去毛刺機(jī)器人打磨站設(shè)計(jì)

沈 濤，王 強(qiáng)，張?zhí)煸?/p>

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓 644000）

0 引言

異形殼體零件具有小批量、多品種的特點(diǎn)，在生產(chǎn)的過程中零件表面不可避免地會出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象。毛刺現(xiàn)象的出現(xiàn)嚴(yán)重影響零件產(chǎn)品質(zhì)量和表面光潔度。由于異形件的產(chǎn)品特性，目前去毛刺的工序主要依靠技術(shù)工人手工實(shí)現(xiàn)，大大增加了技術(shù)工人的勞動強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)效率，且去毛刺效果不穩(wěn)定。采用力位反饋機(jī)器人根據(jù)異形殼體零件分析設(shè)計(jì)出柔性去毛刺裝備，實(shí)現(xiàn)了工藝柔性化，過程數(shù)據(jù)監(jiān)控可視化。

1 立式打磨裝置總體方案設(shè)計(jì)

異形殼體零件表面為空間立體形貌，被打磨毛刺形態(tài)、頑固程度不同，打磨裝置為整個(gè)打磨工作站的末端分部件，可實(shí)現(xiàn)對被打磨表面的跟隨運(yùn)動、對毛刺的打磨去除等功能，其工藝流程如圖1 所示。

圖1 打磨裝置工藝流程

2 機(jī)器人去毛刺的離線編程軌跡生成方法

軌跡規(guī)劃是機(jī)器人去毛刺加工的先決條件，利用工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件在計(jì)算機(jī)中自動生成軌跡規(guī)劃，虛擬運(yùn)行無誤后將自動生成的機(jī)器人運(yùn)行程序拷貝至機(jī)器人示教器中，空載試運(yùn)行程序的正確性，這里主要以手動操作實(shí)現(xiàn)。待空載運(yùn)行無誤后將異形件產(chǎn)品加載至工業(yè)機(jī)器人工作臺上試運(yùn)行，如有誤差可微調(diào)，如無誤可設(shè)置為自動運(yùn)行開展自動去毛刺加工，離線生產(chǎn)自動運(yùn)動軌跡流程如圖2 所示。

圖2 離線生產(chǎn)自動運(yùn)動軌跡流程

3 基于位置環(huán)與力度環(huán)協(xié)同控制分析

由于機(jī)械加工后（車、銑、鍛、鑄等）出現(xiàn)在零件表面的毛刺會存在大小和硬度的差別，且同種零件不同批次下產(chǎn)生的毛刺位置也各不相同。若機(jī)器人末端執(zhí)行器的進(jìn)給速度為恒定值，易產(chǎn)生系統(tǒng)不良振動、磨頭損壞等問題且毛刺去除效率低，故需根據(jù)工件表面毛刺的實(shí)際分布情況，動態(tài)調(diào)整機(jī)器人去毛刺磨頭速度，以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)剛性較強(qiáng)、磨頭損壞率較低、表面質(zhì)量較好的要求下實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的最大化。

在加工過程中，零件與磨頭的相對運(yùn)動均需保持較高的位置精度。機(jī)器人去毛刺過程中，機(jī)器人通過控制末端磨頭完成對位置指令的響應(yīng)，位置指令的響應(yīng)速度取決于機(jī)器人關(guān)節(jié)插補(bǔ)速度，要想實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端移動速度與目標(biāo)接觸力的控制，首先要建立機(jī)器人去毛刺磨頭與工件接觸表面的作用力模型，機(jī)器人去毛刺時(shí)磨頭與零件接觸作用力如圖3 所示。

圖3 機(jī)器人末端刀具與環(huán)境接觸作用示意

3.1 立式浮動打磨頭設(shè)計(jì)參數(shù)

浮動打磨裝置位于整個(gè)打磨工作站最頂層傳動鏈，其主要采用懸臂安裝方式與機(jī)械手相聯(lián)，因此首先基于性能評價(jià)指標(biāo)和空間布局確定浮動打磨裝置的空間尺寸，進(jìn)而確立其與機(jī)械手的相對安裝方式。依照機(jī)械手的承載能力對浮動打磨裝置的總重量進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)一步確定各驅(qū)動電機(jī)質(zhì)量、所涉及的彈簧剛度和長度、滑軌長度和精密度等結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)?；谝陨弦螅紫鹊玫礁哟蚰パb置的主要設(shè)計(jì)性能指標(biāo)見表1。

