機(jī)器人在自動化拋光設(shè)備中實現(xiàn)恒定壓力和恒定線速度拋光的研究

趙照洪

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;恒定壓力;恒定線速度;自動化拋光

0引言

目前拋光技術(shù)種類較多，其中以機(jī)械拋光的方式最為常見，隨著行業(yè)的不斷轉(zhuǎn)型升級，機(jī)器人在機(jī)械拋光中逐步代替了人工的部分工作，該應(yīng)用已日漸成為科技發(fā)展的一個大趨勢。恒定壓力和恒定線速度是達(dá)到鏡面拋光的關(guān)鍵要素之一，但隨著加工時間的推移，拋光輪的外徑將會逐漸地減小，導(dǎo)致工件與拋光輪之間的壓力不恒定;同時，拋光輪的線速度也逐漸降低，嚴(yán)重影響拋光質(zhì)量，不利于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

目前機(jī)器人實現(xiàn)恒定壓力和恒定線速度拋光的普遍方式，分別有加裝末端執(zhí)行器、傳感器檢測和經(jīng)驗值等幾種方式。在機(jī)器人上加裝末端執(zhí)行器，機(jī)器人能根據(jù)預(yù)設(shè)的壓力值，自動地保持工件與拋光輪之間的壓力，但由于其價格昂貴，一般僅在特殊工件拋光場合才會使用，所以難以推廣;在傳感器檢測中，由于拋光輪工作時高速旋轉(zhuǎn)，因此激光式傳感器較為常用，而該類傳感器價格高，且因附加機(jī)構(gòu)易發(fā)生干涉以及其工作環(huán)境極其惡劣，需要做特別的設(shè)計，均提高設(shè)備的制造成本，不利于廣泛應(yīng)用;在經(jīng)驗值的使用中，操作人員需要根據(jù)現(xiàn)場的情況調(diào)整經(jīng)驗值的范圍，存在經(jīng)驗值的差異和系統(tǒng)的累積誤差等問題，難以保證產(chǎn)品的一致性。基于這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計一套適應(yīng)范圍廣、生產(chǎn)成本較低，能讓機(jī)器人自動實現(xiàn)恒定壓力和恒定線速度拋光的系統(tǒng)。

1電氣設(shè)計

機(jī)器人恒定壓力和恒定線速度拋光系統(tǒng)采用一主多從的控制模式，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在本文中，數(shù)據(jù)采集的核心采用Alien-Bradley公司Micrologixl400系列的PLC，該P(yáng)LC的運算速度快，支持的通訊協(xié)議豐富，可同時支持工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet/IP（100Mbps）和Modbus RTU/ASCII等多種通訊協(xié)議。其中，工業(yè)以太網(wǎng)Ethemet/IP可用于傳輸對時間有苛刻要求的數(shù)據(jù)，在100Mbps的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上，若每秒傳輸1000個64字節(jié)的數(shù)據(jù)包，其數(shù)據(jù)延遲不超過3ms;Modbus-RTU是直接用原本的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，相對來說，RTU的傳輸速率比ASCII的要高。所以，這2種通訊協(xié)議均能滿足系統(tǒng)的響應(yīng)要求。

驅(qū)動拋光輪電動機(jī)的控制器采用安川公司V1000系列的變頻器，該變頻器配有RS485電氣接口，支持ModbusRTU協(xié)議。在本文中，PLC作為主站，變頻器作為從站，通過ModbusRTU通訊協(xié)議，完成兩者之間的數(shù)據(jù)通訊。變頻器的通訊參數(shù)設(shè)置如下：異步，全雙工;8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇數(shù)校驗，波特率為19200bit/s。

機(jī)器人控制系統(tǒng)采用ABB公司IRB4600系列的機(jī)器人，該機(jī)器人配有工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet/IP功能。在本文中，PLC作為主站，機(jī)器人作為從站，通過工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet/IP通訊協(xié)議，完成兩者之問的數(shù)據(jù)通訊。

人機(jī)交互界面采用威倫通公司MT-iE系列的觸摸屏，該觸摸屏可支持Modbus RTU/ASCII等多種通訊協(xié)議。在本文中，PLC作為主站，觸摸屏作為從站，通過Modbus RTU通訊協(xié)議，完成兩者之問的數(shù)據(jù)通訊。

在PC端，軟件開發(fā)平臺分別采用RSLOGIX-500和Robot-Studio編程環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，編程語言分別采用梯形圖和結(jié)構(gòu)化文本2種方式，完成編譯后分別下載到PLC和機(jī)器人系統(tǒng)上。拋光系統(tǒng)的主要工作流程如下：拋光時，PLC通過采集拋光輪電動機(jī)的輸出電壓和電流，通過計算得到對應(yīng)的拋光壓力值反饋給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)拋光壓力值計算出拋光輪的磨損量，并對拋光程序的位移和拋光輪的線速度進(jìn)行補(bǔ)償。如此循環(huán)。

2機(jī)械設(shè)計

在本文中，由于在原有電氣控制系統(tǒng)的配置下，通過讀取拋光輪電動機(jī)的輸出電壓和電流，采用軟件計算的方式實現(xiàn)恒定壓力和恒定線速度拋光的功能，設(shè)備不需要額外安裝其他傳感器。所以機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計十分簡單，只需要設(shè)計一個簡單的支架底座用于安裝拋光輪電動機(jī)和拋光輪即可，不需要額外設(shè)計任何的附加機(jī)械機(jī)構(gòu)。

