機(jī)器人末端打磨執(zhí)行器設(shè)計與開發(fā)

夏海渤，劉占磊，李 睿，王 浩

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

1 引言

軌道交通車輛作為重大裝備以突出的技術(shù)優(yōu)勢已經(jīng)成為中國數(shù)字化、智能化高端制造業(yè)的國家名片。高負(fù)荷、多環(huán)境和多動態(tài)的特點(diǎn)決定了其對車體表面的涂裝要求非常嚴(yán)格。軌道交通車輛車體表面大部分是復(fù)雜曲面，且對過渡細(xì)節(jié)處有嚴(yán)格要求。車體表面在噴漆前，需將膩?zhàn)油渴┯诘灼嵘希靡郧宄叩筒黄降娜毕輀1]。在膩?zhàn)庸瓮窟^程中，由于操作人員先后兩次涂刮的銜接偏差以及刮刀變形等原因，導(dǎo)致車體表面的膩?zhàn)哟嬖谳^多凸棱和搭口等[2]。故必須通過打磨消除此類缺陷，以提高后續(xù)涂裝質(zhì)量，保證軌道交通車輛安全運(yùn)行。

目前軌道交通車輛打磨大部分采用工人手持打磨機(jī)打磨的方式，受限于個人技能水平，打磨方式不規(guī)范，不可控的偶然性因素眾多[3]。而機(jī)器人打磨系統(tǒng)具有人工打磨不可比擬的優(yōu)勢，取代人工打磨是必然趨勢。文獻(xiàn)[4]提供了一種包含工具主頭和打磨母頭的機(jī)器人末端打磨工具，可實(shí)現(xiàn)磨料自動更換、打磨過程中除塵。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于自適應(yīng)建模方法的磨削機(jī)器人控制參數(shù)的離線規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[6]提供了一種打磨力控裝置以及設(shè)置有該裝置的打磨機(jī)。從諸多文獻(xiàn)可以看出，機(jī)器人打磨系統(tǒng)在復(fù)雜曲面的應(yīng)用還存在一些技術(shù)難題，主要表現(xiàn)在設(shè)計開發(fā)滿足打磨需求的機(jī)器人末端設(shè)備、打磨過程中接觸壓力的控制、打磨路徑的規(guī)劃以及反饋系統(tǒng)的建立等，其中，機(jī)器人末端執(zhí)行器是基礎(chǔ)。從軌道交通車輛車體打磨需求入手，設(shè)計了機(jī)器人末端打磨執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，介紹了關(guān)鍵組件的工作原理以及設(shè)計過程，并對打磨執(zhí)行器框架進(jìn)行靜動態(tài)特性分析，最后通過可行性驗證實(shí)驗對該打磨執(zhí)行器進(jìn)行了評估。

2 打磨執(zhí)行器功能需求

基于軌道交通車輛打磨需求分析，打磨執(zhí)行器的功能需求主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）基于軌道交通車輛車體打磨特點(diǎn)分析，打磨執(zhí)行器應(yīng)具有柔性，即打磨執(zhí)行器可以在一定范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)位姿，使得打磨執(zhí)行器打磨部分與車體充分接觸，恒力打磨。

（2）打磨過程中產(chǎn)塵量較大，且粉塵粒徑較小，為了保護(hù)人體的健康以及創(chuàng)造清潔的車間現(xiàn)場環(huán)境，機(jī)器人末端必須配置吸塵系統(tǒng)。

（3）保證打磨執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)安全可靠，運(yùn)行良好。

3 打磨執(zhí)行器設(shè)計

打磨執(zhí)行器的關(guān)鍵組件主要有接觸力恒力控制組件和吸塵組件，完成這兩部分的設(shè)計開發(fā)后即可設(shè)計整個打磨執(zhí)行器的整體框架。故只具體闡述關(guān)鍵組件的原理及結(jié)構(gòu)方案。

3.1 接觸力恒力控制組件

該接觸力恒力控制機(jī)構(gòu)由接觸力控制裝置、連接件組成，機(jī)構(gòu)原理圖，如圖1所示。柔性氣囊內(nèi)部有壓力傳感器等原件，控制裝置中的氣缸伸縮會帶動支撐框架沿著直線導(dǎo)軌運(yùn)動。

圖1 接觸力控制機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Contact Force Control Mechanism

