基于力控制的機器人研拋工藝研究*＊

劉廣保 趙吉賓 田鳳杰

(①沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽110159;②中國科學院沈陽自動化研究所裝備制造技術研究室，遼寧 沈陽110016)

隨著航空、航天、造船和汽車等制造業的飛速發展，對產品的性能、外觀等要求越來越高，使得復雜曲面在現代工業中的應用越來越廣泛。為達到產品外觀和表面質量要求，經常采用研磨和拋光加工。傳統的研磨拋光加工主要依靠手工，不僅費時費力，效率低下，而且難以保證產品質量的一致性和精度。與數控機床相比，機器人具有較大的工作空間，被加工工件裝夾容易，價格較機床低廉等優點。因此，基于工業機器人的研拋技術研究在航空航天制造領域也得到廣泛關注［1］。

Fusaomi Nagata 等人提出了基于位置和力控制的機器人拋光系統［2-3］。譚福生和葛景國介紹了一種基于力控制的ABB 機器人打磨系統，同時開發了一款基于ABB IRC5 的機器人系統應用軟件包［4］。WANG Wei 和YUN Chao 提出了一種應用于機器人砂帶磨削的路徑規劃方法用于加工葉片［5］。X L Jin 和L C Zhang 建立了一種用于預測拋光過程中材料去除的統計學模型［6］。張慶偉、韓麗麗等人研究了基于速度伺服的力/位混合控制策略，并進行了仿真分析，同年，他們提出了一種基于包圍盒的機器人拋光路徑生成方法［7-8］。Arif Wahjudi 和Fang-Jung Shiou 研發一種應用于加工中心上的力控制的新型拋光工具用于改善中等尺寸模具鋼的光整加工［9］。Frank Domroes，Carsten Krewet 和Bernd Kuhlenkoetter 把力控制技術應用于水泵葉輪邊緣去毛刺和型腔的打磨，研究了位置控制和力控制對于打磨的影響，分析了力的波動對去除的影響規律［10］。寧波材料研究所研發了一款基于力控制的拋光機器人用于不銹鋼杯體外壁的研拋加工［11］。計時鳴和曾晰等人提出了一種軟固結磨料群加工方法，同時對材料去除特性進行了分析，建立了材料去除的定量估計模型［12］。黃新春和張定華等人研究了鎳基高溫合金磨削參數對表面完整性的影響規律［13］。樊成和趙繼等人對拋光盤移動拋光時過渡區域的材料去除進行了理論建模，并做了相關試驗研究［14］。

基于上述對機器人研拋位置/力控制策略和研拋工藝參數對表面完整性的影響規律研究，本課題主要研究對于有機玻璃這類非金屬材料，機器人研磨拋光加工過程中力控制對加工表面質量的影響規律。對比分析了研磨和拋光過程中，加入力控制與不加力控制對于表面粗糙度和三維表面形貌的影響規律。實驗結果表明在其他加工條件一定的情況下，對于材料的均勻性去除(粗糙度的波動大小)和表面形貌，力控制下的研磨拋光加工結果明顯優于不加力控制的加工結果。

1 力控制技術

對于焊接、搬運、噴涂等作業，機器人只需要控制位置就可以滿足要求。而對于裝配、磨削和拋光加工，僅對機器人進行位置控制是不夠的，則需要對機器人末端的執行器進行力和位置的混合控制。在研拋和拋光加工過程中，研拋工具與工件表面之間的接觸壓力是影響加工質量的主要因素，因此，在機器人研磨拋光加工中，主要以力控制為主。基于力控制的機器人可以模仿工人的操作，通過控制接觸力實現恒壓力加工。

力控制是在操作臂上安裝力/力矩傳感器，對接觸力進行檢測，利用檢測到的接觸力信息進行位置補償控制，不僅可以提高有效位置精度，而且保證了合理的接觸力，從而完成有接觸的恒壓力加工任務。因此，力控制技術成為機器人自動化研拋技術研究的新方向。

