機器人智能打磨拋光技術與成套設備研究

孫渤

摘 要 本文主要闡述工業機器人在打磨拋光領域的智能應用，首先，概述打磨拋光機器人及應用系統;然后，詳細分析浙江萬豐科技開發股份有限公司掌握的打磨拋光核心技術以及深厚工藝;最后，介紹該公司研發的打磨拋光成套設備成功應用的典型案例。

關鍵詞 機器人;打磨拋光;離線編程;誤差補償;力-運動混合控制

引言

近年來，工業化的自動化裝置發展速度，其最為突出的是PLC，可編程控制器因其抗干擾能力強、性能穩定、應用靈活、安裝和調試方便，維護簡單等優點。在五自由度工件加緊機構的拋光打磨機器人系統中引用PLC控制，可以極大地提高拋光效率，而且相對于其他的運動控制卡和控制器而言，PLC控制具有成本低、穩定性高、易于操作等優勢。同時利用PLC控制與MCGS組態軟件技術的結合，能夠在保證拋光打磨機器人正常工作的情況下，實時顯示各部件的工作狀態，快速對故障做出預警和報警，實現拋光系統的智能化。

1打磨機器人系統組成及打磨控制流程

打磨機器人系統采用由埃夫特機器人公司研發的六軸工業機器人ER50-C10，打磨系統包括PLC、打磨砂帶機、拋光機、和壓力傳感器、安裝在機器人第六軸的夾具組成的一個閉環控制系。當開始打磨時，安裝在機器人第六軸的夾具夾持圓形排氣管，放置在轉動的打磨砂帶機上進行打磨，打磨下壓力的大小實時被壓力傳感器檢測，傳感器將檢測壓力值轉換為電信號傳遞給PLC，PLC判斷壓力大小，輸送給機器人控制系統，從而控制機器人打磨壓力的大小，通過多次試驗設定合適的壓力值，如果打磨的壓力大于正常壓力，則機器人六軸向相反方向移動一定距離，即減小打磨壓力，如果打磨的壓力值小于正常壓力值，則機器人六軸向正方向移動一定距離，即增大打磨壓力，如果打磨壓力值在允許的打磨壓力范圍之內，則進行正常的打磨程序運行[1]。

2打磨拋光機器人關鍵技術

2.1 基于離線編程的機器人軌跡規劃

類似于輪轂、發動機水殼體、水龍頭等工件，由于需要打磨的工件外形曲面、曲線比較復雜，一般需要有上千點構成的打磨軌跡，若通過人工手動示教打磨機器人軌跡，不僅需要耗費大量的時間和精力，而且僅靠人為視覺觀測，主觀隨意性很大，生成的機器人運動軌跡存在很大誤差。因此，本文通過導入工件的3D模型，選擇相應的打磨曲面（曲線），通過積累的打磨工藝，設置最佳磨具的工藝參數（包括：接觸力、接觸角度、移動速度及重疊度、工具轉速及補償量、工件的打磨量等），并基于機器人及磨具的內建模型，將磨具的打磨軌跡轉化為機器人的運動軌跡，然后在仿真軟件中模擬機器人的打磨軌跡，避免磨具、機器人本體與工件等設備的相互干涉，同時修正和優化打磨軌跡及姿態。本軟件可將原來需要幾天才能完成的人工示教工作，縮短至幾十分鐘，同時在產品規格切換時減少停機調試時間，極大地提升了工作效率。

2.2 打磨拋光機器人系統研究

對于目前常用的集中式控制系統來說，易于實現且比較簡單，但是存在不足和缺陷，比如機器人的靜態誤差以及使用過程中的動態性能指標對于打磨拋光來說很難達到要求，控制系統的綜合工作能力及運行水平有所局限，滿足不了高質量水準。本文中機器人控制系統將交流伺服電機的電流環和速度環由伺服驅動器控制，由運動控制器完成電機轉動角度位置環控制，從而實現分布式控制。本文中打磨拋光裝置采用獨立恒力系統控制解決機器人運行誤差，調試及使用方便、研制周期短、可靠性高。各產線打磨模塊單元比較分散，因此，智能打磨拋光控制采用分布式系統結構，實現機器人與產線功能部件I/O對接，進行信息交互，協調各單元工作[2]。

2.3 觸摸屏人機交互界面設計

其人機交互界面采用的是MCGS組態軟件，是一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的軟件。其設計思想獨特，能夠完成現場數據采集、流程控制、動畫顯示、實時數據處理和報警等功能，具有性能好、穩定性高等選點。觸摸屏的設計包括變量設置和界面設置。變量設置是將MCGS的組態功能與PLC相應的I/O口以及存儲單元建立通道連接，實現觸摸屏對PLC的控制。最后一般通過上位機的RS-232串行口和PLC上的編程口，建立物理上的通訊連接，從而達到操作PLC的目的。

2.4 力-運動混合控制

在有光潔度要求的拋光作業或是毛刺大小、厚度分布不均勻且出現位置隨機的精細去毛刺作業中，機器人及工件定位設備誤差明顯，傳統的固定軌跡和剛性工具無法完成高質量的打磨。筆者研發出帶有力反饋的浮動磨頭，其可在作業中根據力反饋的大小實時調整軌跡運行速度;針對機加工之后的去毛刺及表面拋光作業，筆者研發一種基于并聯機構的具有主動力控制的三自由度末端執行器，其可在一定范圍內浮動，并保證在打磨方向上的恒力輸出，力控制精度在力幅的5%以內，有效地提升了打磨精度。

2.5 摩托車鋁合金輪轂打磨

摩托車鋁合金輪轂打磨設備由1臺上下料機器人、2臺打磨機器人、2套打磨平臺及視覺識別定位裝置、2套可浮動打磨工具組成，可實現對摩托車鋁合金輪轂的分模線處進行去毛刺作業。通過視覺識別技術和浮動打磨工具的配合作業，該設備成功解決了分模線分布隨機厚度不均的毛刺，實現分模線處打磨量均勻分布，且具有很好的一致性;在保證質量的同時，提升打磨效率，將每個產品的打磨時間縮短至30s（人工平均40s）;結合離線編程和精度補償標定，同一個打磨平臺可兼容10種以上的輪轂類型，產品切換方便[3]。

3結束語

本文從理論分析和工程應用方面研究打磨排氣管工藝，采用壓力傳感器對打磨力進行有效的控制;優化了打磨軌跡，并通過示教編程對排氣管進行打磨;根據打磨軌跡的不同，分別采用兩種示教編程方法，實驗表明采用優化后的打磨軌跡，打磨質量得到提高，減少了打磨耗時;采用工具坐標對打磨拋光輪的損耗進行了適當的補償，從總的打磨效果來看，取得了預期的實驗效果，打磨拋光的效率得到提高。

參考文獻

[1] 王淼，楊宜民，李凱格，等.拋光打磨機器人智能控制系統研究與開發[J].組合機床與自動化加工技術，2015（12）：94-96.

[2] 陳躍程，劉偉.鑄件清理打磨自動化技術及其應用[J].鑄造設備與工藝，2015（5）：1-6.

[3] 劉廣保，趙吉賓，田鳳杰.基于力控制的機器人研拋工藝研究[J].制造技術與機床，2015（2）：119-123.