自動更換打磨頭裝置的設(shè)計研究

黃東，文豪

廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院

1 引言

打磨機能對工件表面進(jìn)行精密加工，去除工件表面的劃痕、斑點和塌邊等，使工件表面光亮平滑、呈鏡面效果，甚至可達(dá)到某一精確的粗糙度值。為提升工作效率，通常采用機器人夾持氣動打磨頭在工件表面進(jìn)行打磨作業(yè)，以達(dá)到一定的表面效果。由于打磨頭在打磨時易與工件發(fā)生剛性碰撞，縮短了打磨頭壽命，需要經(jīng)常更換，導(dǎo)致工件加工輔助時間過長。而現(xiàn)有打磨頭更換均為人工操作，效率低，易產(chǎn)生安裝誤差和損壞打磨頭，更重要的是非常不安全。

目前國內(nèi)外對機器人工具的快換研究多在機器人身上配置工具庫和自動更換裝置[1-8]，不僅要求機器人的承載能力大，而且機器人背負(fù)大負(fù)載工作量時易疲勞損傷。本文提出了一種結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙合理、快速自動更換打磨頭的裝置，可大幅縮短工件加工輔助時間，提高工件打磨效率。該自動更換裝置是一套獨立系統(tǒng)，當(dāng)需換打磨頭的機器人進(jìn)入指定位置時，會自動進(jìn)行更換，方便快捷。

2 裝置基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)機器人打磨作業(yè)的工況要求，自動更換打磨頭裝置需要完成的工序為:需更換打磨頭的機器人進(jìn)入指定位置→自動更換裝置松開機器人上的打磨頭鑰匙→取下廢舊的打磨頭→裝入新的打磨頭→擰緊鑰匙。

根據(jù)上述工作要求，自動更換打磨頭裝置主要由機架、三維機械手機構(gòu)、電鉆鑰匙驅(qū)動裝置和打磨頭機庫等部件組成，基本結(jié)構(gòu)見圖1。三維機械手機構(gòu)固定在機架的左上角(用于夾取打磨頭庫機構(gòu)中的打磨頭)，電鉆鑰匙驅(qū)動裝置固定在機架的中部(用于擰緊或松開電鉆頭)，打磨頭庫機構(gòu)固定電鉆鑰匙驅(qū)動裝置的左側(cè)(用于提供打磨頭)。

工作原理:工作時，工業(yè)六軸機器人帶動電鉆打磨機回到更換打磨頭的原點位置，并發(fā)送信號給控制裝置，控制裝置接收到更換信號時，會驅(qū)動已經(jīng)裝夾完畢的新打磨頭三維機械手機構(gòu)，另一個未工作的氣動平行夾夾持著待換打磨頭，電鉆鑰匙驅(qū)動裝置松開電鉆頭，氣動平行夾夾取舊打磨頭，接著電機驅(qū)動氣動平行夾旋轉(zhuǎn)180°，將新打磨頭放入電鉆頭里，電鉆鑰匙驅(qū)動裝置擰緊電鉆頭，退回到安全位置，三維機械手機構(gòu)將舊打磨頭放入廢品回收機構(gòu)，根據(jù)打磨頭庫機構(gòu)上的光電傳感器確定新打磨頭位置，并重新夾好另一個新打磨頭后待命。

圖1 自動更換打磨頭裝置基本結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 三維機械手機構(gòu)

三維機械手機構(gòu)主要用于抓取和安裝新打磨頭，由X軸直線滑臺、Y軸直線滑臺、Z軸直線滑臺、X軸驅(qū)動電機、Y軸驅(qū)動電機、Z軸驅(qū)動電機和抓取結(jié)構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)見圖2。X，Y，Z軸由三個直線滑臺結(jié)構(gòu)組成，精度更高，反應(yīng)迅速，運動快捷平穩(wěn)，且兩兩互相垂直，根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系原理設(shè)計，有利于空間三維結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系的建立及工件坐標(biāo)的快速定位[9，10]。在Z軸滑臺的滑座上裝有氣動平行夾。

圖2 三維機械手機構(gòu)結(jié)構(gòu)

當(dāng)上位機接收到需要三維機械手到某點抓取物體的信號時，上位機發(fā)送對應(yīng)信號給三個驅(qū)動電機，使其旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度，帶動相應(yīng)滑塊移動，使三維機械手到達(dá)確定位置，通過氣動平行夾的夾緊與松開，實現(xiàn)三維機械手抓取或放下動作。

3.2 電鉆鑰匙驅(qū)動裝置

電鉆鑰匙驅(qū)動裝置主要用于機器人打磨頭鑰匙的擰緊和松開，包括水平滑臺及電機、電鉆鑰匙驅(qū)動電機、電鉆鑰匙驅(qū)動電機安裝架、電鉆鑰匙及扭力限制器等，其結(jié)構(gòu)見圖3。在安裝架上水平安裝直線滑臺，其滑塊在滑臺電機的驅(qū)動下直線滑動，電鉆鑰匙驅(qū)動電機安裝在安裝架上，安裝架固定在滑塊上，電鉆鑰匙驅(qū)動電機的輸出軸與電鉆鑰匙連接，用于驅(qū)動電鉆鑰匙轉(zhuǎn)動。扭力限制器主要用于保護(hù)電鉆鑰匙驅(qū)動電機，當(dāng)電鉆鑰匙擰緊電鉆后，扭力限制器將電鉆鑰匙驅(qū)動電機與電鉆鑰匙脫離。