表1 浮動打磨裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

立式安裝適合對較小的平面、細(xì)長平面、零件邊緣、棱邊等進(jìn)行打磨，機(jī)械手受力多為沿機(jī)械手末端的軸向力，且立式安裝的周向尺寸相對緊湊，對工作空間的尺寸要求小。并對比立式、臥式安裝方式與打磨控制（圖4），本方案選用立式安裝方式。

圖4 安裝方式與打磨控制

3.2 機(jī)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

由于打磨過程中毛刺的形狀、大小等參數(shù)具有隨機(jī)性，因此需要設(shè)計(jì)浮動跟隨平臺以滿足恒力打磨和自適應(yīng)緩沖的設(shè)計(jì)要求，如圖5 所示。

圖5 浮動平臺原理及零部件示意

作為自適應(yīng)浮動的關(guān)鍵部件，彈簧在工作時(shí)一直受到來自磨頭的高頻微振幅載荷沖擊，考慮高速電機(jī)轉(zhuǎn)速1200～3000 r/min，因此選用60Si2CrVA 材料的彈簧，以滿足高頻往復(fù)運(yùn)動需求。同時(shí)根據(jù)絲桿的外形尺寸選用常規(guī)圓柱截面彈簧，并在單側(cè)采用兩組并排布局且將彈簧嵌套于直線絲桿上，絲桿即作為活動板驅(qū)動桿，絲桿預(yù)緊桿也可作為絲桿引導(dǎo)桿，以減輕單組彈簧受壓后引起的側(cè)彎偏載和受力不均等問題。進(jìn)一步采用雙側(cè)4 組彈簧加2 組滑軌并行排布，以對活動板的運(yùn)動進(jìn)行引導(dǎo)，由此得到彈簧驅(qū)動、滑軌引導(dǎo)的力與位移雙穩(wěn)定布局。根據(jù)裝置可能的輸出力和浮動范圍，初選彈簧的彈性系數(shù)為2.5 N/mm，浮動行程為3 mm，并選擇較高的預(yù)壓縮量。導(dǎo)軌選用中載精密直線導(dǎo)軌以減少摩擦力。采用組合式微型伺服電機(jī)代替伺服電機(jī)加齒輪齒條/蝸輪蝸桿減速箱的分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以節(jié)約空間尺寸。

相關(guān)物理量檢測方式為：彈簧的受力由安裝在彈簧末端的壓力傳感器測量，并將其轉(zhuǎn)化為0～10 V 電壓信號或4～20 mA電流信號，輸出方式為RS485 或RS232 接口，可配套LZ-800 系列顯示器直接讀取或采集模塊接入網(wǎng)路系統(tǒng)。

六維力傳感器主要用作對浮動打磨裝置狀態(tài)進(jìn)行檢查，并在打磨頭受力超限之后進(jìn)行聯(lián)動報(bào)警功能。

浮動打磨機(jī)構(gòu)主要由4 組彈簧絲桿組成的預(yù)緊彈簧組、預(yù)緊電機(jī)和導(dǎo)向滑軌組成的浮動平臺、高速主軸和快速更換磨頭組成的打磨機(jī)構(gòu)及防爆外殼、六維力監(jiān)測裝置等輔助零部件。浮動平臺主要是實(shí)現(xiàn)高速打磨機(jī)構(gòu)與異形殼體打磨腔的跟隨運(yùn)動，高速主軸打磨機(jī)構(gòu)主要作用是實(shí)現(xiàn)毛刺打磨，六維力監(jiān)測器主要是對打磨過程中磨頭的受力進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警，不參與隨動調(diào)節(jié)，外殼主要其隔爆和聯(lián)接安裝作用。

3.3 浮動平臺設(shè)計(jì)

浮動平臺在工作過程中需要使高速主軸打磨機(jī)構(gòu)與異形殼體打磨腔的微毛刺之間跟隨運(yùn)動，隨著毛刺的打磨減小實(shí)現(xiàn)恒打磨力控制，因此采用4 組彈簧絲桿組成預(yù)緊彈簧組、以預(yù)緊電機(jī)驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)。由于配套活動板被每側(cè)兩組絲桿限定了周向運(yùn)動自由度，因此可以利用螺旋副將絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為活動板沿絲桿軸向的直線運(yùn)動。

3.4 機(jī)械零部件設(shè)計(jì)

