機器人柔性拋光機床的研究分析

賀干群

（浙江珂斯頓機器人科技有限公司，浙江 溫州 362200）

機器人柔性拋光系統(tǒng)能全面改善傳統(tǒng)工藝的條件，并且優(yōu)化生產(chǎn)效率，為工件表面質(zhì)量的優(yōu)化提供保障，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和管理效益的雙贏。

1 機器人柔性拋光系統(tǒng)概述

在機器人柔性拋光系統(tǒng)中，基本組成元件包括機器人柔性拋光機床、機器人、開給治器等，要按照“工具裝卡—工具標定—加工路徑離線編程—機器人自動拋光—產(chǎn)品檢測—工件卸載”的流程完成相關(guān)工作，從而維持拋光應用的基本質(zhì)量。

目前，機器人柔性拋光系統(tǒng)被廣泛應用在3D型載入離線編程體系中，能建立有效的分析模式，或者是用于定義工具坐標系和工件坐標系，為全面形成優(yōu)化匹配的拋光路徑提供保障[1]。

2 機器人柔性拋光機床工作原理

對于整個機器人柔性拋光系統(tǒng)而言，機床結(jié)構(gòu)具有非常重要的作用。因為機器人柔性拋光機床本身就是機械布輪拋光結(jié)構(gòu)，要將圓形布呢、絨毛氈等材質(zhì)按照多層結(jié)構(gòu)縫制為車輪狀態(tài)然后安裝在機床主軸位置，以便于旋轉(zhuǎn)過程中完成拋光加工。其最大的特點就在于可以結(jié)合被拋光對象的具體尺寸參數(shù)完成拋光路徑的匹配，并且實現(xiàn)機器人自動操作。

基于此，在機床結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，機器人柔性拋光機床在加工過程中拋光輪位置和工件的具體接觸點O維持固定狀態(tài)，并且，被加工對象的拋光力大于某閾值拋光力后，就會帶動拋光輪向后快速運動，直到維持平衡狀態(tài)。具體原理如圖1所示。

圖1 機器人柔性拋光機床工作原理示意圖

由圖可知，在拋光機床正常工作過程中，拋光輪會出現(xiàn)一定程度的磨損，這就會造成輪徑縮小，造成工件和拋光輪的接觸點出現(xiàn)偏差，為此，要利用輪徑檢測機構(gòu)落實相應的檢測工作，并且計算工件和拋光輪接觸點相對初始位置O的變化量，從而利用拋光機床伺服電機移動機構(gòu)完成主傳動結(jié)構(gòu)的進給操作，維持拋光輪O點的固定效果[2]。除此之外，拋光力參數(shù)和驅(qū)動拋光輪旋轉(zhuǎn)的變頻電機電流之間存在一定的比例關(guān)系，因此，要測定驅(qū)動拋光輪旋轉(zhuǎn)的基本參數(shù)后，才能結(jié)合伺服電機控制算法獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，以保證機器人柔性拋光機床的具體應用效果符合要求。

3 機器人柔性拋光機床力控制系統(tǒng)數(shù)學模型

為了保證機器人柔性拋光機床力控制工序的合理性和規(guī)范性，要整合數(shù)學關(guān)系，在數(shù)學描述基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并且配合系統(tǒng)傳遞過程完成數(shù)學分析，從而有效發(fā)揮機器人柔性拋光機床的應用優(yōu)勢作用。

3.1 組成環(huán)節(jié)的數(shù)學模型

因為機器人柔性拋光機床系統(tǒng)中力控制器自身就是微處理器系統(tǒng)，因此，是由硬件構(gòu)成的脈沖比較電路。若是從力學傳遞的角度對函數(shù)關(guān)系予以分析，力控制器就類似于整個體系中的比例環(huán)節(jié)，基礎(chǔ)的比例系數(shù)設(shè)定為Kp。

在力控制器應用的過程中，其自身的輸出量為數(shù)字量，要借助D/A轉(zhuǎn)換操作才能對調(diào)速單元予以實時性控制，所以，D/A也類似于基礎(chǔ)的比例環(huán)節(jié)，將其比例系數(shù)設(shè)定為Ka[3]。

對于機器人柔性拋光機床而言，交流伺服系統(tǒng)是整個體系內(nèi)部的驅(qū)動裝置，若是參數(shù)理想且操作環(huán)境理想，伺服轉(zhuǎn)角和指令脈沖頻率本身就能形成積分關(guān)系結(jié)構(gòu)，利用計算傳遞函數(shù)，其中Kθ表示的是調(diào)速單元的實際放大倍數(shù)。