圖3 電鉆鑰匙驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)

當(dāng)上位機接收到需要電鉆鑰匙驅(qū)動裝置去擰緊或者松開打磨頭信號時，上位機發(fā)送信號給電鉆鑰匙，驅(qū)動電機使其旋轉(zhuǎn)至對應(yīng)角度，帶動電鉆鑰匙向前運動到相應(yīng)位置，驅(qū)動電鉆鑰匙擰緊或松開電鉆頭上的打磨頭。當(dāng)電鉆上的電鉆鑰匙孔與電鉆鑰匙驅(qū)動裝置上的電鉆鑰匙頭對位不準(zhǔn)確時，電鉆鑰匙驅(qū)動裝置帶動電鉆鑰匙向前移動；當(dāng)電鉆鑰匙齒輪與電鉆頭齒輪嚙合時，驅(qū)動電鉆鑰匙，使電鉆鑰匙頭與電鉆鑰匙孔匹配，實現(xiàn)電鉆自動換刀。

3.3 打磨頭機庫

打磨頭機庫內(nèi)裝有備用打磨頭，主要由電磁鐵、打磨頭及固定架等組成，基本結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 打磨頭機庫結(jié)構(gòu)

固定架上有多個用于安裝打磨頭的安裝孔，孔內(nèi)有永磁體吸附固定打磨頭，固定板裝在電磁鐵上。打磨頭安裝孔三個一組，一個孔用來安裝一個打磨頭，另兩個孔裝有光電傳感器，用來檢測安裝孔上是否有打磨頭，使三維機械手能夠抓取新的打磨頭。磨頭庫機構(gòu)通過電磁鐵吸附在機架的固定位置，當(dāng)打磨頭庫機構(gòu)上的新打磨頭全部用完后，將電磁鐵斷電掉磁，人工更換新的打磨頭庫機構(gòu)。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

目前市面上常用的控制系統(tǒng)主要有單片機、PLC和微型機等，相比于其它兩種控制系統(tǒng)，PLC具有組態(tài)靈活、運行速度快和使用方便等特點，更適用于本系統(tǒng)[11]，所以打磨頭更換裝置選用PLC，配合伺服電機、傳感器等實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，使系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

采用西門子S7-200 CPU226作為主控，此款PLC具有較強的數(shù)據(jù)處理能力及可靠性[12-14]，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求。位置控制模塊采用EM253，由于整個系統(tǒng)有5個伺服電機，所以需要擴展5個EM253控制模塊來控制各個電機。

系統(tǒng)硬件接線見圖5。每個滑臺上均裝有極限限位開關(guān)及原點復(fù)位開關(guān)，用以保證設(shè)備在運動過程中不會發(fā)生碰撞和滑出卡死。打磨頭檢測傳感器需要與PLC通信，輸出端通過EM253控制伺服驅(qū)動器，從而控制各個滑塊的運動及電鑰匙轉(zhuǎn)動。

圖5 系統(tǒng)硬件接線方式

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計會影響設(shè)備的運動精度和穩(wěn)定性，如圖6所示，控制系統(tǒng)主要由多個模塊組成[15]。初始化模塊主要是對CPU進(jìn)行初始化設(shè)置，重新通電時能去除之前的殘留信息，并對各個控制單元進(jìn)行檢測；示教模塊對設(shè)備的運動軌跡進(jìn)行規(guī)劃，使其按既定軌跡運動，在設(shè)備首次運動時對其進(jìn)行示教；主控系統(tǒng)會記錄整個運動過程中設(shè)備在各個點的狀態(tài)并生成相應(yīng)文件，正常運行時可以隨時調(diào)用；軌跡規(guī)劃模塊對各個電機的運動速度和加速度等進(jìn)行規(guī)劃，通常采用插補算法；運行模塊用來控制設(shè)備的運作狀態(tài)，完成相應(yīng)的操作任務(wù)，并返回原點，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次作業(yè)；監(jiān)視模塊能夠顯示設(shè)備運行的狀態(tài)，可監(jiān)視各個控制單元，進(jìn)行錯誤報告；參數(shù)設(shè)置模塊則用于設(shè)置設(shè)備的各個運動參數(shù)。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

設(shè)計了一種由機架、三維機械手機構(gòu)、電鉆鑰匙驅(qū)動裝置和打磨頭庫機構(gòu)等部件組成的自動打磨頭更換裝置。三維機械手機構(gòu)主要由滑臺及驅(qū)動部件組成(用于夾取打磨頭庫機構(gòu)中的打磨頭)，電鉆鑰匙驅(qū)動裝置主要由驅(qū)動電機及滑軌組成(用于擰緊或松開電鉆頭)，打磨頭庫機構(gòu)主要由電磁鐵、打磨頭及固定架等組成(用于提供打磨頭)，將上述三個裝置配合，可實現(xiàn)打磨頭的自動更換。

控制系統(tǒng)采用西門子S7-200 CPU226，擴展5個EM253控制模塊控制各個電機的運行，軟件系統(tǒng)由多個模塊組成。該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，布局合理，能有效提高電鉆換刀的質(zhì)量和速度，適用范圍廣，可廣泛推廣和應(yīng)用。