高效數(shù)控多軸柔性機(jī)器人鍋底磨砂系統(tǒng)的研發(fā)

李 斌

（廣東利迅達(dá)機(jī)器人系統(tǒng)股份有限公司，廣東佛山，528000）

0 引言

在日常生活中，人們對(duì)鍋的要求不僅僅在實(shí)用性上，其美觀程度亦很重要。在生產(chǎn)，鍋底需不同的砂紋以滿足設(shè)計(jì)和功能需要，但在勞動(dòng)力緊張的環(huán)境下，砂光工藝采用手工作業(yè)不僅會(huì)制約行業(yè)的發(fā)展，還容易產(chǎn)生工傷。為解決當(dāng)前鍋底打磨砂光生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高的問(wèn)題，本文研究設(shè)計(jì)高效數(shù)控多軸柔性機(jī)器人磨砂系統(tǒng)，以滿足行業(yè)發(fā)展的需求。

1 磨砂系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 規(guī)格多樣化

用戶要求高效數(shù)控多軸柔性機(jī)器人磨砂系統(tǒng)解決方案，必須適應(yīng)加工產(chǎn)品規(guī)格多樣化的要求,并能實(shí)現(xiàn)快速換線,提高效率。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成手動(dòng)調(diào)節(jié)和參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能相配合，以適應(yīng)多規(guī)格產(chǎn)品及尺寸變化，大幅降低生產(chǎn)成本。

針對(duì)尺寸規(guī)格變化較小的產(chǎn)品，本系統(tǒng)無(wú)需調(diào)節(jié)，用戶只需通過(guò)操作屏幕進(jìn)行參數(shù)設(shè)置即可；針對(duì)尺寸規(guī)格變化較大的產(chǎn)品，用戶可通過(guò)快捷手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行大尺寸調(diào)節(jié)，大幅降低設(shè)備無(wú)效運(yùn)行時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)單件生產(chǎn)效率較以前人工作業(yè)提高4倍以上。

1.2 參數(shù)調(diào)節(jié)

用戶要求設(shè)備磨砂速度、進(jìn)給速度、磨砂精度等的參數(shù)可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)和設(shè)置，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精密驅(qū)動(dòng)。因此，本系統(tǒng)主設(shè)備采用伺服驅(qū)動(dòng)控制，精密絲桿、精密直線運(yùn)動(dòng)裝置及精密齒輪傳動(dòng)、同步輪傳動(dòng)等結(jié)構(gòu)，確保設(shè)備速度及位置的精密控制和驅(qū)動(dòng)；采用參數(shù)化操作模式，磨砂進(jìn)給量、磨砂速度、磨砂行程、磨輪速度、產(chǎn)品轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵要素均可通過(guò)觸摸操作屏幕進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置和操作，操作更加簡(jiǎn)單，降低了對(duì)操作者的技能要求，提高設(shè)備的穩(wěn)定性。

磨砂系統(tǒng)各參數(shù)調(diào)節(jié)界面如圖1所示。

圖1 磨砂系統(tǒng)各參數(shù)調(diào)節(jié)界面

1.3 平衡控制

用戶要求設(shè)備的各驅(qū)動(dòng)部件在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必須保持平穩(wěn)，不能出現(xiàn)抖動(dòng)。因此，本系統(tǒng)采取平衡性的控制設(shè)計(jì)，機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)和氣缸氣動(dòng)平衡有效結(jié)合，采用氣動(dòng)平衡裝置降低系統(tǒng)傳動(dòng)裝置負(fù)載，使設(shè)備運(yùn)行更加順暢、無(wú)沖擊、穩(wěn)定性高，并大幅降低系統(tǒng)成本。磨砂系統(tǒng)氣動(dòng)平衡裝置如圖2所示。

圖2 鍋底磨砂系統(tǒng)氣動(dòng)平衡裝置

1.4 精準(zhǔn)裝夾

用戶要求設(shè)備的定位和夾緊裝置必須能夠快速裝夾定位，并能在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中保證產(chǎn)品夾持準(zhǔn)確和穩(wěn)定。因此，本系統(tǒng)的定位夾緊裝置采用真空吸附與高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有效配合，以實(shí)現(xiàn)無(wú)限旋轉(zhuǎn)功能。

