一種混聯(lián)軟性拋光機器人的設計與開發(fā)

余運昌

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一種混聯(lián)軟性拋光機器人的設計與開發(fā)

余運昌

（廈門海洋職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，福建 廈門 361100）

針對當前拋光行業(yè)還停留在人工操作、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定和中小微企業(yè)的實際現(xiàn)狀，設計出一款混聯(lián)軟性拋光機器人系統(tǒng). 該機器人系統(tǒng)具有拋光接觸力自適應調(diào)節(jié)能力，適用于平面、回轉(zhuǎn)體等金屬鑄件表面的拋光. 通過PLC對該拋光機器人系統(tǒng)的變頻電機、伺服電機及力平衡氣缸進行控制，實現(xiàn)機器人對金屬表面的全自動拋光功能. 實驗證明，本機器人具有拋光效率高、拋光質(zhì)量穩(wěn)定的特點，特別適合中小型拋光企業(yè).

混聯(lián)控制；軟性拋光機器人；拋光接觸力自適應

砂帶磨削是一種軟性磨削加工方法，具有較高的磨削效率和生產(chǎn)質(zhì)量. 砂帶磨削拋光具有磨削、研磨、拋光的多重作用，是金屬表面磨削拋光的一種常見加工方法. 目前，金屬表面的磨削拋光以人工為主，由于磨削拋光過程產(chǎn)生的金屬粉塵對人體危害大，導致相關(guān)企業(yè)嚴重的“用工荒”；同時，人工操作難以控制產(chǎn)品的拋光質(zhì)量和生產(chǎn)效率[1]. 對金屬產(chǎn)品表面拋光工藝分析發(fā)現(xiàn)，磨頭膠輪與工件接觸力的大小直接影響拋光效果，因此拋光機器人系統(tǒng)應具有拋光接觸力自調(diào)節(jié)功能[2]. 六自由度工業(yè)機器人和砂帶恒定力拋光系統(tǒng)[3]雖然能實現(xiàn)自動打磨拋光，但設備昂貴，難以在薄利的打磨拋光中小微企業(yè)大規(guī)模應用. 本文考慮廈門某企業(yè)的實際狀況，設計并開發(fā)了適合金屬鑄件拋光力自適應的低成本軟性磨削拋光機器人系統(tǒng)，系統(tǒng)采用一個伺服電機、一個三相異步電機和力平衡氣缸組成的混合驅(qū)動方式.

1 拋光主機結(jié)構(gòu)設計

圖1 拋光系統(tǒng)工作原理

1.1 主動輪直徑

1.2 砂帶張力

根據(jù)已知的電機功率和拋光輪的直徑，在電動機額定轉(zhuǎn)速下，計算出砂帶的張力為

1.3 張緊氣缸缸徑

1.4 拋光接觸力

表1 拋光機構(gòu)主要部件及參數(shù)

完成拋光機構(gòu)主要部件的計算和技術(shù)選型后，采用PROE5.0繪制的拋光機三維結(jié)構(gòu)如圖2所示.

1.拋光機底座；2.大彈簧；3.拋光電機；4.全鋁輪；5.拋光砂帶；6.張緊氣缸；7.拋光槽輪；8.頂起氣缸

2 混聯(lián)拋光機器人控制系統(tǒng)設計

本混聯(lián)磨削拋光機器人屬于企業(yè)自用設備，綜合考慮經(jīng)濟效益和開發(fā)周期，選擇PLC作為控制器、觸摸屏作為人機交互界面. 變頻調(diào)節(jié)三相電機的轉(zhuǎn)速從而控制砂帶的磨削線速度，以適應不同材料的砂帶磨削拋光工藝.

2.1 PLC及電機控制

信捷XC3-24T-C具有14位輸入信號端口、10位輸出信號端口（2路高速數(shù)字脈沖輸出端口）. 2個通信口均能用于編程下載和通信，通常，通信口1用作程序下載，通信口2用作網(wǎng)絡通信. 本設計用通信口2與三菱變頻器通信以調(diào)節(jié)拋光電機的轉(zhuǎn)速.