系統(tǒng)工作前，在接觸力控制裝置的軟件界面中預(yù)設(shè)打磨力Fd。打磨過程中，位移傳感器會分別讀取機(jī)器人的實(shí)際空間位置X和參考空間位置Xd，力傳感器測量出當(dāng)前工具與工件的實(shí)際接觸力Fext。系統(tǒng)比較得出預(yù)設(shè)接觸力和實(shí)際接觸力差值，由力控裝置計算得到氣缸連桿的伸縮量駐Xd。由氣缸帶動支撐框架以及打磨執(zhí)行器沿直線導(dǎo)軌發(fā)生相應(yīng)的位置變化，進(jìn)而使實(shí)際接觸力維持在預(yù)設(shè)值附近。該裝置的位置控制器執(zhí)行修正位置命令后，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提高了阻抗控制力的控制精度[7]。接觸力恒力控制組件在工作過程中控制流程，如圖2所示。

圖2 接觸力控制流程圖Fig.2 Contact Force Control Flow Chart

3.2 吸塵組件

打磨產(chǎn)生的粉塵嚴(yán)重污染現(xiàn)場環(huán)境，有必要分析粉塵的運(yùn)動軌跡并設(shè)計相應(yīng)的吸塵系統(tǒng)。吸塵系統(tǒng)工作時在吸塵口處形成一定負(fù)壓和一定速度的氣流用于引導(dǎo)粉塵顆粒運(yùn)動[8]。因而在設(shè)計吸塵組件時應(yīng)充分考慮打磨現(xiàn)場工況，并通過對吸塵口內(nèi)部的流場仿真優(yōu)化吸塵口結(jié)構(gòu)。

吸塵口一般采用的參數(shù)描述，如圖3所示。圖3（a）為主視圖，圖中：D—排氣管直徑；L—吸塵口長度；H1—排氣管高度；H2—吸塵口高度；α—收縮角。左視圖，如圖3（b）所示。其中，B—吸塵口寬度；β—排氣管傾斜角。

圖3 吸塵口基本描述模型Fig.3 Basic Description Model of Suction Port

此吸塵系統(tǒng)為打磨執(zhí)行器的輔助裝置，其參數(shù)的設(shè)置需要兼顧打磨執(zhí)行器的基本功能參數(shù)。其中吸塵口寬度、長度以及高度影響吸塵口的作用范圍，這三個參數(shù)受打磨執(zhí)行器刷輥尺寸制約，可通過風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)負(fù)壓大小與之匹配。收縮角α的大小影響打磨執(zhí)行器空腔內(nèi)的壓力損失程度以及氣流分布，傾斜角β則與粉塵顆粒是否能順利通過吸氣口進(jìn)入排氣管有關(guān)[8]。根據(jù)經(jīng)驗值傾斜角β的取值范圍為（90～150）°，根據(jù)相關(guān)計算β角取120°。

考慮到吸塵裝置收集對象為高速運(yùn)動的粉塵顆粒，需要保證打磨過程中粉塵顆粒不擴(kuò)散到空氣中。經(jīng)過分析實(shí)際打磨工況以及打磨執(zhí)行器的工作位姿，在打磨執(zhí)行器下部設(shè)計了防塵毛刷，如圖4所示。打磨過程中，毛刷和工件曲面接觸并帶有一定壓力形成完全貼合，保證了打磨產(chǎn)生的粉塵不擴(kuò)散到環(huán)境中，并順利到達(dá)吸塵口排氣管處并且能夠與氣流一起運(yùn)動。

圖4 打磨執(zhí)行器吸塵空腔結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Grinding Actuator Vacuuming Cavity Structure Diagram

3.3 打磨執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)

打磨執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。主要由支架、動力傳動組件、接觸力恒力控制組件、吸塵組件和刷輥組件組成。

圖5 打磨執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Grinding Actuator Overall Structure

4 打磨執(zhí)行器框架靜動態(tài)分析

4.1 靜態(tài)特性分析

為避免打磨裝置的零部件在打磨過程中因強(qiáng)度不符合要求而發(fā)生嚴(yán)重變形，對該打磨裝置的零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析。選取打磨執(zhí)行器關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜態(tài)特性分析，將物理問題抽象為微分方程和相應(yīng)定解條件描述的數(shù)學(xué)模型。這里采用基于變分法的有限元法進(jìn)行分析。打磨執(zhí)行器形狀復(fù)雜，受力多為空間力系，難以簡化，故作為三維問題求解。幾何模型，如圖6所示。材料屬性基本參數(shù)，如表1所示?；诖蚰?zhí)行器的實(shí)際形狀以及板材厚度，進(jìn)行疏密不同的單元劃分，單元大小也隨之做相應(yīng)處理。模型約束面為法蘭端面，約束方式為完全固定。軸承孔處受支撐力34.3N，方向豎直向下，同時模型自身受到一個豎直向下的重力作用。

