機(jī)器人打磨拋光智能控制系統(tǒng)研究與開發(fā)探討

周營平

摘 要：本文結(jié)合機(jī)器人打磨拋光項(xiàng)目，對機(jī)器人打磨拋光系統(tǒng)模塊進(jìn)行了闡述，并對機(jī)器人智能打磨拋光控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究與探討。論述了當(dāng)今機(jī)器人打磨拋光現(xiàn)狀，總結(jié)出以恒力打磨拋光裝置和分布式控制方式提高工件打磨拋光質(zhì)量的方法，為機(jī)器人智能打磨拋光的應(yīng)用提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；恒力打磨拋光；智能系統(tǒng)；探討研究

引言

提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本，改善人工作業(yè)環(huán)境是機(jī)器人智能打磨拋光控制系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)。綜合考慮市場環(huán)境和行業(yè)的需要，進(jìn)行打磨拋光機(jī)器人智能控制系統(tǒng)研究與開發(fā)探討是必要的。

1工業(yè)打磨拋光市場環(huán)境

1.1工業(yè)打磨拋光現(xiàn)狀

傳統(tǒng)制造行業(yè)，拋光打磨是最基礎(chǔ)的一道工序，但是其成本占到總成本的30%。打磨拋光件不但品種繁多而且絕大部分外觀復(fù)雜，通常工業(yè)打磨拋光作業(yè)均由人工操作完成，作業(yè)勞動強(qiáng)度大，工作效率低，作業(yè)環(huán)境極差。市場對少部分規(guī)則工件研發(fā)的拋光打磨專機(jī)僅能完成單一的工藝任務(wù)，基本完成不了除原始工藝之外的其他任務(wù)，開發(fā)過程繁瑣且柔性利用性很差，成本昂貴。

1.2打磨拋光機(jī)器人需求

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)、多自由度的機(jī)械一體化自動機(jī)械裝備和系統(tǒng)，它可以接受人類指揮，可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，也可根據(jù)人工智能技術(shù)制定的綱領(lǐng)行動，結(jié)合生產(chǎn)線組成單機(jī)或多機(jī)自動化系統(tǒng)，完成制造過程中某些操作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)。

隨著人口紅利的消失、產(chǎn)品成本降低和產(chǎn)品質(zhì)量提高等要求因素，高工產(chǎn)研機(jī)器人研究所預(yù)計(jì)未來四年中國拋光打磨市場規(guī)模平均增速將超過30%。使用機(jī)器人打磨拋光有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）提高打磨質(zhì)量和產(chǎn)品光潔度，保證其一致性；（2）提高生產(chǎn)率，一天可24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)；（3）改善工人勞動條件，可在有害環(huán)境下長期工作；（4）降低對工人操作技術(shù)的要求；（5）縮短產(chǎn)品改型換代的周期，減少相應(yīng)的投資設(shè)備；（6）可再開發(fā)性，用戶可根據(jù)不同樣件進(jìn)行二次編程。

2打磨拋光機(jī)器人控制系統(tǒng)

對打磨拋光機(jī)器人智能控制系統(tǒng)研究與開發(fā)探討需結(jié)合具體的打磨拋光對象，利用不同的方法實(shí)現(xiàn)。研究、開發(fā)打磨拋光機(jī)器人智能系統(tǒng)需要了解機(jī)器人打磨拋光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分析工件在打磨拋光過程中的各個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，然后研究出最合理的實(shí)現(xiàn)方式。考慮打磨拋光的市場環(huán)境及工件復(fù)雜的打磨軌跡，選用多自由度工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行打磨方案就顯得十分必要了。

本文以6關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人組合專用取料手抓、送料裝置、恒力砂帶機(jī)、恒力拋光機(jī)、抽檢及返修裝置、4工位轉(zhuǎn)臺、沖孔及檢測裝置、桁架下料裝置、總控系統(tǒng)及封閉除塵房等裝置實(shí)現(xiàn)精密鑄鋁件的自動打磨拋光任務(wù)，布局如下（圖1）：

2.1打磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)介紹

流程：人工上料→機(jī)器人1取料→冒口銑削→披鋒打磨→機(jī)器人1下料→抽檢→4工位展臺質(zhì)檢沖孔→不良品分揀→機(jī)器人2半成品取料→打磨拋光→機(jī)器人2成品下料。

打磨拋光智能系統(tǒng)相關(guān)模塊介紹如下：

（1）料倉裝置：人工擺好毛坯，手動啟動系統(tǒng)，氣缸送料裝置自動將工件送至機(jī)器人工作區(qū)域。兩個(gè)獨(dú)立的送料裝置交替作業(yè)解決人工上下料操作時(shí)機(jī)器人停機(jī)等待的問題。

（2）機(jī)器人抓手：抓取物料的夾具安裝在機(jī)器人手臂上，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動地抓取工件并完成打磨拋光作業(yè)。氣缸夾取的方式簡單實(shí)用，應(yīng)用廣泛。

（3）恒力砂帶機(jī)：采用獨(dú)立的系統(tǒng)控制，以一個(gè)變頻異步電機(jī)為主動力源，帶動砂帶旋轉(zhuǎn)。用3個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條，可輸入控制指令設(shè)定打磨力度。當(dāng)打磨工件時(shí)，砂帶的受力傳遞給伺服電機(jī)，系統(tǒng)通過對伺服電機(jī)力矩及電流變化進(jìn)行換算輸出來驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)工件和砂帶的接觸力恒定。為避免砂帶跑偏，系統(tǒng)設(shè)置砂帶自動糾偏裝置。