2.2 拋光機器人工作流程設計

本機器人主要用于金屬鑄件的全自動磨削拋光過程. 在一個工件的磨削拋光過程中，機器人通過運行PLC程序完成工件夾緊、定位、磨削拋光加工、工件松開等動作. 具體拋光工作流程如圖3所示：

1）由機械手或工人將待加工件放置在夾具上完成工件的上料；

圖3 機器人拋光工作流程

2）按下啟動按鈕，夾具將工件夾緊，拋光電機啟動并達到系統(tǒng)設定的轉(zhuǎn)速；

3）磨頭氣缸將自適應拋光系統(tǒng)釋放，膠輪磨頭壓到工件表面并開始磨削拋光工作，工件按照預定的軌跡進行直線移動和旋轉(zhuǎn)運動；

4）完成拋光工作后，磨頭氣缸將自適應拋光磨頭頂起，拋光電機停止運行，工作臺回原點，夾具釋放工件，由機械手或工人取走工件；

5）上述4個步驟為一個拋光循環(huán)周期. 完成一個循環(huán)周期后，PLC計數(shù)器累加1，已完成加工工件數(shù)顯示到觸摸屏上.

表2是根據(jù)以上工作流程設計的PLC輸入輸出端口分配詳情.

表2 PLC輸入輸出端口分配明細

2.3 人機交互系統(tǒng)設計

本設計的人機交互系統(tǒng)選用臺達DOP-B系列觸摸屏，型號為B07S411，用于設備信息狀態(tài)的監(jiān)視和控制命令、數(shù)據(jù)的輸入. 圖4為本設計的拋光機器人系統(tǒng)的人機界面，包括手動模式控制界面、自動控制界面和參數(shù)設置界面. 手動控制界面主要用于系統(tǒng)的調(diào)試與維修，可以實現(xiàn)對伺服電機、拋光電機或者單個氣缸的控制. 自動控制界面主要用于機器人狀態(tài)的監(jiān)視以及拋光完成工件的計數(shù). 參數(shù)設置界面用于設置機器人運行參數(shù)，主要包括自適應拋光系統(tǒng)釋放和抬起位置、工件旋轉(zhuǎn)速度、夾具松緊時間及橫移氣缸的移動位置.

圖4 人機交互系統(tǒng)界面

3 混聯(lián)軟性拋光機器人的實驗驗證

圖5 機器人拋光實驗

4 結(jié)束語

本設計的混聯(lián)軟性拋光機器人控制系統(tǒng)由PLC和觸摸屏組成，能實現(xiàn)氣缸和伺服電機的混合控制，完成工件的全自動拋光過程. 由彈簧、膠輪、砂帶、電機等組成的拋光力自適應系統(tǒng)，能使作用在工件上的拋光力均勻，達到較佳的拋光質(zhì)量. 本混聯(lián)軟性拋光機器人具有成本低、效率高和拋光質(zhì)量穩(wěn)定的特點，具有廣闊的市場前景.

[1] 江勵，杜天才，徐文杰，等. 一種混聯(lián)自動拋光機器人控制系統(tǒng)的設計[J]. 五邑大學學報（自然科學版），2017, 31(2): 58-61.

[2] 唐杰，王濤，常青，等. 模具拋光機器人柔性終端執(zhí)行器設計與分析[J]. 機械設計與制造，2016(2): 263-266.

[3] 黃海濱，柯小龍，林曉輝. 鋁合金機器人砂帶恒定力拋光系統(tǒng)設計及仿真[J]. 重慶理工大學學報（自然科學版），2014, 28(11): 32-36.

[責任編輯：熊玉濤]

Design and Development of a Hybrid Soft Polishing Robot

YUYun-chang

(Department of Mechanical Engineering, Xiamen Ocean Vocational College, Xiamen 361100, China)

In light of the needs of the current polishing enterprises, which are still stuck at the manual operation stage with low production efficiency and unstable quality, a hybrid soft polishing robot system with adaptive polishing contact force is designed to solve the problem. Different kinds of surface such as plane surface and revolved bodies can be polished by the system. A PLC system is used to control a sever motor, a frequency conversion motor and force balancing cylinders to achieve automatic polishing. Experiments show that the efficiency and quality of polishing is improved by using the robot system, which is especially suitable for small and medium polishing enterprises.

hybrid control; soft polishing robots; polishing contact force self-adoption

1006-7302（2018）02-0067-05

TP242

A

2018-03-10

余運昌（1979—），男，福建建寧人，講師，碩士，研究方向為移動機器人、數(shù)控技術(shù).