2 基于力控制的機器人研拋系統

基于力控制的研磨拋光機器人系統，如圖1 所示，主要由KUKA30-3 中等載荷機器人、機器人控制柜、力控制及路徑規劃計算機、研拋工具頭、六維力/力矩傳感器和工作臺等組成，六維力/力矩傳感器安裝在機器人第六軸法蘭盤上，用來測量在傳感器坐標系下x、y、z三所受的力和力矩的大小。研拋工具通過連接法蘭盤連接到力/力矩傳感器的測量端。機器人研拋軌跡由計算機完成，其輸出和機器人控制柜相連，生成的機器人代碼傳輸到機器人控制器，控制機器人末端軸的行走軌跡。機器人的研拋過程為:首先計算機應用CAD/CAM 軟件和VS2010 編程軟件生成機器人代碼，并通過以太網接口傳輸到機器人控制器，控制器控制機器人按規劃軌跡加工，同時六維力/力矩傳感器測量工具與工件接觸點法向的力，力傳感器將測量的力/力矩信息傳遞給力控制器，力控制器根據預先設定的壓力值調整機器人的位置，以保證研拋工具與工件之間保持恒定的研拋壓力，從而保證加工的效果。

3 研拋實驗

3.1 實驗材料

研究采用的試件材料為普通有機玻璃，尺寸大小為300 mm×150 mm×10 mm。有機玻璃具有極好的透明性能，透光率達到92%;機械強度高;重量輕，密度為1.18 g/cm3，重量僅有普通硅晶玻璃的一半;易加工等特點。由于有機玻璃具有以上優良性能，已被廣泛應用在飛機風擋、舷窗，汽車風擋和車窗等航空航天、汽車制造等領域。

3.2 實驗方案

實驗以KUKA30-3 機器人為平臺，加工方案如圖2 所示;研拋工具為海綿橡膠圓盤可以粘貼砂紙，直徑為50 mm;砂紙磨料為碳化硅，磨粒直徑為100 μm 和30 μm;拋光液為3M PN81235 拋光液。實驗研究旨在分析研拋接觸壓力對表面質量的影響，同時對比有/無力控制對加工表面質量的影響。研磨拋光實驗參數如表1 和表2 所示。

表1 研磨加工參數

表2 拋光加工參數

研拋質量的優劣采用表面粗糙度、表面形貌和透光性來評價，表面粗糙度使用光學輪廓儀(ZYGO-NewView 5022 表面輪廓儀)和MarSurf PS1 便攜式表面粗糙度儀進行測量。便攜式粗糙度儀的掃描長度為8.000 mm，截止波長和取樣段數分別為0.800 mm 和5，評定長度為4.000 mm。表面形貌的觀測應用光學輪廓儀(ZYGO-NewView 5022 表面輪廓儀)進行，其主要技術參數為分辨率橫向為110 nm，垂直為0.1、3、20 nm，最大掃描深度為2 ～150 μm。加工完的試件如圖3 所示。

4 實驗結果及分析

如圖4 所示，研拋加工過程中，力/力矩傳感器測量的研拋工具與工件表面之間的壓力通過數模轉換器(AD)傳輸到計算機，通過計算機處理力/力矩信息控制機器人末端研拋工具與工件表面的相對位置，同時在計算機上實時顯示接觸力的大小及變化趨勢。

圖5 為研磨和拋光加工過程加入力控制技術測得的研拋接觸壓力大小隨加工時間的變化，從圖中可以觀察到接觸力的大小在某一穩定壓力值下隨時間變化產生一定的波動。這種波動是由于研拋工具的制造裝配誤差、位置誤差和研拋工具與工件表面接觸時產生的微小震動引起的，這些誤差都是無法完全消除的，因此波動無法避免，只能通過優化控制方法減小外界干擾，使研拋壓力趨近理想的壓力值，保證特定壓力范圍內的恒壓力研拋加工。

表3 和表4 為使用便攜式粗糙度儀MarSurf PS1測量的應用不同研拋壓力加工后的表面粗糙度Ra值。表3 分別為研磨過程中加入力控制進行位置補償和在給定初始壓力但不進行力控制的條件下加工后獲得的加工表面粗糙度，表4 為加入力控制進行位置補償和給定拋光壓力下不加力控制的條件下進行拋光獲得的表面粗糙度值及簡單分析結果。研磨拋光加工前已使用100 μm 的3M 268L 型砂紙進行粗磨加工，加工后的粗糙度為1.301 μm。實驗研究過程中，研磨拋光加工參數如表2 和表3 所示。應用數理統計學對表4 測量的粗糙度值進行簡單的分析，可以看出在研磨加工過程中，研磨接觸壓力越大去除能力越強，表面粗糙度值減小速率越快，但去除均勻性越差，接觸瞬間產生的震動也就越大，測量的壓力波動就越大;相反，研磨壓力越小去除能力越小，表面粗糙度值減小速率越緩慢，去除均勻相對較好，解除壓力的波動較小。而力控制在加工中的作用，通過分析可以看出，加入力控制后獲得表面粗糙度較好，粗糙度的波動也較小，材料去除的均勻性較好，同時也說明力控制對形狀精度有著優越的保持性。

