機器人打磨拋光的工藝研究

王宗躍，何志新，艾興才，劉有余

（1.安徽工程大學 機械與汽車工程學院；2.埃夫特智能裝備股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

機器人打磨拋光的工藝研究

王宗躍1，何志新2，艾興才2，劉有余1

（1.安徽工程大學 機械與汽車工程學院；2.埃夫特智能裝備股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

本文分析了使用機器人對汽車排氣管進行打磨拋光的工藝.采用力控制和軌跡優化的方法，對傳統工藝做了優化改進并進行了打磨拋光實驗.結果表明，取得了預期的實驗效果，達到產品工藝要求，提高了打磨拋光效率.

機器人；打磨拋光；工藝；力控制；軌跡優化

1 引言

隨著國內制造業的升級轉型以及人口紅利逐漸的消失，機器人行業正迎來高速發展時期.而在工件表面的打磨拋光技術被廣泛的應用到衛浴、五金和IT等行業.傳統的手工打磨拋光存在打磨拋光質量不穩定、效率低、產品的均一性差和自動化程度低[1]等問題.因此，對打磨拋光機器人的研究引起了許多國內外高校，研究機構和一些公司的廣泛關注.

打磨拋光機器人能夠實現高效率、高質量的自動化打磨，正慢慢的被一些公司用以代替人工打磨.但影響機器人打磨拋光的質量因素很多，如磨砂帶的型號[2-3]、拋光輪的材質[4]、工業蠟的使用，而控制打磨工具末端的力和加工軌跡是確保打磨工件質量很重要的途徑[5].故本文采用壓力傳感器實時檢測打磨工具末端力的值，由PLC反饋給機器人，進而控制機器人打磨力的大小的方法，并在傳統的機器人示教編程方法基礎上，優化打磨軌跡.

2 打磨機器人系統組成及打磨控制流程

打磨機器人系統采用由埃夫特機器人公司研發的六軸工業機器人ER50-C10.打磨系統包括PLC、打磨砂帶機、拋光機、和壓力傳感器、安裝在機器人第六軸的夾具組成的一個閉環控制系[6].

當開始打磨時，安裝在機器人第六軸的夾具夾持圓形排氣管，放置在轉動的打磨砂帶機上進行打磨，打磨下壓力的大小實時被壓力傳感器檢測，傳感器將檢測壓力值轉換為電信號傳遞給PLC，PLC判斷壓力大小，輸送給機器人控制系統.從而控制機器人打磨壓力的大小.通過多次試驗設定合適的壓力值.如果打磨的壓力大于正常壓力，則機器人六軸向相反方向移動一定距離，即減小打磨壓力.如果打磨的壓力值小于正常壓力值，則機器人六軸向正方向移動一定距離，即增大打磨壓力.如果打磨壓力值在允許的打磨壓力范圍之內，則進行正常的打磨程序運行[7].以此來保證打磨機器人系統的打磨壓力值一直在合理的范圍之內.打磨控制流程圖，如圖1所示.

圖1 打磨控制流程圖

3 打磨拋光示教編程

傳統打磨拋光示教編程需要耗費工人的很多時間，一般采用點到點示教編程方法，普通工件打磨示教編程需要幾百個點，多的則長達一千多個點.本文對結構較為典型汽車排氣管進行示教編程，并采用兩種示教編程方法.第一種示教編程方法：如圖2所示，根據工件特點，打磨從起始點A1處開始，依次到An、Bn、B1、C1、Cn，以此類推.其中A1到An有N個點，點的個數根據打磨工件的大小和打磨效果確定，同理確定Bn到B1點的個數，以此類推.在示教打磨圓形汽車排氣管時，完成整個打磨程序示教了600多個點，耗時8個小時左右.

