基于力控與智能編程技術(shù)的機(jī)器人磨拋工藝研究

趙森

摘要：機(jī)器人打磨拋光工藝作為制造業(yè)當(dāng)前智能化發(fā)展的重要技術(shù)之一，結(jié)合機(jī)器人打磨拋光工藝組成以及力控技術(shù)、離線技術(shù)等為基礎(chǔ)，積極對其具體應(yīng)用以及示教編程等進(jìn)行詳細(xì)研究，目的在于更詳細(xì)地了解與認(rèn)識機(jī)器人打磨拋光工藝，挖掘其應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人打磨拋光;傳感器;壓力檢測;示教編程

中圖分類號：TG580.692? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0025-02

0? 引言

機(jī)器人打磨拋光是制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型的重要表現(xiàn)，不僅幫助制造業(yè)提高地制造效率，同時也提高了制造質(zhì)量。市場多元化發(fā)展背景下，制造業(yè)發(fā)展面臨更多挑戰(zhàn)，科學(xué)技術(shù)研究的支持，為機(jī)器人行業(yè)發(fā)展提供了巨大推動力，很多行業(yè)中開始應(yīng)用到機(jī)器人打磨拋光工藝。改善傳統(tǒng)打磨拋光工藝中質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、制造效率低等不足，減少人工打磨壓力。當(dāng)然機(jī)器人打磨拋光工藝應(yīng)用中同樣存在很多影響因素，例如拋光處理所涉及的材質(zhì)以及砂帶、拋光輪、工業(yè)蠟等。結(jié)合具體工藝情況進(jìn)一步完善打磨拋光工藝，提高其應(yīng)用效率。

1? 機(jī)器人打磨拋光系統(tǒng)組成

機(jī)器人打磨拋光工藝的應(yīng)用，運(yùn)行系統(tǒng)包括拋光機(jī)、打磨砂帶機(jī)、壓力傳感器與PLC，此次研究的機(jī)器人打磨拋光系統(tǒng)主要來自機(jī)器人ER50-C10，將系統(tǒng)元件與夾具相契合，組成機(jī)器人打磨拋光閉環(huán)控制系統(tǒng)[1]。機(jī)器人打磨拋光系統(tǒng)運(yùn)行期間，第六軸夾具將在排氣管固定夾持，并轉(zhuǎn)動打磨砂帶機(jī)，將圓形排氣管放置上面，隨后開始打磨處理。壓力傳感器會實時檢測打磨壓力變化，及時轉(zhuǎn)換檢測到的打磨壓力值，將其轉(zhuǎn)化成電信號形式，傳遞到系統(tǒng)的PLC，及時對壓力大小進(jìn)行判斷。

打磨處理過程中，所有數(shù)據(jù)資料都需傳輸至控制系統(tǒng)，結(jié)合打磨規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，控制系統(tǒng)適當(dāng)調(diào)整壓力變化。及時組織多次控制實驗，計算實驗平均壓力值，以此為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整實際打磨中的壓力變化。若打磨期間相較平均值壓力較大，則機(jī)器人需控制六軸，調(diào)整移動反向方向，拉開一些距離，將打磨壓力減小。若相較平均值較小，則需要調(diào)整移動正向方向，并拉開一些距離，將打磨壓力加大。若在平均值可允許范圍之內(nèi)，則根據(jù)正常運(yùn)行即可。機(jī)器人打磨拋光系統(tǒng)需及時對打磨壓力值進(jìn)行控制，由此保證打磨控制流程順利進(jìn)行。具體流程詳見圖1。

2? 機(jī)器人打磨拋光工藝應(yīng)用領(lǐng)域介紹

近些年科學(xué)技術(shù)發(fā)展與制造業(yè)革新成果顯著，機(jī)器人打磨拋光應(yīng)用領(lǐng)域逐漸增加。如打磨領(lǐng)域，對尺寸并沒有較高要求，同時粗糙度規(guī)格較低，拉絲或者內(nèi)墻內(nèi)控去毛刺、工件棱角清理以及孔口螺紋處理等。雖然能夠以手工操作完成，但是操作強(qiáng)度較大，若人工處理效率并不高，同時噪音以及粉塵等還會對工人健康造成傷害。這種情況下就可以應(yīng)用機(jī)器人打磨處理，提高處理效率[2]。亦或是制造工件具有光澤度高標(biāo)準(zhǔn)要求，但是曲面過于復(fù)雜，粗糙度比較高。利用機(jī)器人打磨拋光技術(shù)工藝，有效提高工件光澤度，改善粗糙問題。例汽車外殼相關(guān)部件或者衛(wèi)浴模具等。若工件精度要求非常高，加上外形曲面相對復(fù)雜，粗糙度處理標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，同樣需要應(yīng)用到機(jī)器人打磨拋光，如航空發(fā)動機(jī)葉片或者其他復(fù)雜機(jī)械發(fā)動機(jī)葉片等，葉片本身外形設(shè)計比較特殊，加上結(jié)構(gòu)剛性不是很理想，相對來講材料加工難度大，傳統(tǒng)的銑削工藝已經(jīng)不能達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，因此必須應(yīng)用機(jī)器人打磨拋光工藝深入處理。