浮動打磨裝置的整機(jī)重量及尺寸均需要以最小參數(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)盡量緊湊，以達(dá)到與機(jī)械手尺寸協(xié)調(diào)的目的。打磨過程中，毛刺主要依靠精密芝麻磨頭的磨削完成，浮動平臺僅提供磨頭與毛刺間的預(yù)緊壓力，保證磨削工作的正常運(yùn)行。考慮到安裝和整體協(xié)調(diào)，與絲桿配套的彈簧內(nèi)徑略大于絲桿外徑2～4 mm 即可，并作不磨平處理，以保證可靠的彈性系數(shù)。

本設(shè)計(jì)采用電機(jī)驅(qū)動，絲桿螺母傳動，彈簧施加彈性預(yù)緊力矩。由于彈簧在工作時(shí)一直受到來自磨頭的高頻微振幅載荷沖擊，考慮高速電機(jī)轉(zhuǎn)速1200～3000 r/min，其作用過程類似內(nèi)燃機(jī)氣閥等處需要高頻往復(fù)的彈簧，因此選用60Si2CrVA 材料的彈簧，以滿足高頻往復(fù)運(yùn)動，其抗拉強(qiáng)度δb為1860 MPa，屈服強(qiáng)度δs為1665 MPa，按照彈簧全螺圈壓縮（即螺圈全部緊貼至自由伸長為1 次壓縮）計(jì)算其使用壽命為：

若磨頭每轉(zhuǎn)動1 周，彈簧往復(fù)微振動1 次，則一組浮動平臺中彈簧的使用壽命可由經(jīng)驗(yàn)公式得到：

考慮單側(cè)兩組絲桿并排設(shè)置，浮動平臺整個(gè)部件尺寸不超過150 mm，選用彈簧內(nèi)徑為18 mm，線材直徑2 mm，剛度系數(shù)選用2.5 N/mm，總?cè)?shù)20 圈，節(jié)距5 mm，自由長度150 mm，初始安裝預(yù)壓縮量5 mm，往復(fù)運(yùn)動最大壓縮量3 mm。同時(shí)根據(jù)絲桿的截面形狀，選用常規(guī)圓柱截面彈簧，并采用兩組并排布局且將彈簧嵌套于直線絲桿。絲桿需要滿足：①在彈簧內(nèi)部自由運(yùn)動，絲桿旋轉(zhuǎn)與彈簧壓縮運(yùn)動互不干擾；②絲桿與彈簧具有整體協(xié)調(diào)性和較高的運(yùn)動精度。

由于彈簧最大壓縮量為5+3=8 mm，單組彈簧剛度系數(shù)為2.5N/mm，因此4 組彈簧的最大壓力為：

因此壓力傳感器量程選用為0～10 kg，測量精度為0.3 N。

該機(jī)構(gòu)中預(yù)緊彈簧的驅(qū)動力由驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動絲桿得到，由此當(dāng)彈簧達(dá)到最大壓縮量時(shí)，仍需要保證彈簧的正常驅(qū)動，結(jié)合絲桿直徑16 mm，彈簧最大壓力80 N，計(jì)算此時(shí)絲桿所需的驅(qū)動力矩。

首先計(jì)算絲桿的螺旋角：

絲桿螺旋傾角受力如圖6 所示。設(shè)此時(shí)為驅(qū)動絲桿正常選擇，需要得到的驅(qū)動力矩為：

圖6 絲桿驅(qū)動受力

查找工具手冊，可知不銹鋼的性能參數(shù)（表2）。選擇潤滑滾動摩擦0.1 作為本次設(shè)計(jì)的摩擦因數(shù)，帶入上式可知最小驅(qū)動力矩為M=95.4 N/mm。

表2 不銹鋼材料各條件下因數(shù)

4 視覺測量與定位

機(jī)器視覺系統(tǒng)采用工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)，其可將標(biāo)定產(chǎn)品的光信號轉(zhuǎn)化為有序的電信號反饋至控制系統(tǒng)，其運(yùn)行模式由總控決定，對采集圖像的質(zhì)量、分辨率、色彩飽和度等參數(shù)起到至關(guān)重要的作用。

