工業(yè)機(jī)器人鑄件打磨系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

趙昊東

（黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150028）

鑄件在制備完成之后，由于生產(chǎn)工藝的制約導(dǎo)致其表面會(huì)殘留冒口，或者鑄件表面出現(xiàn)缺陷，不僅影響鑄件的美觀(guān)性，對(duì)于其性能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此鑄件制備完成后需要利用專(zhuān)業(yè)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行打磨，提升鑄件的品質(zhì)。而傳統(tǒng)鑄件打磨技術(shù)通常以標(biāo)準(zhǔn)件為主，采用批量打磨的方式工作。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)鑄造件的打磨效率較低。筆者基于ABB型工業(yè)機(jī)器人，結(jié)合FlexPendant系統(tǒng)進(jìn)行鑄件打磨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，嘗試解決傳統(tǒng)鑄件打磨系統(tǒng)的缺陷，提升鑄件打磨技術(shù)水平。

1 鑄件打磨難點(diǎn)分析

1.1 傳統(tǒng)打磨系統(tǒng)局限性分析

目前常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)器人鑄造件打磨系統(tǒng)，其局限性主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

1）常見(jiàn)的機(jī)器人打磨系統(tǒng)，打磨目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)零件，且通常以批量打磨的方式工作，對(duì)于非標(biāo)鑄造件或者離散化鑄造件，常規(guī)的機(jī)器人打磨系統(tǒng)處理效果較差[1]。

2）常見(jiàn)的機(jī)器人打磨系統(tǒng)剛性不足，對(duì)于硬度較高的鑄造件，難以達(dá)到理想的打磨效果。

3）大部分機(jī)器人打磨系統(tǒng)是基于力傳感的反饋信息來(lái)控制刀具的行進(jìn)，并調(diào)整打磨軌跡。但是對(duì)高硬度非標(biāo)鑄造件進(jìn)行打磨時(shí)，鑄件會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)直接影響傳感裝置的使用壽命，導(dǎo)致機(jī)器人打磨系統(tǒng)后期維護(hù)成本居高不下。

4）針對(duì)體積較大的鑄造件，一般情況下需要使用工業(yè)機(jī)床進(jìn)行加工，但是工業(yè)機(jī)床尺寸與形狀較為固定，靈活性較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)于非標(biāo)鑄造件的有效夾裝。此外，如果鑄造件硬度較高，直接使用機(jī)床進(jìn)行打磨作業(yè)，刀具很容易受損，容易產(chǎn)生安裝生產(chǎn)事故。

1.2 機(jī)器人打磨系統(tǒng)技術(shù)要求及打磨難點(diǎn)

1.2.1 打磨要求

1）鑄造件表面形態(tài)：鑄造件打磨后，打磨區(qū)域的表面形態(tài)要與周?chē)鷧^(qū)域的表面相一致，確保打磨基面的形態(tài)符合加工要求。

2）鑄造件表面光潔度：經(jīng)過(guò)打磨的鑄造件，其表面要確保光滑整潔，不得出現(xiàn)明顯的打磨痕跡。

3）鑄造件打磨效率：采用工業(yè)機(jī)器人打磨系統(tǒng)進(jìn)行鑄造件打磨作業(yè)，鑄造件所有待打磨區(qū)域完成打磨作業(yè)的總時(shí)長(zhǎng)，要少于人工打磨所需時(shí)間。

4）鑄造件打磨成本：利用工業(yè)機(jī)器人打磨系統(tǒng)進(jìn)行鑄造件打磨作業(yè)，需要在確保表面形態(tài)、表面光潔度以及打磨效率符合要求的前提下，盡可能壓縮成本[2]。

1.2.2 打磨難點(diǎn)