3? 機(jī)器人打磨拋光關(guān)鍵技術(shù)介紹

3.1 智能編程基礎(chǔ)上的軌跡規(guī)劃

機(jī)器人打磨拋光技術(shù)應(yīng)用操作，均結(jié)合示教編程基礎(chǔ)引導(dǎo)，合理規(guī)劃軌跡線路。如發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋和汽車排氣管道等，都屬于外形曲面，相對普通工件來講曲面更多、更復(fù)雜，必須合理規(guī)劃打磨軌跡[3]。人工打磨處理不僅效率低，消耗時間與精力多，同時還會出現(xiàn)視覺觀測誤區(qū)或者盲區(qū)，打磨效果不夠理想。以3D模型為參考，制定詳細(xì)具體的打磨拋光處理曲面，及時計算核對打磨拋光參數(shù)，確定參數(shù)后錄入到系統(tǒng)中。具體參數(shù)涉及接觸力、重疊度以及接觸角度以及補(bǔ)償量等[4]。根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)分析，創(chuàng)建拋光打磨模型，調(diào)整磨具轉(zhuǎn)化軌跡，及時在仿真軟件中進(jìn)行打磨軌跡驗證，盡量減少磨具、機(jī)器人等的相互影響。智能編程節(jié)省更多人工處理時間，并持續(xù)性進(jìn)行打磨拋光，不僅將停機(jī)調(diào)整的時間有效縮短，在很大程度上提高工件打磨拋光處理效率。

3.2 人機(jī)交互模式的設(shè)計實施

機(jī)器人打磨拋光工藝中，還包含人機(jī)交互模式，以觸摸屏為載體，主要軟件為MCGS，在Windows平臺支持下，打造機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。觸摸屏人機(jī)交互模式的設(shè)計，不僅可以迅速對現(xiàn)場打磨拋光數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，同時控制整個運(yùn)行流程，以動畫顯示的形式，及時對數(shù)據(jù)信息加以處理。不僅如此，人機(jī)交互模式還具有報警與問題分析等功能。整體上提高機(jī)器人打磨拋光系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，優(yōu)化操作性能。觸摸屏功能中增加變量設(shè)置，搭配系統(tǒng)的界面設(shè)置，實時控制工件加工處理現(xiàn)狀。變量設(shè)置中包括PLC端口、MCGS組態(tài)功能、存儲單元，通過控制通道完成連接，幫助觸摸屏有效控制PLC。根據(jù)PLC編程口的運(yùn)行與控制，及時連接上位機(jī)控制端口，由此實現(xiàn)物理連接，及時傳輸機(jī)器人打磨拋光處理消息，由此實現(xiàn)PLC的有效控制。

3.3 機(jī)器人打磨拋光力控制技術(shù)

力控制技術(shù)的原理主要以力-運(yùn)動為主。很多工件打磨拋光期間對光潔度要求非常嚴(yán)格，并且工件本身存在厚度分布不平均的情況，所有環(huán)節(jié)處理都必須做到精細(xì)化。面對這種情況，必須正視機(jī)器人打磨拋光處理中設(shè)備定位方面的不足，尤其是明顯誤差。必須創(chuàng)新固定軌跡打磨形式，并調(diào)整打磨所應(yīng)用的剛性工具。機(jī)器人打磨拋光中，可以應(yīng)用浮動磨頭，在力反饋作用下，隨時對打磨軌跡進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合力的變化控制打磨運(yùn)行速度[5]。對于表面拋光以及去毛刺等操作，在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加主動力控制執(zhí)行器，能夠?qū)崿F(xiàn)自由度末端靈活控制，在規(guī)定范圍內(nèi)上下浮動，隨時為機(jī)器人運(yùn)行打磨提供恒力輸出，如此便可以將打磨與拋光的處理力度控制到更精準(zhǔn)范圍，順利完成打磨拋光處理的同時，還能夠改善打磨拋光不足，將打磨精度提高。