圖6 打磨執(zhí)行器關(guān)鍵支撐部分Fig.6 Grinding Actuator’s Main Support

表1 材料基本參數(shù)Tab.1 Material Basic Parameters

打磨執(zhí)行器的靜態(tài)特性分析主要包括等效應(yīng)力分析以及位移量分析。打磨執(zhí)行器關(guān)鍵支撐件整體變形示意圖，如圖7所示。圖中最大位移出現(xiàn)在打磨圖下部固定軸承的連接板處，其值大小為5.6×10-3mm。打磨執(zhí)行器關(guān)鍵支撐部分靜剛度較好，位移量較小。此外該打磨執(zhí)行器配置有恒力打磨控制裝置，可以對微小變形進(jìn)行補(bǔ)償。等效應(yīng)力分析，如圖8所示。由分析結(jié)果可知，打磨執(zhí)行器關(guān)鍵支撐部位的最大應(yīng)力值是2.3604MPa，遠(yuǎn)小于的1060合金的屈服強(qiáng)度27.6MPa。故打磨執(zhí)行器的關(guān)鍵支撐部位的靜剛度符合要求。因此該打磨執(zhí)行器具有滿足打磨要求的良好靜態(tài)特性。

圖7 支撐部分整體變形分布圖Fig.7 Overall Deformation Distribution of Support Part

圖8 支撐部分整體應(yīng)力分布圖Fig.8 Overall Stress Distribution of Support Part

4.2 動力學(xué)模態(tài)分析

模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)振動特性的一種技術(shù)，通過它可以確定自然頻率、振型和振型參與系數(shù)[9]。打磨裝置的振動是影響打磨表面質(zhì)量的重要因素之一，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)的輸出頻率與打磨裝置整機(jī)的固有頻率很接近時，打磨裝置的零部件將發(fā)生共振，其振動幅度將大幅度提高，最終影響打磨效果。為了避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，對打磨裝置進(jìn)行模態(tài)分析，得出其固有頻率，為電機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇提供參考依據(jù)。

根據(jù)彈性系統(tǒng)動力學(xué)可知，對彈性體進(jìn)行獨(dú)立分析時，除了要考慮結(jié)構(gòu)本身的剛性外，還必須考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的慣性，甚至阻尼特性。因此，有三維彈性體動力學(xué)問題的基本方程（1），其中，ρ為物體的密度；c為阻尼系數(shù)；分別是任一點(diǎn)的加速度向量和速度向量在三個坐標(biāo)方向的分量。（1）中等式右端的兩項分別代表慣性力和阻尼力。

對于靜力分析問題，有虛功方程：

式中：δd=［δu δv δw］—虛位移；δε—虛位移 δd 引起的虛應(yīng)變；b=

［X Y Z］T—體積力；

對于動力學(xué)問題，可先將慣性力和阻尼力的虛功求出，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的靜力學(xué)問題求解，動力問題的虛功方程為：

關(guān)于打磨執(zhí)行器的動力學(xué)問題，需要分析其振動模態(tài)，以確定其各階固有頻率及振型。該打磨裝置中所有的變形均為小變形且材料均為彈性體，通過能量變分原理得到單元動力平衡方程式，整合后得到整個系統(tǒng)的動力方程為：

以上述分析為理論基礎(chǔ)，嚴(yán)格按照ANSYS分析流程即建立模型、模態(tài)設(shè)置、定義邊界條件并求解。該有限元模型是為分析振動模態(tài)做準(zhǔn)備，故建模只保留具有較大法向輻射面積的結(jié)構(gòu)特征，舍去過渡圓角等細(xì)小單元。就該打磨執(zhí)行器而言低階振型的影響更大，只分析前六階的振型，分析結(jié)果，如圖9所示。由分析結(jié)果圖可看出，第1、4、5階模態(tài)振型均表現(xiàn)為打磨執(zhí)行器下部擋板的上下擺動，說明壁板上開孔對結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)有較大影響，應(yīng)加強(qiáng)開孔部分的剛度。第2、3、6階模態(tài)振型表現(xiàn)為打磨執(zhí)行器扭轉(zhuǎn)變形，模態(tài)位移較小。打磨執(zhí)行器前六階模態(tài)振型具體數(shù)值，如表2所示。