1）使用單一的打磨工藝，無(wú)法快速去除非標(biāo)鑄造件以及離散化鑄造件上的大面積余料，使得鑄造件表面的光潔度無(wú)法滿(mǎn)足加工需求。

2）非標(biāo)鑄造件待打磨區(qū)域較為分散，在使用機(jī)床進(jìn)行打磨工作時(shí)，不但要頻繁調(diào)整夾具的位置，而且要對(duì)刀具行進(jìn)軌跡進(jìn)行微調(diào)，導(dǎo)致打磨效率始終得不到提升。

3）針對(duì)硬度較高的鑄造件，在打磨過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)劇烈的振動(dòng)，加劇刀具以及其他零件的磨損。

4）非標(biāo)鑄造件存在很多不規(guī)則的拐角，在設(shè)計(jì)打磨系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)鑄造件的實(shí)際情況調(diào)整打磨力度以及刀具行進(jìn)角度，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人打磨系統(tǒng)的加工精度有很高的要求[3]。

2 工業(yè)機(jī)器人打磨系統(tǒng)打磨軌跡設(shè)計(jì)

2.1 確定打磨基面類(lèi)型

想要確保打磨軌跡的正確性，就要明確鑄造件打磨基面情況，只有在確定打磨基面的情況下，才能縮減刀具行進(jìn)軌跡的誤差，提升加工精度。無(wú)論是在粗加工還是細(xì)加工階段，基面的確定都十分關(guān)鍵[4]。實(shí)際工作中，需要根據(jù)待打磨區(qū)域的情況來(lái)判定打磨基面的類(lèi)型。通常情況下，鑄造件打磨基面類(lèi)型分為冒口、曲面以及平面缺口三類(lèi)，如圖1所示。為了方便介紹，這里以曲面鑄件打磨為例。

圖1 鑄造件打磨基面常見(jiàn)類(lèi)型

2.2 示教器交互設(shè)計(jì)

在確定鑄造件打磨基面類(lèi)型之后，需要對(duì)ABB工業(yè)機(jī)器人示教器（FlexPendant）創(chuàng)設(shè)UI函數(shù)群，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)可視化的人機(jī)交互功能。利用示教器讓打磨加工人員掌握打磨區(qū)域類(lèi)型、刀具行進(jìn)參數(shù)、打磨區(qū)域高點(diǎn)個(gè)數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，如表1所示。

表1 FlexPendant示教器UI函數(shù)群

運(yùn)用該函數(shù)群，設(shè)計(jì)人員可以編寫(xiě)示教器UI程序，讓操作員可以根據(jù)實(shí)際情況，執(zhí)行“選項(xiàng)選擇”“數(shù)據(jù)輸入”“數(shù)據(jù)調(diào)整”等功能，提升打磨軌跡控制精度。

2.3 設(shè)定曲面打磨軌跡

通常情況下，針對(duì)曲面所進(jìn)行的打磨處理屬于精加工作業(yè)，只通過(guò)單層打磨就可以完成對(duì)于鑄造件曲面的打磨加工。因此，可以將鑄造件曲面打磨層視為基面，通過(guò)調(diào)整打磨力度來(lái)控制曲面厚度。由于曲面基面對(duì)應(yīng)的打磨點(diǎn)數(shù)量較多，在設(shè)計(jì)打磨系統(tǒng)時(shí)為了減少示教點(diǎn)的數(shù)量，設(shè)計(jì)人員嘗試通過(guò)四個(gè)示教點(diǎn)（A0，B0，C0，D）得到確定打磨軌跡所需要的參數(shù)信息，并利用A0，B0，C0三個(gè)示教點(diǎn)信息確定曲面打磨軌跡，再利用A0，B0，D三個(gè)示教點(diǎn)明確曲面打磨邊界，防止曲面打磨超過(guò)設(shè)定范圍，破壞鑄造件的完整性[5]。