機械傳動部件的基礎(chǔ)應用價值就在于能有效對電機轉(zhuǎn)角予以控制，并且實現(xiàn)工作臺結(jié)構(gòu)的直線性移動，假設(shè)，輸入的電機轉(zhuǎn)角為θ，對應的輸出工作臺位移為XL，相應的減速器減速比設(shè)定為i，在綜合分析傳遞鏈剛性參數(shù)和阻尼參數(shù)的基礎(chǔ)上，就能描述輸入和輸出的微分方程，從而有效評估機械傳動裝置的傳遞函數(shù)[4]。

在完成角位移分析后就要對直線位移予以評估，因為工作臺產(chǎn)生的移動，才能獲取拋光力的具體參數(shù)，此時，將這個過程設(shè)定為比例環(huán)節(jié)，對應的比例系數(shù)記作Kf。

為了保證機器人柔性拋光機床應用的規(guī)范性和科學性，還要對檢測環(huán)節(jié)予以重視，確保閉環(huán)控制工作有序開展。不僅能對被檢測對象的信號數(shù)據(jù)大小予以收集，還能將被測試信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟芎椭噶钚盘柶ヅ涞奈锢砹浚瑥亩蛟旄涌茖W有效的反饋通道，維持綜合應用效果。此時，將測量轉(zhuǎn)換作用的過程設(shè)定為比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)記作Kj。

綜上所述，按照閉環(huán)力控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)要求，輸入輸出傳遞函數(shù)和以上比例系數(shù)均有關(guān)聯(lián)，綜合分析的基礎(chǔ)上，就能更好地評估力控制數(shù)學模型的基本參數(shù)要求，從而維持分析工作的可靠性和科學性。

3.2 力控制系統(tǒng)辨識建模

在數(shù)學模型搭建的基礎(chǔ)上，要結(jié)合應用狀態(tài)和要求，完善相關(guān)工作，并且將其和實際模型相對比，整體結(jié)構(gòu)更加簡潔，盡管忽略了部分因素，但是在模型中基礎(chǔ)參數(shù)還是較為全面的。利用系統(tǒng)辨識的過程，就能更好地減少機理建模操作方案中誤差問題產(chǎn)生的影響[5]。例如，工作臺振動情況、導軌摩擦情況等問題產(chǎn)生的誤差，將其結(jié)合辨識要求進行評估，適當采取有效的分析，就能減少模型偏差，從而確定具體參數(shù)。特別是在計算機技術(shù)不斷發(fā)展的時代背景下，系統(tǒng)辨識處理逐漸被應用在控制技術(shù)建模過程中，能打造更加科學合理的數(shù)學模型，從而精準控制相關(guān)影響要素。本文以MARLAB系統(tǒng)辨識工具箱為例，系統(tǒng)辨識結(jié)合應用工具建立相應的分析流程，實現(xiàn)最終建模的要求。

第一，要對實驗系統(tǒng)的信號情況予以評估和判定，主要是針對機器人柔性拋光機床的輸入信號和輸出信號，完成信號分類管理的基礎(chǔ)上，保證信號確定工作。最關(guān)鍵的是，要對信號的采樣周期、辨識時間以及辨識模式等基礎(chǔ)參數(shù)進行確認工作，從而保證信息匯總和分類處理的規(guī)范性，避免信息基礎(chǔ)參數(shù)認知不全面對后續(xù)建模產(chǎn)生的影響。

第二，制定數(shù)學模型結(jié)構(gòu)，在完成基礎(chǔ)參數(shù)確認工作后，就要結(jié)合實際需求和拋光機床的應用標準建立對應的模型，確保數(shù)學建模基礎(chǔ)流程的規(guī)范性。

第三，利用對應的模塊和處理步驟完成中間環(huán)節(jié)，主要是應用辨識的方式對輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)進行集中辨識分析，并且，在辨識處理的基礎(chǔ)上要建立相應的模型，匹配規(guī)范要求選取最優(yōu)數(shù)學模型，提升建模工作的基本水平[6]。

第四，結(jié)合建模的要求和標準完成模型特性曲線的分析，觀察曲線基本情況的同時，也要收集時域響應情況和頻率響應情況，并且有效分析對應狀態(tài)的可行性。

第五，若是建模結(jié)果較為滿意，則對應的工作結(jié)束，若是建模結(jié)果不滿意，則重復執(zhí)行響應操作，直到完善建模內(nèi)容為止。

在完成輸入信號選取后，系統(tǒng)辨識過程和輸出測量噪聲隨機信號分析模式之間要有效建立完整的控制機制，采樣周期設(shè)定為0.02 s，采樣時間設(shè)定為15 s，利用基于最小二乘法計算模式的ARX模型，就能對系統(tǒng)傳遞函數(shù)進行辨識分析，說明辨識工具箱能為閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)選最佳力學控制方案，滿足機器人柔性拋光機床應用要求。