（4）恒力拋光機(jī)：采用獨(dú)立的系統(tǒng)控制，恒定伺服力矩及電流的變化實(shí)時(shí)進(jìn)給麻輪位置，使工件拋光接觸力恒定。步進(jìn)電機(jī)推送實(shí)現(xiàn)固體打蠟功能。

（5）總控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與各打磨拋光裝置的I/O信號對接，采用管理層、監(jiān)控層和設(shè)備層三級網(wǎng)絡(luò)對整生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)度、管理，接受車間生產(chǎn)計(jì)劃，完成自動化生產(chǎn)。

（6）抽檢及修補(bǔ)裝置：為避免機(jī)器人打磨拋光工件的打磨缺陷及機(jī)器人打磨拋光時(shí)間的充分利用，定時(shí)送出一個(gè)打磨工件給人工質(zhì)檢。不合格工件人工執(zhí)行系統(tǒng)指令使機(jī)器人執(zhí)行區(qū)域修補(bǔ)程序。

（7）桁架取料裝置：采用氣缸組合成三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，形成與生產(chǎn)線的協(xié)同動作，控制簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

（8）工件檢測系統(tǒng)：本方案防爆傳感器檢測重要孔位的毛刺殘存高度，給出產(chǎn)品性能指標(biāo)的檢測及判斷信號，使桁架裝置執(zhí)行取料下料動作。工件打磨拋光后表面蠟?zāi)ゐみB及缺陷瑕疵的識別難度，使視覺檢測存在誤差，需進(jìn)一步地進(jìn)行研究解決。受制于傳感器應(yīng)用技術(shù)，拋光面的檢測由人工完成。

（9）離線仿真：產(chǎn)線生產(chǎn)前生成工件打磨拋光程序及產(chǎn)線過程模擬程序，配合生產(chǎn)時(shí)的產(chǎn)線參數(shù)優(yōu)化，可縮短生產(chǎn)工期，避免不必要返工。

（10）除塵防爆。建立相對封閉的拋光打磨間，隔離產(chǎn)生粉塵的工序，所有設(shè)備及可導(dǎo)電物做接地連接，電氣設(shè)備、照明設(shè)備均選用防爆類型。各打磨拋光裝置連接-20kPa的高負(fù)壓除塵系統(tǒng)，從源頭開始收集粉塵，管道中設(shè)壓力傳感器和單向隔離閥，粉塵過濾器設(shè)耐壓、泄壓、抑制及隔離等保護(hù)措施預(yù)防并治理粉塵爆炸。

2.2打磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)研究

對于目前常用的集中式控制系統(tǒng)來說，易于實(shí)現(xiàn)且比較簡單，但是存在不足和缺陷，比如機(jī)器人的靜態(tài)誤差以及使用過程中的動態(tài)性能指標(biāo)對于打磨拋光來說很難達(dá)到要求，控制系統(tǒng)的綜合工作能力及運(yùn)行水平有所局限，滿足不了高質(zhì)量水準(zhǔn)。本文中機(jī)器人控制系統(tǒng)將交流伺服電機(jī)的電流環(huán)和速度環(huán)由伺服驅(qū)動器控制，由運(yùn)動控制器完成電機(jī)轉(zhuǎn)動角度位置環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)分布式控制。本文中打磨拋光裝置采用獨(dú)立恒力系統(tǒng)控制解決機(jī)器人運(yùn)行誤差，調(diào)試及使用方便、研制周期短、可靠性高。各產(chǎn)線打磨模塊單元比較分散，因此，智能打磨拋光控制采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與產(chǎn)線功能部件I/O對接，進(jìn)行信息交互，協(xié)調(diào)各單元工作。

2.3打磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)探討

通過對打磨拋光機(jī)器人的分析，采用PID的控制算法來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂的運(yùn)動，運(yùn)動的精度存在一定缺陷，并不能完全保證打磨拋光物品的質(zhì)量和百分之百的成功率。考慮在機(jī)器人手臂安裝壓力傳感器及打磨效果檢測傳感器，實(shí)時(shí)傳輸效果數(shù)據(jù)修正打磨軌跡，將改進(jìn)現(xiàn)有打磨拋光機(jī)器人的不足之處。

當(dāng)今國內(nèi)用到六維力傳感器及效果檢測傳感器的打磨機(jī)器人產(chǎn)品很少。應(yīng)用技術(shù)不成熟及價(jià)格高是力傳感器進(jìn)入工業(yè)級領(lǐng)域的最大門檻，一個(gè)六維力傳感器或效果檢測傳感器的價(jià)格高達(dá)幾萬，加上力控及檢測傳感器的應(yīng)用軟件研發(fā)復(fù)雜，致使成套力控或外觀檢測系統(tǒng)幾乎比打磨機(jī)器人本體的價(jià)格還貴，這是令企業(yè)糾結(jié)的問題。市場小、采購量不大導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；纳a(chǎn)，而價(jià)格高又使得很多企業(yè)望而卻步，由此構(gòu)成了一個(gè)死循環(huán)，如何突破這個(gè)循環(huán)，也是目前面臨的一個(gè)難點(diǎn)問題。

3結(jié)語

文中根據(jù)行業(yè)發(fā)展結(jié)合公司自有產(chǎn)品及相關(guān)客戶需求，對機(jī)器人智能打磨拋光控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究：可以采用分布式控制系統(tǒng)代替集中式控制；可研發(fā)高精度離線仿真軟件，研發(fā)壓力、效果監(jiān)測等傳感器，從而提高工件打磨質(zhì)量、產(chǎn)品表面光潔度及機(jī)器人打磨拋光工作效率。

參考文獻(xiàn)

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