磨砂系統(tǒng)定位夾緊裝置如圖3所示。系統(tǒng)定位夾緊可靠，內(nèi)藏式氣路設(shè)計(jì)密封性好，無(wú)外置氣路原件，故障率極低，動(dòng)作簡(jiǎn)潔，作業(yè)效率高，同時(shí)大幅降低產(chǎn)品作業(yè)過(guò)程中表面劃傷風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 磨砂系統(tǒng)定位夾緊裝置

1.5 靈活上下料

用戶要求設(shè)備在極其有限的空間里實(shí)現(xiàn)高精度及快速上下料。因此，本系統(tǒng)的上下料采用精密齒輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和直線豎直運(yùn)動(dòng)巧妙結(jié)合，磨砂系統(tǒng)上下料裝置如圖4所示，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和上下抓料均運(yùn)行可靠，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小。

圖4 磨砂系統(tǒng)上下料裝置

1.6 磨砂效果一致性

用戶要求磨砂系統(tǒng)必須適應(yīng)產(chǎn)品的不規(guī)則變形，同時(shí)還要保證鍋底最終磨砂效果的一致性。因此，本磨砂系統(tǒng)采用獨(dú)立力控進(jìn)行調(diào)節(jié)，力控部分采用彈性機(jī)械和精密氣壓綜合調(diào)節(jié)，靈敏度高，可有效適應(yīng)產(chǎn)品的不規(guī)則變形；砂帶彈性補(bǔ)償，快速靈敏。磨砂系統(tǒng)力控調(diào)節(jié)裝置如圖5所示。

圖5 磨砂系統(tǒng)力控調(diào)節(jié)裝置

2 磨砂系統(tǒng)核心控制設(shè)計(jì)

2.1 電氣元器件選型

高效數(shù)控多軸柔性機(jī)器人磨砂系統(tǒng)的核心是采用伺服驅(qū)動(dòng)控制，精密絲桿、精密直線運(yùn)動(dòng)裝置及精密齒輪傳動(dòng)、同步輪傳動(dòng)等結(jié)構(gòu)，確保設(shè)備速度及位置的精密控制和驅(qū)動(dòng)。PLC控制系統(tǒng)的選擇重點(diǎn)考慮，I/O點(diǎn)數(shù)、通信模式等?？紤]到整個(gè)設(shè)備配置的檔次及售后維護(hù)等方面，觸摸屏選擇臺(tái)達(dá)DOP-B10S411，PLC選擇臺(tái)達(dá)DVP10MC11T（I/O點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際需求配置不同擴(kuò)展模塊），伺服系統(tǒng)以及伺服電機(jī)都是選擇臺(tái)達(dá)品牌的產(chǎn)品，根據(jù)各傳動(dòng)部分的實(shí)際要求確定伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式、計(jì)算負(fù)載慣量和慣量比、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，最終選定合適的伺服電機(jī)。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合伺服電機(jī)的選型手冊(cè)選定最佳的伺服電機(jī)（注：因有一驅(qū)動(dòng)軸采取垂直安裝，故選擇一款帶剎車的伺服電機(jī)）。鍋底磨砂系統(tǒng)電氣元器件清單見(jiàn)表1。

表1 鍋底磨砂系統(tǒng)電氣元器件清單

2.2 設(shè)計(jì)電路圖

根據(jù)鍋底磨砂工藝皮帶線上料—千葉輪粗打磨—砂帶臂精打磨—皮帶線下料的要求，以及磨底機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理，觸摸屏與PLC的通信方式采取RS232，PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器的通信方式采取CANopen，設(shè)計(jì)電路原理圖如圖6a-6d所示。

圖6 a 鍋底磨砂系統(tǒng)主電路控制原理

圖6 b 鍋底磨砂系統(tǒng)X軸控制原理

圖6 c RS232接口連接圖

圖6 d CANopen接口連接圖

2.3 設(shè)計(jì)氣路控制圖

根據(jù)磨底機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理及氣動(dòng)元器件，設(shè)計(jì)氣路控制圖如圖7所示。