表3 研磨后表面粗糙度Ra μm

圖6 為加工前后應用光學輪廓儀(ZYGO -NewView 5022 表面輪廓儀)觀測到的工件表面形貌和研磨紋理照片，研磨加工過程中，接觸壓力對表面質量的影響最為敏感，因此，實驗主要研究接觸壓力對表面粗糙度和表面形貌的影響規律。圖6a 可知，在圖示研磨條件下，其粗糙度為1.301 μm，最大波峰高度為10.108 62 μm，最大波谷深度為6.145 21 μm，研磨紋理清晰，可以看到切削和滑擦現象;圖6b 可知，其表面粗糙度為0.367 μm，最大波峰高度為3.494 86 μm，最大波谷深度為4.955 77 μm，研磨紋理清晰，可以看到滑擦和耕犁現象。由此可知，隨著研拋接觸壓力的增大，出去深度增大，粗糙度值減小，但算術平均偏差增大。因此，在實際研磨加工中，應根據具體工序工藝要求選擇研磨壓力的大小。

表4 拋光后表面粗糙度

表4 為加入力控制與不加力控制下拋光后表面粗糙度的比較，為研究力控制對拋光質量的影響，應用數理統計方法對實驗結果進行簡單分析，不加力控制拋光獲得表面粗糙度值是應用力控制拋光后獲得表面粗糙度值的2 倍，樣本方差比為1.6，顯然力控制下的拋光質量優于不加力控制的拋光加工。基于力控制的機器人拋光不僅能夠均勻的去除表面研磨劃痕，還可以保證工件的形狀精度不發生改變，獲得良好的表面光粗糙度。

圖7 為拋光工件表面三維形貌和工件表面粗糙度變化曲線，由于有機玻璃拋光后表面很容易為劃傷，試驗后應盡量不要觸摸工件表面，及時覆蓋保護膜以免表面劃傷。由圖7a 可知，在圖示拋光條件下，其表面粗糙度Ra=12.622 nm，PV=63.855 nm，RMS=14.836 nm，最大波峰高度為0.329 71 μm，最大波谷深度為0.295 35 μm;在圖7b 中所示拋光條件下，其表面粗糙度為Ra=25.062 nm，PV=157.264 nm，RMS=32.267 nm，最大波峰高度為0.361 19 μm，最大波谷深度為0.411 34 μm;通過對兩種控制方式的拋光加工結果對比分析，可以看出基于力控制的拋光方法獲得表面質量明顯優于無力控制的拋光加工。

5 結語

通過對有機玻璃自動化研磨拋光加工過程中力控制對加工表面質量影響規律的實驗研究，可以得出如下結論:

(1)研磨加工過程中，研磨接觸壓力是影響表面質量的主要因素。接觸壓力的大小對去除量的大小、去除的均勻性影響規律為研拋壓力越大，去除量越大，去除能力越強，而去除的均勻性較差;相反，研拋壓力越小，去除量越小，去除能力越差，但去除的均勻性相對較好;因此，在研磨加工過程中，粗研應采用較大的壓力，提高加工效率，而在精研過程中，應取較小的壓力，均勻地去除粗研工序的劃痕，改善表面粗糙度和表面形狀精度。

(2)基于位置控制的機器人在焊接、搬運等領域能夠滿足應用需求，而在機械加工領域，僅對位置控制是很難保證加工精度的，因此，引入力控制技術控制機器人末端工具與工件表面之間的接觸壓力進行加工。研究對比了加入力控制與不加力控制對研磨和拋光加工過程的影響，實驗結果表明基于力控制的機器人研拋加工表面質量明顯優于不加力控制的研拋加工。

(3)與數控機床相比，機器人的機械剛度和重復定位精度較差，在裝配、研拋等精度要求較高的領域，僅對位置進行控制難以滿足精度要求。因此，基于力控制的機器人加工技術將成為自動化精密/超精密加工關鍵技術之一。

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