4 機器人柔性拋光機床應用

為了保證機器人柔性拋光機床工作效果，要明確各個組成部分以及應用要點，以維持整體應用控制的規(guī)范性，建立更加匹配技術(shù)方案的應用體系，最大程度上按照軌跡規(guī)劃要求實現(xiàn)相應動作。

4.1 主傳動機構(gòu)

在機器人柔性拋光機床應用過程中，要按照傳動標準維持各個結(jié)構(gòu)運行的平衡狀態(tài)，其主傳動結(jié)構(gòu)主要包括以下組成部分：①拋光機；②變頻電機；③帶傳動結(jié)構(gòu)；④變頻調(diào)速器，能對拋光輪的實際運行轉(zhuǎn)速予以調(diào)控。

在實際應用過程中，要依據(jù)機器人柔性拋光機床工作具體的工藝要求完成相關(guān)處理，且拋光輪和工件接觸點位置的線速度要維持在固定不變的狀態(tài)。與此同時，在轉(zhuǎn)速得以被有效調(diào)控處理的基礎(chǔ)上，就能保證機器人柔性拋光機床工作中線速度的穩(wěn)定性[7]。

4.2 伺服結(jié)構(gòu)

對于機器人柔性拋光機床而言，伺服結(jié)構(gòu)是維持主傳動機構(gòu)進給運動的基礎(chǔ)，確保相關(guān)工序都能在規(guī)范的力學控制范圍內(nèi)，主要組成部分包括交流伺服機、減速裝置、導軌等，能對輪徑予以集中的測試分析，配合對應的處理方案就能進一步完成拋光機床力學控制工作，減少不平衡力對其柔性應用產(chǎn)生的負面影響。

4.3 輪徑檢測結(jié)構(gòu)

要想維持系統(tǒng)應用的規(guī)范性和合理性，就要保證檢測結(jié)構(gòu)運行穩(wěn)定，路徑檢測結(jié)構(gòu)包括齒條、齒輪、路徑檢測傳感器，要結(jié)合機器人柔性拋光機床工作的具體情況完善相應工作。

4.3.1 計算

結(jié)合圖1可知，齒條1和齒條2與齒輪緊緊嚙合，并且齒條和機架處于固定狀態(tài)，在齒輪發(fā)生移動或者是變形后，就會使得齒條出現(xiàn)相應的轉(zhuǎn)速變化，也會形成相應的位移，拋光輪中心從O1轉(zhuǎn)變?yōu)镺2，O1和O2之間的差值就是δ，如圖2所示[8]。

圖2 輪徑檢測計算

4.3.2 工作原理

為了避免磨損對設(shè)備運行效果造成的影響，要更換新的拋光輪，完成安裝后，要著重關(guān)注機器人柔性機床拋光力的恒定性和規(guī)范性，結(jié)合拋光機床的具體應用，完成主體結(jié)構(gòu)的移動處理。在輪徑檢測結(jié)構(gòu)中，輪徑檢測傳感器和拋光輪接觸后，利用相關(guān)計算過程完成分析，然后適當調(diào)整輪徑，能在維持拋光輪和工件接觸點O位置固定的同時，有效提升檢測效率[9]。

4.4 力控制單元

在機器人柔性拋光機床結(jié)構(gòu)分析和應用處理的過程中，為了確保其應用效果符合預期，就要對力控制過程予以關(guān)注，保證機器人柔性拋光機床的拋光力小于閾值拋光力，并且維持拋光力的恒力狀態(tài)。

首先，拋光力是拋光輪結(jié)構(gòu)作用在工件上產(chǎn)生的對應力學參數(shù)，其本身屬于合力，分力為法向力和切向力。

跨區(qū)作業(yè)走南闖北。河南省農(nóng)機跨區(qū)作業(yè)發(fā)起于1993年，至今已經(jīng)走過25個年頭，全省聯(lián)合收割機從無到有，發(fā)展到2018年的18.8萬臺，收割機作業(yè)面積達7900多萬畝，成為全國小麥機收會戰(zhàn)的“主戰(zhàn)場”和“首戰(zhàn)場”。每年河南省大面積機收作業(yè)結(jié)束后，大批收割機陸續(xù)奔赴山東、河北、內(nèi)蒙古、天津等地作業(yè)，出省作業(yè)收割機總量在3萬臺左右。小麥跨區(qū)機收作業(yè)模式開辟了農(nóng)業(yè)小規(guī)模家庭經(jīng)營條件下農(nóng)機社會化服務的新路子，是我國現(xiàn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營體制下發(fā)展農(nóng)業(yè)機械化的一大創(chuàng)舉。