圖2 工件立體圖

圖3 工件平面圖

第二種示教編程的方法：圖3為排氣管的平面圖，根據打磨圓形工件的特點，為直徑88mm，AB長度為104cm，CD長度為156cm.將圓形工件的曲面劃分為正面180°和反面180°，打磨示教需要設置兩個點，即打磨從起始點A，和打磨示教點B.當打磨示教B點結束時，機器人夾持工件以β角度向左移動，移動至工件左端，再以同樣的β角度向右面移動打磨.如果β角度為10°，機器人一個來回移動的角度和就是20°，180°的正曲面被打磨機器人來回打磨9次完成，整個工件打磨完成需要機器人來回移動18次.同時，機器人夾持工件每次來回打磨移動的距離都會有所變化，這是因為工件的總長為156cm，而起始點打磨A點到B點的距離為104cm.如果β角度為10°，進行正曲面打磨，則每次機器人下一次打磨移動的距離比上一次大約增加2.9cm.在進行反曲面打磨時，每下次打磨移動距離比上次減少大約2.9cm.在具體的工程打磨實踐中分別設置了β角度為10°、5°、3°、2°，角度越小這種往復打磨的效果越好，但受機器人的精度和穩定性等一些因素的影響不可能角度做到絕對的好.打磨調試過程中發現，設置β角度為3°時，效果最好.拋光時采用同樣的方法.其基本思想就是，一邊打磨一邊以一定的角度旋轉圓形排氣管，β值為3°的打磨拋光部分調式程序如下：

兩種打磨方法的效果圖分別如圖4和圖5，從圖可以看出第二種方法打磨加工出來的零件產品質量更高，優化后的打磨軌跡更好.

圖4 打磨拋光方法一效果圖

圖5 打磨拋光方法二效果圖

4 現場調試

打磨設備部分如圖6所示，下面是現場調試方法：

（1）首先采用仿真軟件對打磨設備安裝位置及打磨軌跡進行仿真分析，采用離線編程技術對打磨軌跡進行了示教編程，然后把離線示教編程的程序導入到示教器中[8].發現仿真和實際情況有一定的差距，需要在打磨現場對打磨的軌跡進行微調.因此節省了大量現場調試時間.

（2）采用壓力傳感器實時檢測打磨壓力的大小，使傳統的打磨開環系統，變為閉環系統，提高了對打磨力的大小的控制.打磨拋光補償問題一直以來都是影響打磨拋光質量的因素之一[9].在使用ER50-C10機器人的時候，創建工件坐標系，把把它定義成可變量，然后在程序里設定每打磨完一個產品以后工件坐標系的Z方向就減少一個數值[10]，而這個數值就是打磨拋光輪的磨損量，在程序里設定一個數字量，用來計算打磨產品的個數，當這個數值達到預定的值時候，就把工件坐標系的值復位，這時就可以更換打磨拋光輪了[9].

圖6 打磨設備部分圖

5 總結

本文從理論分析和工程應用方面研究打磨排氣管工藝，采用壓力傳感器對打磨力進行有效的控制；優化了打磨軌跡，并通過示教編程對排氣管進行打磨；根據打磨軌跡的不同，分別采用兩種示教編程方法，實驗表明采用優化后的打磨軌跡，打磨質量得到提高，減少了打磨耗時；采用工具坐標對打磨拋光輪的損耗進行了適當的補償，從總的打磨效果來看，取得了預期的實驗效果，打磨拋光的效率得到提高.

〔1〕賈時成,孫英飛.國產工業機器人打磨系統設計[J].中國新技術新品,2014（4）：149-150.

〔2〕楊威.加工自由曲面的機器人砂帶機研磨系統研究[D].吉林大學,2007.

〔3〕陳冠林.基于六自由度機器人的四工位砂帶磨削系統開發[D].廣東工業大學,2015.

〔4〕王文忠,趙繼,張雷.一種自主研磨作業機器人系統的開發 [J].大連海事大學學報,2013,8（4）：200-205.

〔5〕譚福生，葛景國.力控制技術在機器人打磨中的應用及系統實現 [J].上海電氣技術,2008，8(2)：200-205.

〔6〕繆新，田威.機器人打磨系統控制技術研究[J].機電一體化，2014,20（11）：8-14.

〔7〕葉永龍.基于機器人的玻璃自動打磨系統的設計與實現[D].浙江理工大學,2013.

〔8〕楊林，趙吉賓，李論.有機玻璃研磨拋光機器人力控制研究[J].機械設計與制造,2015（4）：105-107.

〔9〕Wang G,Wang Y,Zhang L.Development and Polishing Processofa Mobile Robot Finishing Large Mold Surface[J].Machining Science&Technology,2014,18(4):603-625.

〔10〕Rooks B.Robots score at grinding and polishing[J].Industrial Robot An International Journal,2013,25(4):251-255.

TP242

A

1673-260X（2017）04-0016-03

2017-01-14

安徽省科技攻關項目（1501021009），項目名稱：工業機器人研發以及在鑄造行業的應用