衛生陶瓷修坯機械手結構設計與角度采集

李占賢，霍炳杰，黃寶旺

（1.河北省工業機器人產業技術研究院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210）

0 引言

衛生陶瓷產品是日常生活中不可或缺的物件，陶瓷坯體外表面的優劣直接制約著衛生陶瓷成品的質量，所以要對修坯工序進行嚴格把控。在衛生陶瓷毛坯工件修坯打磨的過程中會產生大量揚塵，若要人工操作不但危害操作人員身體健康［1］而且效率低，因此現在諸多衛浴生產廠家均在修坯工序中使用在機器人末端［2］安裝打磨頭的打磨機器人［3－4］來去除陶坯毛刺及余量。這種修坯方式不僅容易使陶坯表面產生“環狀”劃痕，而且多數打磨機器人使用力傳感器采集壓力值再反饋于控制系統［5］，只能實現模糊控制［6－7］，并不能時刻保證恒力打磨［8］，這樣將會增大加工誤差［9］，嚴重影響衛浴產品質量。

本文設計了一種針對座便器的衛生陶瓷修坯機械手，采用電位器經采集卡采集電壓，間接表示手指旋轉角度，將角度反饋于控制系統進而準確調整機器人末端實現恒力打磨，降低加工誤差。

1 衛生陶瓷修坯機械手結構設計

1.1 機械手工作原理

修坯機械手在進行修坯工作時，會與座便器不同曲率的表面接觸。因此在建立手指結構示意圖的基礎上，結合實際工作環境分別論述修坯機械手的工作原理。

1.1.1 陶瓷坯體單一曲率曲面

衛生陶瓷修坯機械手接觸陶瓷坯體單一曲率規則曲面時，左、右手指對稱分布于支架中線兩側，其中支架與機器人末端法蘭盤固定連接，如圖1所示。修坯機械手隨機器人機械臂的工作路徑靠近座便器坯體表面，當手指的指尖與坯體表面接觸處于臨界位置時，如圖1（a）所示修坯機械手在機械臂的壓力下開始下壓，左手指開始逆時針旋轉，右手指開始順時針旋轉，即左手指和右手指之間的夾角逐漸增大，直至轉軸帶動電位器旋轉到角度預定值，機械臂停止下壓并開始執行打磨任務，如圖1（b）所示。

圖1 機械手接觸陶瓷坯體單一曲率曲面

1.1.2 陶瓷坯體多種曲率曲面

衛生陶瓷修坯機械手接觸陶瓷坯體多曲率曲面時，左、右手指不規則分布于支架中線兩側，如圖2（a）所示。為實現修坯機械手對坯體表面的充分打磨，在機器人系統接收到左、右角度電位器阻值不同時，機械手腕部即法蘭盤處以與曲面切線成較小角度（即阻值較小）的手指為基準，機器人系統調節阻值較大的手指，待左、右手指與曲面切線所成角度初次相等（即左、右阻值相等，如圖2（b）所示），機械臂開始下壓或上抬直至角度達到預定值，整個系統不再調節，修坯機械手開始修坯運動。

1.2 機械手構型設計

修坯機械手左、右兩根手指的結構完全一致，下面以一根手指為對象進行說明。單根手指位置結構包括支架、手指、扭轉彈簧和角度電位器4部分。手指與支架通過旋轉軸連接，軸兩端裝配軸承用來定位旋轉軸，同時降低旋轉時的摩擦力。扭轉彈簧一端固定在手指上，一端搭放在支架上，手指受到來自機械臂腕部的力，使得手指柔性旋轉同時增加表面作用力。為使各組件實現精確安裝，現對三維模型修坯機械手中關鍵部分尺寸進行規定（如表1所示），并使用SolidWorks繪制修坯機械手三維模型，如圖3所示。

圖2 機械手接觸陶瓷坯體多種曲率曲面

表1 修坯機械手三維模型關鍵尺寸 mm

2 修坯機械手可行性分析

修坯機械手去除座便器表面毛刺的過程較為復雜，所以需要建立模型模擬修坯機械手與座便器接觸時的狀態，有利于優化結構參數，使得座便器毛刺被均勻去除，座便器表面質量達到最優，誤差值最小。

手指與坐便器接觸示意圖如圖4所示。手指與座便器表面接觸時受到手指結構形狀、旋轉角度和打磨材料性質等因素影響，復雜性較高。砂布的彈性模量要比陶瓷坯體的彈性模量小很多，在機器人進行修坯工作時，打磨砂布容易產生較大變形，所以使用有限元分析法對砂布與座便器坯體表面進行接觸分析。

圖3 修坯機械手三維模型

圖4 手指與座便器接觸示意圖

機械手與座便器接觸初始狀態模型如圖5所示。對修坯機械手和座便器部分曲面進行網格劃分，結果如圖6所示。初步設定機器人執行修坯動作時機械臂對修坯機械手施加的力為30N，此時得到的修坯機械手變形云圖和應力云圖如圖7所示。由圖7可知，修坯機械手在受到下壓力與曲面接觸時僅發生微小變化，因此選擇鋁合金作為生產修坯機械手的材料非常合理，機械手與座便器合理接觸，正常修坯工作時二者不易受到破損。以上分析驗證了本次衛生陶瓷修坯機械手設計的可行性，在規定的作用力下，修坯機械手不僅可以達到理想的修坯效果，而且工作時不易發生形變。

3 手指旋轉角度采集與處理

角度采集模塊由電位器、NI公司生產的USB-6251和軟件LabView組成，LabView具有圖形化編程語言和程序框圖，便于編輯數據采集［10－12］。在DAQ采集助手中各通道均設定最大輸入模擬電壓2.5V，采用RSE接線端配置，組裝的采集設備如圖8所示。運行程序后，角度反饋于計算機，進而調整機器人腕部位姿便于修坯。電位器最大旋轉角度為360°，電位器輸入電壓與輸出電壓的關系為：

其中：u（t）為輸出電壓，V；UP為電位器輸入電壓，V；φ為電位器某時刻旋轉角度，（°）；θmax為電位器能夠旋轉的最大角度，（°）；θ（t）為換算后電位器輸出角度，（°）；KP為電位器輸入、輸出電壓確定系數。

圖5 機械手與座便器接觸初始狀態模型

圖6 網格劃分結果

圖7 修坯機械手與座便器接觸分析結果

圖8 機械手角度采集裝置

4 結語

設計了一種適用于座便器坯體表面復雜的修坯機械手，分析了修坯機械手修坯時的工作原理和受力情況，驗證了機械手執行修坯操作的可行性。

通過使用LabView選擇合理的數據采集控件，并編輯角度采集程序，整理并運行后得到手指旋轉角度。修坯機械手的角度采集系統操作簡單、設備成本低、數據顯示直觀，可為機器人實現精確、恒力修坯提供準確數據。

圖9 手指旋轉角度采集程序框圖

圖10 手指旋轉角度采集界面