其次，在實際應用中，拋光力和驅(qū)動拋光輪電機產(chǎn)生的對應電流之間存在一定的關(guān)系，呈現(xiàn)出波峰和波谷較為對稱的曲線關(guān)系。

最后，要將對應的曲線參數(shù)作為評估力學反饋效果的信號，結(jié)合PID控制的具體要求或者是利用模糊力控制分析的相關(guān)規(guī)定，要全面分析對應參數(shù)，保證拋光力小于閾值范圍內(nèi)的拋光力，并且維持力的穩(wěn)定性，為整個拋光工藝流程的順利落實奠定堅實基礎(chǔ)。

4.5 PLC軟件應用

PLC憑借其高可靠性、高抗干擾性被應用在機器人柔性拋光機床應用流程中，然而，設(shè)備工作環(huán)境較為復雜，且會受到多種因素的干擾，為了減少誤動作造成的不良影響，就要全面分析干擾源，然后匹配PLC應用要求落實對應的工作。也就是說，在明確軟件設(shè)計要點后落實抗干擾措施，以便于PLC軟件能在實際應用中發(fā)揮作用。

4.5.1 設(shè)計要點

在PLC軟件主程序設(shè)計過程中，要結(jié)合程序標準和應用要求，維持綜合設(shè)計的規(guī)范性，并全面提高應用效率，按照標準流程發(fā)揮軟件優(yōu)勢[10]。

首先開始初始化。然后系統(tǒng)復位。之后對應模塊讀取機器人控制器的相關(guān)指令信息。接著分別開始對應的控制工作，具體為：①啟動輪徑檢測子程序；②啟動拋光子程序，結(jié)合實際情況確認是否配合力控制單元，然后評估是否啟動拋光液控制單元；③改變拋光輪的轉(zhuǎn)速。最后結(jié)合對應的要求開啟相關(guān)流程環(huán)節(jié)，獲取適宜的分析結(jié)果。

之所以要落實完整的抗干擾措施，就是為了避免PLC控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)受到外界因素影響造成拋光處理不到位的問題[11]。

要想從根本上抑制電網(wǎng)中產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象，就要依據(jù)環(huán)境情況、設(shè)備自身運行狀態(tài)等酌情選取帶有屏蔽元件的電源變壓器或者是電源濾波器等。要對輸入輸出信號進行抗干擾設(shè)計，一般而言，要選取尺寸較大的信號線，配合布線方案和設(shè)計流程，就能提升I/O信號線的抗干擾能力，完善對應的輸出工序、應用工序，從而保證開關(guān)電源供電的規(guī)范效果。要結(jié)合PLC應用要求建立接地設(shè)計單元，主要是利用PLC和其他設(shè)備的一點接地模式，維持應用的規(guī)范性，選取直徑大于22 mm的導線進行接地，材質(zhì)為銅。

4.5.3 力控制單元應用

在力控制單元，PLC閉環(huán)拋光力控制流程也非常關(guān)鍵，主要是借助內(nèi)部PID控制模塊，建立完整的控制機制和應用平臺，與此同時，發(fā)揮控制體系穩(wěn)定性好且結(jié)構(gòu)便捷化的優(yōu)勢，打造更加多元且穩(wěn)定的控制流程。

進入PID控制單元，借助信號傳感器將相關(guān)信號集中傳輸?shù)剿欧刂颇K中，保證信息數(shù)據(jù)匯總的及時性和規(guī)范性，并且避免信息流失造成的影響。伺服電機驅(qū)動器直接落實相應的驅(qū)動處理工序，維持柔性工業(yè)機器人規(guī)劃要求，確保拋光力控制在合力的數(shù)值范圍內(nèi)。伺服電機移動，直接作用在拋光輪上，隨著拋光輪的轉(zhuǎn)動，直接形成作用下變頻電機上的力[12]。

正是依據(jù)PLC閉環(huán)拋光力的控制方式，能有效形成PID模塊連續(xù)應用模式，并且維持數(shù)字化處理效果，配合離散形態(tài)的PID方程，就能結(jié)合結(jié)果實現(xiàn)控制程序的最終設(shè)計，提升整體機器人柔性拋光機床應用效率。

5 結(jié)束語

總而言之，機器人柔性拋光機床應用中，要綜合分析加工生產(chǎn)線應用系統(tǒng)的便捷性和穩(wěn)定性，確保相關(guān)元件都能維持良好的運行狀態(tài)，真正提高機器人柔性拋光系統(tǒng)的運行效能，打造穩(wěn)定、可靠的運行環(huán)境，促進機械加工產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。