3拋光輪電動機(jī)的輸出電壓、電流和拋光壓力之間的分析

在電動機(jī)穩(wěn)態(tài)時，機(jī)械功率等于相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩與機(jī)械角速度的乘積，通過對公式簡化后，可得電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式T為：

從式（6）可得知，工件和拋光輪之問的當(dāng)前力矩值，與拋光輪外徑磨損后電動機(jī)的輸出電壓U和輸出電流I的積成正比。該值越大，表明拋光壓力就越大;反之越小。因此，PLC系統(tǒng)可監(jiān)控該值，并換算為工件與拋光輪之間當(dāng)前的拋光壓力值反饋給機(jī)器人。

4機(jī)器人恒定壓力和恒定線速度拋光的實現(xiàn)

4.1拋光輪外徑磨損量的計算

在式（6）中，需要標(biāo)定一個拋光壓力值。標(biāo)定時，系統(tǒng)自動記錄拋光輪電動機(jī)的輸出電壓值U2與電流值I2的積，保存起來作為拋光壓力換算時的參考值。工件與拋光輪之間的拋光壓力系數(shù)K，反映了工件與拋光輪之問的期望拋光壓力值，該系數(shù)越大，表明期望的拋光壓力就越大;反之越小。用戶可根據(jù)工藝的需求設(shè)定合適的K值。

在拋光時，機(jī)器人夾取工件與拋光輪接觸。此時，PLC系統(tǒng)通過變頻器讀取拋光輪電動機(jī)的輸出電壓U2和轉(zhuǎn)矩電流I2，與上述標(biāo)定拋光壓力值時的U2和I2進(jìn)行比較后，得到當(dāng)前的拋光壓力值反饋給機(jī)器人。若當(dāng)前的拋光壓力值大于K值時，機(jī)器人調(diào)整程序往拋光輪軸心相反方向的移動;反之，機(jī)器人調(diào)整程序往拋光輪軸心方向的移動;若當(dāng)前的拋光壓力值等于K值時，機(jī)器人系統(tǒng)獲取的機(jī)器人當(dāng)前的位置信息，便可得到拋光輪外徑磨損值：

4.2恒定線速度的實現(xiàn)方法

根據(jù)線速度公式：

把通過式（8）計算所得的n1代入式（9）后，可得拋光輪磨損后對應(yīng)的變頻器給定頻率f1。通過PLC把該頻率寫入變頻器后，便可使拋光輪以恒定線速度運行。

4.3恒定壓力的實現(xiàn)方法

如圖2所示，點A為拋光輪磨損前的工件拋光點，點B為拋光輪磨損后的工件拋光點，點A與點B之間為拋光輪的磨損量AR。當(dāng)拋光輪磨損后，工件需要從拋光輪上的點A沿著拋光輪軸心的法線方向移動到點B上，即點A、點B和拋光輪軸心成一條直線，這樣才能在工件的拋光姿態(tài)不改變的情況下，保證工件與拋光輪之間的拋光壓力恒定。這需要通過AR分別計算出Z軸方向的偏移量D和Y軸方向的偏移量D。因此，需要在機(jī)器人系統(tǒng)上建立一個用戶坐標(biāo)系，并在機(jī)器人程序中使用公式：式中：WOBJ為用戶坐標(biāo)系;AR為拋光輪的半徑磨損量。

執(zhí)行式（10）可使用戶坐標(biāo)系WOBJl根據(jù)拋光輪的半徑磨損量AR，沿著拋光輪圓心的法線方向自動偏移。通過該方法，機(jī)器人能自動計出，D和，D的偏移值，拋光時機(jī)器人自動把工件從拋光輪的點A移動到點B上，從而實現(xiàn)機(jī)器人的恒定壓力拋光。同理，可以在拋光輪上的任意點建立若干個用戶坐標(biāo)，如WOBJ2、WOBJ3。

5實驗驗證

在實驗中，根據(jù)選定的工件編寫拋光程序，并把測試合格的首樣工件保存好，按連續(xù)生產(chǎn)的條件進(jìn)行拋光。測試過程中，在工件的拋光軌跡上設(shè)置了若干個特定的測試點，由系統(tǒng)記錄每個測試點的當(dāng)前拋光輪外徑和拋光壓力值，并由人工檢測拋光輪的外徑，與系統(tǒng)記錄的拋光輪外徑進(jìn)行對比，系統(tǒng)對拋光輪外徑的檢測誤差為±0.5mm;隨著拋光輪的磨損，對比每個測試點拋光壓力的變化，其變化范圍為±5%;最后，通過抽樣與首樣工件進(jìn)行表面質(zhì)量對比，均在合格范圍。

實驗結(jié)果表明，機(jī)器人能根據(jù)拋光輪外徑的磨損，自動實現(xiàn)恒定壓力和恒定線速度的拋光，證明了機(jī)器人恒定壓力和恒定線速度拋光系統(tǒng)的設(shè)計是成功的。

6結(jié)束語

機(jī)器人在拋光行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，正在改變著過去一直以人工作業(yè)為主的狀況。恒定壓力和恒定線速度拋光是影響機(jī)器人拋光質(zhì)量的重要因素之一，其性能的優(yōu)劣直接影響著拋光的表面質(zhì)量。本文通過采用檢測拋光輪電動機(jī)輸出電壓和電流的方法，代替安裝傳感器或加裝末端執(zhí)行器的方法，從軟件上計算拋光輪的磨損，實現(xiàn)機(jī)器人恒定壓力和恒定線速度拋光，無疑簡化了設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時也降低了設(shè)備的成本，對推動機(jī)器人在拋光行業(yè)的應(yīng)用有積極意義。