gè)駕駛室而不干涉，工人完成上料后啟動(dòng)，然后可直接去下料位對(duì)打磨后的駕駛室進(jìn)行下料；機(jī)器人在工件定位后，從工具的獲取、工件焊縫的掃描、焊縫的打磨處理直到完成然后傳送線繼續(xù)運(yùn)行至下料工位，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件焊縫處理的自動(dòng)化打磨。

對(duì)比試驗(yàn)打磨結(jié)果，該工作站能夠?qū)崿F(xiàn)駕駛室焊縫的全自動(dòng)化打磨拋光處理(見圖12)，它在無(wú)間歇狀態(tài)下工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)所有工序耗時(shí)19 min 37 s(不包含傳送及定位)。所花費(fèi)時(shí)間少于人工耗時(shí)約10 min，滿足效率要求，并且有較高的提升。進(jìn)一步分析人工處理焊縫，其駕駛室運(yùn)轉(zhuǎn)與固定也需要耗費(fèi)時(shí)間，因此手工打磨遠(yuǎn)超于30 min；工人無(wú)法持續(xù)工作，每天工作時(shí)間為8 h制(實(shí)際工作時(shí)間5～6 h)，然而機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)24 h持續(xù)打磨運(yùn)轉(zhuǎn)，因此在時(shí)間方面就可代替7～8名工人。圖13所示為挖掘機(jī)焊縫前后打磨對(duì)比，經(jīng)打磨工人師傅與客戶確認(rèn)，焊縫打磨效果優(yōu)于人工打磨，滿足生產(chǎn)需求。

圖12 駕駛室打磨部位展示

6 結(jié)論

針對(duì)大型工程機(jī)械駕駛室焊縫打磨拋光處理，提出機(jī)器人自適應(yīng)打磨系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的模塊設(shè)置及組成進(jìn)行闡述，對(duì)電控系統(tǒng)、機(jī)器人及外接軸添加、自適應(yīng)性力控裝置、氣動(dòng)裝置、工件的夾裝及定位設(shè)計(jì)這幾個(gè)模塊的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并將此自動(dòng)打磨系統(tǒng)應(yīng)用于挖掘機(jī)駕駛室的打磨拋光處理。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)不僅滿足大型工程機(jī)械駕駛室焊縫打磨拋光處理要求，而且可以實(shí)現(xiàn)大批量、高效、全自動(dòng)化生產(chǎn)要求，且在環(huán)境優(yōu)化、人工管理等方面具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也為我國(guó)自動(dòng)化工廠設(shè)計(jì)提供了參考。