鋁合金機器人砂帶恒定力拋光系統設計及仿真

黃海濱，柯曉龍，林曉暉

(1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建廈門 361024;2.精密驅動與傳動福建省高校重點實驗室，福建廈門 361024)

鋁合金在保持純鋁質輕等優點的同時還具有較高的強度，且擁有優良的導電性和導熱性，是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中已得到廣泛應用。鋁合金拋光是為了改善鋁合金表面狀態，提高其抗蝕性、耐磨性和裝飾性的一種金屬表面加工技術，也可以作為電鍍等后續工序的預處理方式。

國內外研究者對鋁合金的機器人拋光機理、軌跡規劃等方面開展了富有成效的研究。Ali Akbar等［1］原創性地提出了使用一種帶有橡膠打磨盤的機器人拋光系統，用在鋁合金制件的精密研磨和拋光上，并研究了鋁合金拋光次數和切削進給量對于拋光表面粗糙度的影響。Akbari［2］利用激光距離傳感器和apiezo電測功機將拋光力和工具角度的數據反饋給機器人控制器，以此為基礎提出機器人拋光鋁合金元件的刀具軌跡生成方法，并通過實驗證實了軌跡加工效果。Yunquan Sun［3］等介紹了一種新的工業機器人砂帶磨削拋光的數學模型，主要從系統的標定及拋光力恒定兩方面來保證加工質量，最后利用實驗印證了理論的正確性。Shuihua等［4］針對機器人砂帶拋光動態性能差引起加工誤差的情況建立動力學模型和仿真平臺，研究不同工藝參數對加工精度、抑制振動以及材料去除率等的影響，提出優化的加工參數。華中科技大學的吳昌林等［5］提出了基于恒去除率的鋁輪曲面拋光刀位軌跡生成方法，用恒去除率約束軌跡生成方法來保證鋁輪曲面拋光的質量。北京航空航天大學的贠超等［6-7］開發了一種用于復雜曲面的磨削機器人系統和砂帶磨削機，并提出了一種包含弧長優化和主曲率匹配的磨削路徑生產方法，通過離線仿真驗證了其有效性，并利用該方法提高了曲面的磨削質量。該路徑規劃方法為生成光順且精確的機器人曲面磨削路徑提供了理論依據。

本文以鋁合金制件的砂帶拋光成型為研究目標，設計了恒定拋光力的機器人拋光系統，并對機器人拋光運動軌跡進行了模擬仿真，驗證所設計的拋光機的合理性和可靠性［8-15］。

1 機器人砂帶拋光原理

所設計的機器人拋光系統可應用于鋁合金制件的自動化磨削拋光過程。在一個工件拋光周期內，機器人通過自動運行編制在離線編程軟件內的程序，完成自動上料、磨削加丁、拋光加工、自動下料等過程，具體工藝流程如下:

1)人工上料、定位。設計了雙向工作臺的上下料裝置，可以實現人工上下料與機器人自動加工過程并行工作。每個工作臺上設有16個鋁合金工件定位座。人工上料時需要按下工作臺上料按鈕，氣缸將工作臺推出，然后人工將鋁合金工件放置在相應的定位座上，完成上料工作后，再按下工作臺復位按鈕，工作臺回到工作位置，通過行程開關完成工件料盤的準確定位。

2)機器人夾取鋁合金工件。鋁合金工件的卡具安裝在機器人手臂末端，采用氣動控制方式，可以自動從上下料裝置上抓取或放置鋁合金工件，在工件料盤上安裝有定位傳感器。機器人手臂完成工件夾取后，擺動至定位傳感器側進行夾取確認檢測，檢測完畢后進行下一道工序。

3)鋁合金工件拋光。在鋁合金工件的整個拋光過程中，通過機器人控制器的離線編程軟件進行軌跡規劃和設計。首先進行鋁合金工件的初拋:機器人手臂將鋁合金工件送到80號砂帶拋光機工位，自動運行機器人位姿和軌跡程序，通過砂帶拋光初步去掉鋁合金工件表面上的粗糙毛刺和凹坑等;然后通過機器人手臂將鋁合金工件送到240號砂帶拋光機工位，對鋁合金工件整體面型再進行磨拋精加工，使得其曲面面型平整光潔，無砂眼、氣泡;最后再將鋁合金工件調至800號砂帶拋光機工位進行最后的拋磨清光，使鋁合金工件線條更流暢，達到表面粗糙度要求。

4)自動下料。機器人完成鋁合金工件拋光工序后，回到雙向上下料工作臺，松開氣動夾具，將鋁合金工件成品放置在對應的定位座上，經人工補拋后，確認達到表面粗糙度和輪廓度要求后入庫，完成一個鋁合金工件拋光周期。