圖7 鍋底磨砂系統(tǒng)局部氣路控制原理

2.4 PLC編程

根據(jù)磨底機(jī)的動(dòng)作時(shí)序要求，以及電路原理圖、氣路控制圖編寫PLC程序，整個(gè)數(shù)控多軸柔性機(jī)器人磨砂系統(tǒng)的PLC程序由初始化程序、數(shù)據(jù)處理程序、手動(dòng)控制程序、單步運(yùn)行程序、自動(dòng)運(yùn)行程序、觸摸屏控制程序、報(bào)警處理程序、控制輸出程序等子程序組成。PLC數(shù)據(jù)處理子程序指令見(jiàn)表2。

表2 PLC數(shù)據(jù)處理子程序指令

圖8 a 系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置畫面

圖8 b 系統(tǒng)打磨拋光工藝參數(shù)設(shè)置畫面

表3 系統(tǒng)基本參數(shù)名稱及釋義

表4 系統(tǒng)打磨拋光各工藝參數(shù)名稱及釋義

3 磨砂系統(tǒng)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)多規(guī)格產(chǎn)品及尺寸變化，令用戶既可通過(guò)操作系統(tǒng)屏幕進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，也可通過(guò)快捷手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行大尺寸的調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)采用參數(shù)化操作模式，磨砂進(jìn)給量、磨砂速度、磨砂行程、磨輪速度、產(chǎn)品轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵要素均可通過(guò)觸摸屏幕進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置和操作。結(jié)合鍋底人工磨砂工藝，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，我們最終調(diào)試出一套完整的磨砂系統(tǒng)工藝參數(shù)庫(kù)。

圖8a和圖8b分別為系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置畫面、系統(tǒng)打磨拋光工藝參數(shù)設(shè)置畫面，表3和表4分別為系統(tǒng)基本參數(shù)名稱及釋義、系統(tǒng)打磨拋光各工藝參數(shù)名稱及釋義。

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，高效數(shù)控多軸柔性機(jī)器人鍋底磨砂系統(tǒng)實(shí)際磨砂效果超出客戶的預(yù)期需求。如圖9是鍋底磨砂系統(tǒng)示意圖，圖10是鍋底實(shí)際磨砂效果。

圖9 鍋底磨砂系統(tǒng)示意圖

圖10 鍋底實(shí)際磨砂效果

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)和生產(chǎn)驗(yàn)證表明，高效數(shù)控多軸柔性磨砂系統(tǒng)能使單件生產(chǎn)效率較以前提高4倍以上，產(chǎn)品的不良率降低60%以上，產(chǎn)品生產(chǎn)成本降至通用系統(tǒng)的1/5。在進(jìn)行打磨作業(yè)時(shí)，投入單套鍋底磨砂系統(tǒng)不僅可將原打磨作業(yè)人數(shù)減少4人，而且鍋底磨砂系統(tǒng)能夠24h連續(xù)工作，工作時(shí)間是工人的3倍，相當(dāng)于將原打磨作業(yè)人數(shù)減少12人。該系統(tǒng)投入市場(chǎng)，不僅能改善工人工作環(huán)境，減少生產(chǎn)過(guò)程中粉塵對(duì)工人的健康危害，而且員工在清潔的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，還能提高工作積極性和歸屬感，為企業(yè)制造升級(jí)轉(zhuǎn)型提供有效方案。

高效數(shù)控多軸柔性機(jī)器人磨砂系統(tǒng)具有高可靠性、高穩(wěn)定性，打磨鍋底紋理清晰、均勻、外形美觀，可有效提升鍋類制品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本系統(tǒng)打磨出的產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)已全面超過(guò)國(guó)外同類產(chǎn)品，其系統(tǒng)的研發(fā)在國(guó)內(nèi)屬首創(chuàng)，不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)處理鍋底打磨工藝的技術(shù)空白，還打破了國(guó)外技術(shù)的壟斷。高效數(shù)控多軸柔性機(jī)器人鍋底磨砂系統(tǒng)在2012-2014年實(shí)現(xiàn)銷售收入425萬(wàn)元。