機器人打磨拋光智能控制系統研究與開發探討

周營平

摘 要：本文結合機器人打磨拋光項目，對機器人打磨拋光系統模塊進行了闡述，并對機器人智能打磨拋光控制系統進行了研究與探討。論述了當今機器人打磨拋光現狀，總結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量的方法，為機器人智能打磨拋光的應用提供借鑒參考。

關鍵詞：機器人；恒力打磨拋光；智能系統；探討研究

引言

提高產品質量、提升生產率、降低生產成本，改善人工作業環境是機器人智能打磨拋光控制系統的出發點。綜合考慮市場環境和行業的需要，進行打磨拋光機器人智能控制系統研究與開發探討是必要的。

1工業打磨拋光市場環境

1.1工業打磨拋光現狀

傳統制造行業，拋光打磨是最基礎的一道工序，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雜，通常工業打磨拋光作業均由人工操作完成，作業勞動強度大，工作效率低，作業環境極差。市場對少部分規則工件研發的拋光打磨專機僅能完成單一的工藝任務，基本完成不了除原始工藝之外的其他任務，開發過程繁瑣且柔性利用性很差，成本昂貴。

1.2打磨拋光機器人需求

工業機器人是面向工業領域的多關節、多自由度的機械一體化自動機械裝備和系統，它可以接受人類指揮，可以按照預先編排的程序運行，也可根據人工智能技術制定的綱領行動，結合生產線組成單機或多機自動化系統，完成制造過程中某些操作任務，實現無人化作業。

隨著人口紅利的消失、產品成本降低和產品質量提高等要求因素，高工產研機器人研究所預計未來四年中國拋光打磨市場規模平均增速將超過30%。使用機器人打磨拋光有如下優點：（1）提高打磨質量和產品光潔度，保證其一致性；（2）提高生產率，一天可24小時連續生產；（3）改善工人勞動條件，可在有害環境下長期工作；（4）降低對工人操作技術的要求；（5）縮短產品改型換代的周期，減少相應的投資設備；（6）可再開發性，用戶可根據不同樣件進行二次編程。

2打磨拋光機器人控制系統

對打磨拋光機器人智能控制系統研究與開發探討需結合具體的打磨拋光對象，利用不同的方法實現。研究、開發打磨拋光機器人智能系統需要了解機器人打磨拋光系統結構及分析工件在打磨拋光過程中的各個技術難點，然后研究出最合理的實現方式。考慮打磨拋光的市場環境及工件復雜的打磨軌跡，選用多自由度工業機器人進行打磨方案就顯得十分必要了。

本文以6關節工業機器人組合專用取料手抓、送料裝置、恒力砂帶機、恒力拋光機、抽檢及返修裝置、4工位轉臺、沖孔及檢測裝置、桁架下料裝置、總控系統及封閉除塵房等裝置實現精密鑄鋁件的自動打磨拋光任務，布局如下（圖1）：

2.1打磨拋光機器人系統介紹

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

打磨拋光智能系統相關模塊介紹如下：

（1）料倉裝置：人工擺好毛坯，手動啟動系統，氣缸送料裝置自動將工件送至機器人工作區域。兩個獨立的送料裝置交替作業解決人工上下料操作時機器人停機等待的問題。

（2）機器人抓手：抓取物料的夾具安裝在機器人手臂上，實現機器人自動地抓取工件并完成打磨拋光作業。氣缸夾取的方式簡單實用，應用廣泛。

（3）恒力砂帶機：采用獨立的系統控制，以一個變頻異步電機為主動力源，帶動砂帶旋轉。用3個伺服電機驅動齒輪齒條，可輸入控制指令設定打磨力度。當打磨工件時，砂帶的受力傳遞給伺服電機，系統通過對伺服電機力矩及電流變化進行換算輸出來驅動伺服電機運動實現工件和砂帶的接觸力恒定。為避免砂帶跑偏，系統設置砂帶自動糾偏裝置。

（4）恒力拋光機：采用獨立的系統控制，恒定伺服力矩及電流的變化實時進給麻輪位置，使工件拋光接觸力恒定。步進電機推送實現固體打蠟功能。

（5）總控制系統：實現機器人與各打磨拋光裝置的I/O信號對接，采用管理層、監控層和設備層三級網絡對整生產線進行監控、調度、管理，接受車間生產計劃，完成自動化生產。

（6）抽檢及修補裝置：為避免機器人打磨拋光工件的打磨缺陷及機器人打磨拋光時間的充分利用，定時送出一個打磨工件給人工質檢。不合格工件人工執行系統指令使機器人執行區域修補程序。

（7）桁架取料裝置：采用氣缸組合成三坐標結構，形成與生產線的協同動作，控制簡單，經濟實惠。

（8）工件檢測系統：本方案防爆傳感器檢測重要孔位的毛刺殘存高度，給出產品性能指標的檢測及判斷信號，使桁架裝置執行取料下料動作。工件打磨拋光后表面蠟膜黏連及缺陷瑕疵的識別難度，使視覺檢測存在誤差，需進一步地進行研究解決。受制于傳感器應用技術，拋光面的檢測由人工完成。

（9）離線仿真：產線生產前生成工件打磨拋光程序及產線過程模擬程序，配合生產時的產線參數優化，可縮短生產工期，避免不必要返工。

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

2.2打磨拋光機器人系統研究

對于目前常用的集中式控制系統來說，易于實現且比較簡單，但是存在不足和缺陷，比如機器人的靜態誤差以及使用過程中的動態性能指標對于打磨拋光來說很難達到要求，控制系統的綜合工作能力及運行水平有所局限，滿足不了高質量水準。本文中機器人控制系統將交流伺服電機的電流環和速度環由伺服驅動器控制，由運動控制器完成電機轉動角度位置環控制，從而實現分布式控制。本文中打磨拋光裝置采用獨立恒力系統控制解決機器人運行誤差，調試及使用方便、研制周期短、可靠性高。各產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結構，實現機器人與產線功能部件I/O對接，進行信息交互，協調各單元工作。

2.3打磨拋光機器人系統探討

通過對打磨拋光機器人的分析，采用PID的控制算法來實現機器人手臂的運動，運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量和百分之百的成功率。考慮在機器人手臂安裝壓力傳感器及打磨效果檢測傳感器，實時傳輸效果數據修正打磨軌跡，將改進現有打磨拋光機器人的不足之處。

當今國內用到六維力傳感器及效果檢測傳感器的打磨機器人產品很少。應用技術不成熟及價格高是力傳感器進入工業級領域的最大門檻，一個六維力傳感器或效果檢測傳感器的價格高達幾萬，加上力控及檢測傳感器的應用軟件研發復雜，致使成套力控或外觀檢測系統幾乎比打磨機器人本體的價格還貴，這是令企業糾結的問題。市場小、采購量不大導致不能實現規模化的生產，而價格高又使得很多企業望而卻步，由此構成了一個死循環，如何突破這個循環，也是目前面臨的一個難點問題。

3結語

文中根據行業發展結合公司自有產品及相關客戶需求，對機器人智能打磨拋光控制系統進行了研究：可以采用分布式控制系統代替集中式控制；可研發高精度離線仿真軟件，研發壓力、效果監測等傳感器，從而提高工件打磨質量、產品表面光潔度及機器人打磨拋光工作效率。

參考文獻

[1]李開生， 宗光華. 機器人控制器體系結構研究的現狀和發展[J]. 機器人，2000，22（3）：235-240.

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