設(shè)定曲面打磨軌跡過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)A0，B0，C0三個(gè)示教點(diǎn)信息計(jì)算空間圓參數(shù)。將A0設(shè)定為刀具的起始位置，將A0點(diǎn)在空間圓內(nèi)偏移，通過(guò)這種方式得到若干個(gè)刀具起始位置偏移離散點(diǎn)。A0點(diǎn)與C0點(diǎn)完全重合之后，就得到了一條完整的打磨軌跡。之后以A0、D兩個(gè)示教點(diǎn)所構(gòu)成的矢量方向?yàn)榛A(chǔ)，令A(yù)0，B0，C0進(jìn)行等距離偏移，得到新的示教點(diǎn)坐標(biāo)（Ai，Bi，Ci），并讓Ai點(diǎn)的坐標(biāo)與D點(diǎn)坐標(biāo)重合，依照曲面打磨軌跡設(shè)計(jì)方式，計(jì)算Ai，Bi，Ci三點(diǎn)打磨軌跡，如圖2所示。

圖2 生成曲面打磨軌跡

鑄造件曲面打磨軌跡設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)打磨軌跡中的空間圓方程進(jìn)行參數(shù)化處理，確保空間圓方程中的各項(xiàng)參數(shù)能夠被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)順利讀取。在相同空間中，處于不共線(xiàn)位置的3個(gè)點(diǎn)能夠組成一個(gè)空間圓，因此需要確定圓心坐標(biāo)以及半徑，將A0，B0，C0三個(gè)示教點(diǎn)設(shè)定為A0（XA，YA，ZA）、B0（XB，YB，ZB）、C0（XC，YC，ZC），并得出關(guān)于A0，B0，C0三個(gè)示教點(diǎn)的約束條件[6]。

1）共面約束條件下，三個(gè)示教點(diǎn)的平面方程為：

2）三個(gè)示教點(diǎn)到圓心距離相等約束：

根據(jù)公式（1）與公式（2），可以得到有關(guān)圓心坐標(biāo)的線(xiàn)性方程組：

得出Ms=E這一線(xiàn)性方程組之后，依據(jù)Cramer法則對(duì)該方程組進(jìn)行求解，若行列式|M|不等于0，則線(xiàn)性方程組的解存在唯一性，則可以確定圓心坐標(biāo)：

在公式（4）中，|Mi|（i=1,2,3）是|M|中第i列參數(shù)，利用Ms=E方程組中的常數(shù)項(xiàng)替代之后得到了行列式。得出圓心坐標(biāo)之后，計(jì)算空間圓的半徑，公式為：

3 粗打磨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PID控制裝置數(shù)據(jù)輸出標(biāo)準(zhǔn)化控制

本次設(shè)計(jì)中，工作人員考慮到工業(yè)機(jī)器人鑄件打磨系統(tǒng)的加工成本以及普及率等因素，決定使用通用型PID控制裝置，PID控制裝置運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)程值PVk與電機(jī)的扭矩?cái)?shù)值VR之間存在線(xiàn)性關(guān)系，PIN過(guò)程值SPk與電機(jī)扭矩?cái)?shù)值Vs之間也存在線(xiàn)性關(guān)系。實(shí)際進(jìn)行打磨作業(yè)過(guò)程中，SPk的設(shè)定值不得小于Vs，如果小于Vs的數(shù)據(jù)，則代表打磨機(jī)存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)打磨系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，在這種狀態(tài)下計(jì)算的PID運(yùn)行參數(shù)不具備參考價(jià)值[7]。只有在VR數(shù)值圍繞Vs數(shù)值上下波動(dòng)的狀態(tài)下，計(jì)算PID輸出數(shù)值才具有參考價(jià)值。因此，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)PVk進(jìn)行限幅處理，設(shè)定打磨機(jī)空載狀態(tài)下電機(jī)的扭矩值為V0，若VR＞VS，則PVk的數(shù)值計(jì)算公式為：

