機器人復雜曲面磨拋系統的構建及實驗

馬凱威，劉建春，林彥鋒，黃海濱，林曉輝

（1.廈門理工學院 機械與汽車工程學院，廈門 361024；2.廈門思爾特機器人系統有限公司，廈門 361023）

0 引言

目前，磨拋加工的相關方法主要分為手工磨拋、專用磨床磨削、數控機床磨拋和工業機器人磨拋。手工磨拋存在勞動強度大，生產周期長，產品合格率不穩定等缺點；專用磨床雖然適合大規模生產，但通用性較差；數控機床磨拋則成本偏高，并且程序復雜。而機器人自動磨拋，具有效率高、成本低、柔性好等優點，因而，廣泛應用于航空葉片、高檔水暖器材和汽輪機葉片等具有復雜空間曲面產品的磨拋加工[1～4]。

近幾年，國內外眾多學者對機器人砂帶磨削系統進行了相應研究，例如李成群等[5]設計了機器人磨削系統中的三自由度砂帶磨床，實現了磨削過程中的微量進給；齊立哲等[6]提出了一整套關于組建機器人柔性加工系統的方案；Wang Wei等[7,8]設計了六自由度砂帶磨拋系統的離線編程軟件，為磨拋加工中路徑的空間優化提供了理論支持；Dieste等[9]通過控制加工路徑、工藝流程和數學模型等方面，使自由曲面磨拋所需要的時間和成本降到了最低。但是大多數相關研究尚未對機器人復雜曲面磨拋系統的搭建，離線編程及實驗進行系統和詳細的闡述。

本文將利用工業機器人，結合自主研發的砂帶磨拋機和系統控制柜等組件，參照人工磨拋的方法搭建與之相對應的自動化系統。該系統旨在模擬機器人砂帶磨拋生產作業，開展離線編程和模擬仿真，并為相關研究提供技術探索和實驗參考。

1 機器人磨拋系統的搭建

該機器人砂帶磨拋系統主要由機器人、砂帶磨拋機、夾具和系統控制柜等部分組成，其系統組成如圖1所示。

圖1 機器人砂帶磨拋系統

1.1 工業機器人

機器人模塊主要由六軸機器人、IRC5控制柜和RobotStudio/RobotWare離線編程軟件等部分組成。

該系統采用的工業機器人，其最大承載重量為60kg，可達距離為2.05m，能夠充分模擬手工砂帶磨拋[10]；其配備的IRC5控制柜能夠實現機器人與PLC的DeviceNET通訊；自帶的離線編程軟件能夠保證離線編程和模擬仿真的順利進行。

1.2 砂帶磨拋機

該砂帶磨拋模塊主要包括傳動系統和氣動單元等部分。如圖2所示，傳動系統由主動輪，張緊調偏輪，上接觸輪和下接觸輪等部件組成，由變頻電機驅動，可以提供1400r/min的工作轉速和最大2.2KN的砂帶張緊力；氣動單元由氣缸和直線導軌等零件組成，可以滿足 60kgf/cm2磨拋力的產品加工并實現支架整體80mm的往復運動。

圖2 機器人砂帶磨拋機整體裝配圖

1.3 機器人夾具

夾具設計采用了內外螺紋配合和伸縮銷周向定位相結合的機械結構，同時利用氣動控制和機器人運動組合的方案，實現機器人的自動夾取和放置，效果如圖3所示。經過理論分析和計算，該結構能夠承受20KN的軸向力和772Nm的力矩。

圖3 機器人夾具三維截面圖

1.4 控制系統

根據磨拋工藝的特殊需求，結合人工磨拋和機床磨拋生產線的設計思路，設計了工業機器人磨拋控制系統。該系統以可編程控制器（PLC）為控制核心，依靠現場總線和串口完成工業機器人、變頻器和PLC等設備的通訊，能夠實現由人機界面（HMI）到工業機器人和砂帶磨拋機等設備的控制，其系統結構圖如圖4所示。

圖4 機器人磨拋控制系統結構圖

2 離線編程與仿真

機器人磨拋系統模擬仿真是建立在以RobotStudio/RobotWare為基礎的工作站上完成的，主要包括機器人系統的建立及參數設定，工具模型的建立及參數設定，工作站的布局和Smart組件的應用等部分。

2.1 系統建模

工業機器人自帶的專業離線仿真軟件RobotStudio能夠實現CAD模型導入、自動路徑生成和碰撞檢測等模擬仿真功能。首先，創建帶有目標機器人及其控制柜的工作站。然后，利用Creo繪制仿真實驗所需要的系統控制柜和砂帶磨拋機等設備，并將其導入到該工作站中。最后，利用放置、創建機械裝置和I/O配置等功能實現系統的布局和仿真，其效果如圖5所示。

圖5 仿真模擬實驗平臺在RobotStudio中的搭建

2.2 模擬仿真

在機器人磨拋系統的離線仿真過程中，主要采用RAPID語言實現系統邏輯和動作控制。利用系統的坐標參數，工具數據，功能指令和I/O信號等數據編寫仿真程序，其控制流程如圖6所示。

根據圖6的任務流程進行模擬仿真。在仿真中，機器人首先夾取工件，然后磨拋機向PLC發出工位到達信號后，將其到達指定位置的信息傳遞給了機器人，機器人接收到信號后便迅速進入磨拋模式。該模式結束后，機器人放回水龍頭，同時砂帶磨拋機退回原點。由此保證了在整個磨拋過程中機器人，磨拋機和夾具等設備的協同工作。

圖6 機器人編程流程圖

3 實驗

為了驗證以上方案的可行性，以鍛鑄銅合金普通水龍頭外表面磨拋為研究對象，根據設計方案及仿真流程，編寫相應的PLC程序和人機界面，進行加工實驗。實驗用到的主要儀器如表1所示，其中加工工件表面的粗糙度由泰勒—霍普森表面輪廓儀上獲得。

表1 主要實驗設備型號

在加工實驗時，設定砂帶張緊力為139N，電機轉速為1400r/min，磨拋力閥值為500N。按照圖7所示流程分別對水龍頭進行粗磨和細磨實驗。加工前后工件對比效果如圖8所示。

圖7 機器人磨拋實驗加工流程

圖8 工件實驗前后對比圖

根據工件加工前后對比表面，加工后工件表面光滑，無明顯毛刺、磕碰和劃痕等缺陷。利用泰勒—霍普森輪廓儀，選取半徑為22.4818mm，最大峰－谷高度為0.0785um的標準球為基準進行校準。然后選取長度為5mm的行程長度，在粗磨和細磨后的加工表測量得出表面粗糙度分別為Ra=2.2672um和Ra=0.7616um，以最小二乘法擬合各點結果如圖9所示。分析最終加工表面粗糙度值遠小于1.6um，完全可以滿足工件電鍍和配合等要求。

圖9 加工表面粗糙度

4 結束語

1）本文根據實際生產需求完成了機器人砂帶磨拋系統的整體搭建。在此過程中，自主研發并生產了砂帶磨拋機、系統控制柜和夾具等設備，為該試驗平臺的搭建奠定了堅實的基礎。

2）利用RobotStudio實現了整個磨拋系統的模擬仿真及機器人軌跡的離線編程，保證了生產加工的順利完成。最后以水龍頭為對象進行磨拋實驗，證明了該方法的可行性、科學性和高效性，為機器人磨拋系統的自主研發提供了技術支持和有益探索。

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