4.1 視覺測量

采用局部閾值法，根據(jù)采集圖像不同區(qū)域的亮度分布自動計(jì)算圖像的局部閾值，同時(shí)結(jié)合質(zhì)心法計(jì)算采集到的數(shù)據(jù)，提高測試精度。通過粗定位的圓心和半徑對Canny 算子檢測到的邊緣進(jìn)行半徑約束，以消除孤立點(diǎn)和噪聲點(diǎn)，確定其像素級邊緣，粗定邊緣擬合出橢圓方程，粗定圓心。利用徑向截面掃描確定邊緣梯度，基于大津法進(jìn)行邊緣梯度閾值確定。將徑向上的梯度幅值經(jīng)過閾值過濾后得到許多連續(xù)的片段，取包含粗定邊緣的連續(xù)區(qū)域得到徑向邊緣區(qū)域，利用區(qū)域內(nèi)梯度值作為補(bǔ)充信息，采用梯度質(zhì)心法確定亞像素級邊緣，并用最小二乘橢圓擬合法計(jì)算得到圓心像素坐標(biāo)，通過校準(zhǔn)相機(jī)獲取相機(jī)的內(nèi)部以及外部參數(shù)和相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系得出圓心的世界坐標(biāo)。將所得O、O1、O2圓心坐標(biāo)建立平面OO1O2，并建立以圓心O 為坐標(biāo)原點(diǎn)，平面OO1O2為XOY，過圓心O垂直于XOY 的法向量為Z 軸的坐標(biāo)系（圖7），確定為工件坐標(biāo)系。

圖7 工件坐標(biāo)系

4.2 視覺定位

由于相機(jī)安裝方式的差別，手眼關(guān)系可以分為Eye_in_hand和Eye_to_hand 兩種模式。Eye_in_hand 將工業(yè)相機(jī)加裝在機(jī)械臂上，工業(yè)相機(jī)隨著機(jī)械臂一起運(yùn)動，這種安裝方式有著較好的靈活性，但穩(wěn)定性不高。而Eye_to_hand則是將工業(yè)相機(jī)安裝在機(jī)器人以外的固定位置，這種安裝方法具有較大的視野范圍和較好的穩(wěn)定性。

在進(jìn)行手眼標(biāo)定的過程時(shí)，需要求取機(jī)器人坐標(biāo)系O3-X3Y3Z3、末端連桿坐標(biāo)系O2-X2Y2Z2、工具坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1、工件坐標(biāo)系OC-XCYCZC以及相機(jī)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

整個(gè)系統(tǒng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中：BTC為相機(jī)相坐標(biāo)系對于機(jī)器人坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，求取它是實(shí)現(xiàn)手眼標(biāo)定的目的。BTE為機(jī)器人末端連桿坐標(biāo)系相對于機(jī)器人基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，能夠從機(jī)器人的示教器中讀取，故視為已知量；ETT是工具坐標(biāo)系相對于機(jī)器人末端連桿坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，通過工具坐標(biāo)系標(biāo)定獲得；TTM為工件坐標(biāo)系相對于工具的轉(zhuǎn)換矩陣，可以使用經(jīng)典的手眼標(biāo)定算法獲得；MTC是相機(jī)相對于工件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，即相機(jī)的外參，通過相機(jī)標(biāo)定獲得，故視為已知量。在完成工具坐標(biāo)系標(biāo)定和相機(jī)標(biāo)定后，只需求解出工具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣TTM即可計(jì)算出BTC，從而通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)機(jī)器人打磨工件的初始定位。

5 小結(jié)

本文分析設(shè)計(jì)的機(jī)器人打磨站可實(shí)現(xiàn)程序離線輸入，去毛刺動作軌跡自動生成，過程數(shù)據(jù)監(jiān)控可視化，滿足異形殼體零件打磨生產(chǎn)實(shí)際需求。打磨裝置具備力反饋與位置反饋控制、打磨力動態(tài)顯示及安全自檢功能，能夠通過人機(jī)交互式界面動態(tài)觀察工作參數(shù)（打磨力、位置、完成度等）并輔以軟件系統(tǒng)自動匹配相關(guān)參數(shù)，并具有打磨力超限報(bào)警功能，解決了異形殼體零件去毛刺生產(chǎn)系統(tǒng)不良振動、磨頭損壞且毛刺去除效率低等問題，實(shí)現(xiàn)了毛刺裝備工藝柔性化生產(chǎn)。

宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目：①基于視覺測量與軌跡規(guī)劃的力位反饋機(jī)器人打磨站設(shè)計(jì)，項(xiàng)目編號：21ZRYB-03；②智能采摘機(jī)器人創(chuàng)新平臺，項(xiàng)目編號為ybzy21kypt-08。