根據(jù)上述公式，可以確定PID過(guò)程值PVk的限定范圍為[V0，Vs]，對(duì)PVk數(shù)值進(jìn)行限定的主要目的：1）縮減控制參數(shù)的數(shù)量，無(wú)需單獨(dú)設(shè)定PVk的參數(shù)上限。2）對(duì)鑄件進(jìn)行打磨時(shí)，電機(jī)的扭矩初始值為V0，電機(jī)啟動(dòng)之后扭矩?cái)?shù)值向Vs趨近，此時(shí)將Vs的數(shù)值作為電機(jī)扭矩的上限，確保PID過(guò)程值始終圍繞Vs數(shù)值波動(dòng)[8]。

3.2 工業(yè)機(jī)器人TCP算法調(diào)整

工業(yè)機(jī)器人的TCP算法，對(duì)于刀具位置以及刀具行進(jìn)軌跡會(huì)產(chǎn)生直接影響，想要確保鑄件粗打磨效果符合加工標(biāo)準(zhǔn)，就要對(duì)TCP算法進(jìn)行調(diào)整。

在得到打磨軌跡的情況下，可能會(huì)由于外界因素的干預(yù)而令打磨軌跡出現(xiàn)誤差，盡管鑄件打磨系統(tǒng)中的機(jī)械臂可以隨時(shí)中止加工進(jìn)程，根據(jù)實(shí)際加工情況調(diào)整打磨參數(shù)，但是這種打磨方式效率很低，工作人員需要頻繁對(duì)打磨程序進(jìn)行微調(diào)。而借助TCP算法，能夠顯著提升打磨精度，避免對(duì)于主程序參數(shù)的反復(fù)調(diào)整。

通過(guò)對(duì)打磨過(guò)程的觀(guān)察可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)毒咛幱趉-1時(shí)刻，鑄件的表面與打磨規(guī)劃軌跡吻合，但是當(dāng)?shù)毒咛幱趉時(shí)刻，鑄件表面輪廓與打磨規(guī)劃軌跡出現(xiàn)了誤差，誤差距離為|BB’|，如圖3所示。

圖3 打磨誤差示意圖

為了解決誤差問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)電機(jī)扭矩、刀具行進(jìn)速度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行確定，明確各項(xiàng)參數(shù)的取值范圍。

3.2.1 刀具行進(jìn)速度

刀具的行進(jìn)速度對(duì)于磨削力的大小會(huì)產(chǎn)生直接影響，二者之間存在正相關(guān)關(guān)系，如果刀具行進(jìn)速度過(guò)快，就會(huì)導(dǎo)致磨削力過(guò)大，不僅會(huì)讓鑄件表面溫度升高，還會(huì)造成電機(jī)過(guò)載問(wèn)題，因此需要對(duì)刀具行進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)整。由于針對(duì)鑄件曲面的打磨痕跡以離散點(diǎn)的方式呈現(xiàn)，因此在調(diào)整TCP算法時(shí)，根據(jù)前一個(gè)離散段電機(jī)扭矩?cái)?shù)值來(lái)設(shè)定本離散段TCP參數(shù)，離散段距離越短，TCP反應(yīng)時(shí)間越快，打磨效率越高[9]。但需要注意的是，如果離散段距離過(guò)短，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械臂振動(dòng)，因此要綜合考慮各種因素設(shè)定離散段參數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)中如果離散點(diǎn)的距離超過(guò)3 mm，且刀具行進(jìn)速度不超過(guò)30 mm/s，機(jī)械臂不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，因此將離散段距離設(shè)定為3 mm。

3.2.2電機(jī)扭矩設(shè)定

本次設(shè)計(jì)中，工作人員采用等力度打磨法，在打磨鑄件過(guò)程中通過(guò)對(duì)電機(jī)扭矩的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)于打磨效果的調(diào)整。如果電機(jī)扭矩?cái)?shù)值過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致磨削力過(guò)大，使得鑄件表面發(fā)熱變黑，如果扭矩?cái)?shù)值過(guò)小，則會(huì)影響打磨效率，因此需要對(duì)電機(jī)扭矩進(jìn)行合理設(shè)定。