4? 機(jī)器人打磨拋光工藝運(yùn)行控制

傳統(tǒng)制造業(yè)工件打磨處理中，拋光等編程相對復(fù)雜，不僅需要消耗大量工人資源，同時編程時間較長，常用編程控制方法為點到點示教編程。普通工件制造，涉及的點至少幾百個，多的點甚至上千個，若以傳統(tǒng)示教編程方法進(jìn)行打磨拋光，不僅會增加編程處理時間，若中途出現(xiàn)人工編程差錯，還需要重新檢查編程。以汽車排氣管的打磨拋光處理為例，對示教編程方法展開研究。

①示教編程方法，結(jié)合排氣管打磨拋光具體特點，從打磨起始點開始，設(shè)為A1，依次排序為An、Bn、B1、C1、Cn……其中A1-An、B1-Bn，都包N個點，結(jié)合點個數(shù)，打磨工件的條件以及規(guī)格等，推算出其他點數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計核算發(fā)現(xiàn)打磨程序中涉及點數(shù)為800多個，示教編程處理消耗時間達(dá)10小時。

②智能編程方法，根據(jù)汽車排氣管工件標(biāo)準(zhǔn)以及平面圖，同時綜合打磨特點，設(shè)定最終打磨直徑、AB長度以及CD長度分別為88、104、156，單位為mm。以正面與反面的形式劃分圓形工件，度數(shù)均為180°。智能編程方法的執(zhí)行需提前設(shè)置好點位，分別為兩個點，起始點A、示教點B。打磨示教B點操作完畢，機(jī)器人根據(jù)PLC輸出指令夾持工件向左移動，以β角度逐漸移動，待達(dá)到加工制作工件的左端位置，開始按照β角度向右側(cè)打磨處理。若β角度達(dá)到10°，則機(jī)器人移動的總度數(shù)為20°，按照來回兩次計算。正曲面來回打磨次數(shù)必須≥9次，反曲面打磨次數(shù)同樣需≥9次。打磨處理期間機(jī)器人夾持來回打磨移動的距離會出現(xiàn)一些差異，主要因為起始點打磨與示教點之間打磨距離受到曲面影響會有差異。根據(jù)打磨長度計算，打磨總長156cm，點到點的距離達(dá)到104cm。角度變化情況下，正面打磨磨的距離也會出現(xiàn)變化，逐次增加，增加長度約2.9cm，反面打磨的距離變化與正面相反，逐次遞減，遞減長度約2.9cm。打磨角度設(shè)置主要包括2°、3°、10°，反復(fù)打磨的效果以角度變小最理想。但是機(jī)器人打磨拋光過程中，因為各方面因素影響，精度、穩(wěn)定性會受到影響，無法做到絕對的打磨效果優(yōu)良，所以還需要在打磨中做好檢查工作。打磨期間根據(jù)具體情況靈活旋轉(zhuǎn)打磨中的工件，由此保證打磨處理質(zhì)量。

對兩種示教編程方法進(jìn)行對比，詳見圖2、圖3，根據(jù)打磨圖片觀察，可以發(fā)現(xiàn)，②智能示教編程打磨效果明顯高于①傳統(tǒng)示教編程打磨，不僅打磨軌跡理想，同時質(zhì)量也更高。

5? 結(jié)論

綜上所述，制造業(yè)的發(fā)展關(guān)系著國家經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定與市場發(fā)展需求，機(jī)器人打磨拋光在制造業(yè)中的應(yīng)用，為制造業(yè)提供了更多便利條件。尤其是打磨拋光處理效率明顯提高，減輕人工處理壓力。并且以專有優(yōu)勢提高打磨拋光精度與質(zhì)量。通過對機(jī)器人打磨拋光系統(tǒng)組成與技術(shù)等分析，積極將傳統(tǒng)打磨拋光示教編程與全新智能編程進(jìn)行對比，認(rèn)識到全新智能編程的優(yōu)勢，科學(xué)控制打磨軌跡，減少耗時，取得更理想的打磨效果，從多方面為機(jī)器人打磨拋光的應(yīng)用途徑擴(kuò)展創(chuàng)造有利條件。

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