鋁合金機器人拋光工藝流程如圖1所示。

2 拋光系統機構設計

拋光系統硬件由機器人及夾具、砂帶拋光機、電氣控制系統、雙向上下料裝置等組成。機器人作為執行機構，采用了ABB4600工業機器人。夾具安裝在機器人末端，采用氣動控制方式，可以自動從上下料裝置上抓取或放置鋁合金工件。磨削拋光設備實現鋁合金工件的磨削拋光過程。雙向上下料工作臺可以放置8×4=32個鋁合金工件，供機器人自動上下料使用。

圖2為機器人鋁合金拋光原理。

圖2 機器人鋁合金拋光原理

1)主動輪直徑D計算

設主動輪的轉速為N，其計算公式為

其中:V為拋光線速度;D為主動輪直徑;N為主動輪轉速。由式(1)可得主動輪的直徑D:

2)砂帶張力計算

主動輪張力F的計算公式為

拋光砂帶所受的張力Fd的計算公式為:

已知電機功率P=4 kW，主動輪的轉速n=1 400 r/min，拋光輪的半徑 r=D/2=0.2 m，代入式(2)、(3)可計算得拋光砂帶所受的張力Fd:

取整后，可得砂帶上所受張力大小為137 N。

3)張緊氣缸缸徑計算

氣缸推力Ft的計算公式為

氣缸缸徑Dz的計算公式為

得氣缸推力為192.939 N，設定氣源壓力P=5 kg/fcm2，代入式(4)和(5)可得氣缸缸徑Dz:

可得氣缸直徑計算值為8.380 cm，據其工作安全考慮選取缸徑Dz=100 mm的張緊氣缸。表1列出了鋁合金砂帶拋光系統主要部件的技術參數。

表1 拋光系統主要部件的技術參數

在完成對拋光機主要部件的技術參數選型和計算后，繪制了拋光機機構三維圖，如圖3所示。

圖3 拋光機機構設計三維圖

3 恒定力拋光系統設計與仿真

機器人砂帶拋光對鋁合金工件的加工過程融合了傳統加工的表面切削作用、磨粒對鋁合金工件表面的塑性擠壓作用，以及相對摩擦引起的熱塑性流動作用等。為了保證鋁合金工件表面去除量穩定，表面光潔度高，本文設計了一套恒定力拋光系統，以確保砂帶拋光機在鋁合金工件的整個拋光過程中保持拋光力恒定。

3.1 拋光控制系統硬件設計

根據拋光系統的工藝要求，系統主要由砂帶轉速控制、拋光機主體移動機構位置控制及拋光力控制等組成。鋁合金機器人拋光控制系統的結構框圖如圖4所示，包括了機器人控制器、觸摸屏、變頻器、變頻電機、電磁閥、氣缸和PLC等。

圖4 拋光控制系統硬件框圖

由于機器人與運動控制系統通訊信息量不大，拋光系統通過RS232完成PLC與機器人的通訊，節省了成本。選用臺達觸摸屏，通過RS485與PLC通訊，能實時共享更改PLC的數據單元，組成了現場實時控制系統。通過上位機觸摸屏對拋光系統的運行參數進行設置，監控拋光系統的運行狀態，并進行故障信息管理。

3.2 機器人拋光系統恒定力運動仿真

拋光力的恒定控制可以由機器人系統和拋光機系統共同實現。拋光輪電機直接由變頻器驅動，可無級調速，實現與工件接觸點的線速度恒定。拋光機主體移動機構的運動由PLC通過電磁閥控制移動氣缸來實現驅動。左、右極限位置由行程開關控制。

拋光力的恒定控制可以由機器人系統和拋光機系統共同實現。機器人系統的拋光力控制采用直接驅動拋光輪的三相異步電機的電流作為反饋信號，反饋電流信號可以由變頻控制器獲得，通過建立電流與拋光力的關系，機器人運動控制模塊可以實時調整機器人末端執行器相對砂帶輪的徑向距離，保證拋光力的恒定控制。隨著工件與磨削輪之間的磨削力增大，相應作用在氣缸上的力也增大，比例閥做出調整進行排氣，使氣缸內的壓力維持在設定值。在完成設計后，利用robotstudio軟件對其工藝流程和運動軌跡進行了模擬仿真。圖5所示為鋁合金拋光的運動仿真截圖。結果表明:該機構設計是合理和可靠的。

4 結束語

本研究進行了鋁合金機器人拋光系統的設計，對其拋光原理和工藝流程進行了分析，對鋁合金拋光系統的張緊氣缸推力、調偏電機扭矩和主動輪規格進行了計算，完成了三維圖紙的繪制。在此基礎上設計了恒定拋光力的機器人拋光控制系統，包含了調偏機構、砂帶拋光機移動機構，拋光力恒定機構。利用robotstudio軟件對鋁合金拋光過程進行運動軌跡模擬仿真，驗證了該機構設計是合理、可靠的。

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