在明確電機(jī)扭矩與打磨厚度之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，測(cè)試不同打磨厚度下電機(jī)扭矩的波動(dòng)情況。工作人員將刀具行進(jìn)速度設(shè)定為18 mm/s，并給予4組不同的打磨厚度，分別為0.25 mm、0.50 mm、0.75 mm以及1.00 mm，在不調(diào)整打磨參數(shù)的情況下，對(duì)每一組打磨厚度情況進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)并取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，打磨深度數(shù)值越大，電機(jī)扭矩?cái)?shù)值越大，并呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)上升的趨勢(shì)，如果將Vs設(shè)定為1.65 V，則鑄件打磨厚度為0.5 mm。因此，將Vs數(shù)值設(shè)定在0.8 V～1.0 V，能夠得到較為理想的打磨效果。

4 細(xì)打磨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑄件細(xì)打磨系統(tǒng)主要由3個(gè)部分構(gòu)成：1）力度控制。主要是利用PID控制裝置調(diào)整角磨機(jī)電流，以及伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速。2）打磨數(shù)據(jù)采集。針對(duì)細(xì)打磨過(guò)程中的IO模組數(shù)據(jù)、角磨機(jī)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析。3）打磨機(jī)械人控制。主要是對(duì)機(jī)械臂的位置以及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管控。

4.1 設(shè)定PI控制裝置

PI控制裝置的主要輸入數(shù)據(jù)為角磨機(jī)的電流值（Is）與實(shí)時(shí)電流值（IR）之間的誤差（eI），進(jìn)行細(xì)打磨工作時(shí)，PI控制裝置的輸出量（uk）即伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速變量（v），則可以得到角磨機(jī)打磨力度控制模型：

實(shí)際進(jìn)行細(xì)打磨過(guò)程中，由于鑄件硬度高且表面較為粗糙，因此會(huì)導(dǎo)致電流波動(dòng)。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員需要為電機(jī)的電流設(shè)定電流誤差區(qū)間，當(dāng)IR數(shù)據(jù)超過(guò)限定值，則伺服電機(jī)啟動(dòng)，依據(jù)公式（8）設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速[10]。

4.2 機(jī)器人打磨系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中采用ABB型機(jī)械臂，利用其內(nèi)嵌的RAPID語(yǔ)言，對(duì)打磨控制算法進(jìn)行設(shè)定，令機(jī)械臂可以對(duì)打磨軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，打磨過(guò)程主要由四個(gè)階段構(gòu)成，分別為刀具行進(jìn)運(yùn)動(dòng)（v1）、打磨運(yùn)動(dòng)（v2）、打磨軌跡切換運(yùn)動(dòng)（v3）、刀具退出運(yùn)動(dòng)（v4），其運(yùn)動(dòng)過(guò)程為先進(jìn)入v1階段，然后v2、v3循環(huán)，打磨完成后進(jìn)入v4階段。4個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程不斷交替，并與打磨機(jī)的等力調(diào)整相配合，當(dāng)處于v1階段時(shí)，當(dāng)?shù)毒咝羞M(jìn)至設(shè)定的點(diǎn)位之后速度降低，并對(duì)角磨機(jī)的電流值進(jìn)行校準(zhǔn)。處于v2階段與v3階段交替時(shí)，對(duì)角磨機(jī)的輸出電流進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)電流數(shù)值對(duì)打磨刀具進(jìn)行等力調(diào)整，打磨工作結(jié)束之后，快速完成v4階段，節(jié)省退刀時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)機(jī)器打磨技術(shù)對(duì)于非標(biāo)鑄造件以及離散型鑄造件的打磨效率較低，因此設(shè)計(jì)人員基于ABB型機(jī)器人，設(shè)計(jì)鑄件打磨系統(tǒng)，依據(jù)鑄件打磨系統(tǒng)的技術(shù)要求以及打磨難點(diǎn)，設(shè)計(jì)打磨軌跡，并對(duì)粗打磨以及細(xì)打磨系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，借助這種方式提升鑄件打磨效率。