表2 打磨執(zhí)行器前六階模態(tài)振型Tab.2 The First Six Modes of Grinding Actuator

圖9 打磨執(zhí)行器前六階模態(tài)振型Fig.9 The First Six Modes of Grinding Actuator

該打磨執(zhí)行器工作時電機(jī)轉(zhuǎn)速在2000r/min左右，打磨執(zhí)行器一階固有頻率對應(yīng)的電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速值最低但其值遠(yuǎn)大于電機(jī)工作轉(zhuǎn)速。故在實(shí)際工況下打磨執(zhí)行器零部件不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

5 打磨執(zhí)行器可行性驗證實(shí)驗

打磨執(zhí)行器工作時與工件接觸力補(bǔ)償情況和吸塵效果需要在實(shí)際應(yīng)用中驗證。以某種大型復(fù)雜曲面產(chǎn)品的局部模具為實(shí)驗對象，驗證設(shè)計可行性。

5.1 實(shí)驗設(shè)計

實(shí)驗采用ABB機(jī)器人IRB 6700，打磨程序仿真借助Robot－Studio完成。打磨實(shí)驗的基本流程是：實(shí)驗設(shè)計—打磨執(zhí)行器安裝調(diào)試—工具工件定位—打磨程序編制—自動打磨—結(jié)果檢測。在此過程中，打磨程序編寫和自動打磨是關(guān)鍵步驟。

本實(shí)驗驗證的是柔性打磨執(zhí)行器的恒力補(bǔ)償功能以及吸塵效果，模擬不同輪廓誤差下打磨執(zhí)行器是否能基于預(yù)設(shè)壓力值打磨。恒力補(bǔ)償效果最終以同一實(shí)驗參數(shù)下不同輪廓處表面粗糙度為衡量指標(biāo)，測量時同一輪廓附近測量三次取平均值。吸塵效果與人工打磨方式對比。實(shí)驗基本參數(shù)，如表3所示。

圖10 打磨路徑規(guī)劃Fig.10 Grinding Path Planning

圖11 打磨實(shí)驗現(xiàn)場Fig.11 Grinding Experiment Site

表3 實(shí)驗基本參數(shù)Tab.3 Basic Parameters of Experiment

5.2 實(shí)驗結(jié)果分析

打磨實(shí)驗完成后，實(shí)驗結(jié)果，如表4所示。其中，序號1-6是指6個輪廓不同的小區(qū)域，30N、50N和70N為接觸壓力。由實(shí)驗結(jié)果可知，同一接觸壓力下，試件不同輪廓區(qū)域的粗糙度值在小范圍內(nèi)波動，基本保持一致。由于制造誤差不可避免，實(shí)際試件形狀與數(shù)模有所差別，而打磨過程中機(jī)器人依據(jù)數(shù)模生成的軌跡動作。同一預(yù)設(shè)接觸力下不同打磨區(qū)域粗糙度值基本一致，表明接觸力恒力控制組件保證了打磨過程中打磨執(zhí)行器與工件接觸面的法向力基本恒定，補(bǔ)償作用明顯。此外，打磨過程中吸塵系統(tǒng)工作效果明顯，環(huán)境中無肉眼可見的粉塵飄浮。相較于人工打磨，環(huán)境清潔效果明顯提升。

表4 實(shí)驗結(jié)果記錄表Ra（μm）Tab.4 Record of Experimental Results Ra（μm）

6 結(jié)論

（1）接觸力恒力控制組件的設(shè)計滿足了離線編程的補(bǔ)償需求，極大地提升了打磨系統(tǒng)的效率。打磨執(zhí)行器配置的吸塵組件工作效果明顯，現(xiàn)場基本無粉塵。實(shí)驗證明該打磨執(zhí)行器可以作為機(jī)器人末端裝置進(jìn)行軌道交通車輛車體表面打磨。

（2）打磨執(zhí)行器框架靜態(tài)分析結(jié)果表明打磨執(zhí)行器主要框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求，安全可靠；動力學(xué)模態(tài)分析表明打磨執(zhí)行器一階固有頻率對應(yīng)的電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速值最低但其值遠(yuǎn)大于電機(jī)工作轉(zhuǎn)速，實(shí)際工況下打磨執(zhí)行器零部件不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

（3）依據(jù)軌道交通車輛車體打磨需求設(shè)計開發(fā)機(jī)器人末端打磨執(zhí)行器運(yùn)行狀態(tài)良好，能夠滿足用機(jī)器人系統(tǒng)取代人工手動打磨的目標(biāo)。