復雜曲面自適應打磨臺設計

葉 敏 張玉春 梅雪川 林粵科 林君健

（國機智能科技有限公司，廣州 510535）

為解決復雜曲面打磨的問題，世界各國都對自動化打磨技術進行了研究，并先后建成了一系列自動加工系統。雖然國外已有曲面研磨加工的設備出現，但在加工精度和適用范圍上還不是特別令人滿意，尤其是針對手表表殼、磨具等表面復雜、精度要求高的自由曲面類零件，其打磨拋光基本都是由人工手持作業工具并依賴于工人的經驗完成[1-2]，其加工曲面的形位精度、表面微觀物理屬性難以保證，且制造成本較高，制約了打磨加工技術的發展。

使用自動化設備進行高質量的打磨作業，是提高該行業生產效率的重要手段。對于機器人帶動工件運動的作業方式而言，六關節機器人在定位精度、運動耦合等方面具有很大優勢，可通過多自由度機器人本體的關節動作來改變執行末端的姿態，實現自由曲面打磨，在打磨領域應用越來越廣泛[3-4]。通常是在獲取工件的特征信息后，通過示教或參照打磨理論軌跡進行作業[5-8]。但是，由于機器人運行重復定位精度和剛度不足，打磨時的微小位置誤差會對工件產生力沖擊，并不能很好地適應復雜曲面變化，對打磨質量有較大影響。

因此，本文針對復雜變化曲面，研發能根據工件表面的曲率變化自動調整打磨面位置和打磨力大小的自適應打磨臺，更好地配合機器人作業，提高復雜曲面工件的打磨質量。

1 打磨臺的工作原理及組成

對于復雜曲面的打磨加工，不僅需要對機器人的位置進行精確控制，還需要對加工區域的作用力進行控制。本文在單純被動柔順打磨的基礎上，通過主動控制打磨過程中的作用力，形成一種主被動柔順打磨控制策略。

打磨臺工作原理：磨臺安裝在可豎直平移的滑臺上，通過配重平衡滑臺重量，減小滑臺調整時的慣量，提高打磨力反饋調整的精度；滑臺與絲杠相連，可通過伺服電機調整滑臺位置。打磨系統工作時，通過與機器人配合，形成主被動結構形式，根據機器人末端的位置和作用力之間的關系，調整反饋位置（滑臺位置）達到控制力和打磨精度的目的。其工作原理示意圖如圖1所示。

打磨臺樣機如圖2所示，主要包括磨盤、配重裝置、軸向滑臺、軸向升降調節模組、伺服電機、電機安裝座、稱重傳感器等。

圖2 打磨臺樣機

磨盤安裝在伺服電機轉軸上，通過電機控制磨盤轉速；伺服電機安裝在電機安裝座上；電機安裝座與模組安裝板間通過直線導軌連接，其間安裝有稱重傳感器，組成軸向滑臺，可在豎直方向上微量移動；稱重傳感器可測量作用在磨盤上的打磨力，作為力反饋控制的輸入信號；電機安裝座通過軟質繩索與配重裝置連接，可平衡打磨臺重量，通過減小整體慣量，提高力反饋調節精度；模組安裝板可豎直移動，可根據測得的打磨力調整磨盤高度，從而調整工件與磨盤間的壓力。

打磨時，電機帶動磨盤轉動，可通過調整電機轉速改變磨盤轉速；軸向滑臺處在中間位置。工件固定在機器人末端的夾具上，通過機器人帶動執行打磨動作。工件與磨盤接觸時，打磨軸向力傳遞到稱重傳感器，并將測得的打磨力值與預設值比較。當測量值大于預設值時，軸向升降滑臺向下移動，推動其上機構整體移動，帶動磨盤下降，減小打磨力；當測量值小于預設值時，軸向升降滑臺向上移動，推動其上機構整體移動，帶動磨盤上升，增大打磨力。該方案提供一種磨盤可軸向浮動貼合工件表面并具備打磨力調節功能的打磨臺，可實現恒力打磨或用于精磨的場合。

2 控制系統設計

2.1 控制系統總體方案

該系統由力傳感器、西門子PLC、模組組成；力傳感器將實時打磨力經變送器后采集至PLC，PLC對采集值與觸摸屏設定值進行比較，通過控制算法調節升降滑臺位置，從而實現打磨力調節，當實際打磨力與設定值相等時，流程結束；具體流程如圖3所示。

圖3 控制系統總體流程圖

2.2 控制系統硬件設計

該系統以西門子S7-200系列CPU 224XP CN PLC為控制系統的核心，其自帶兩路模擬量輸入、并支持兩路最高可達100kHz的高速脈沖輸出，且其最多可支持8路PID控制回路。力傳感器采用LZ-LS9柱式拉壓傳感器，并配以LZ-JX1單路精密型變送器，力傳感器量程為10kg，經變送器可輸出0～10V一路模擬量信號，將該模擬量接入PLC模擬量輸入模塊中，可接A或B接點，配置好接點后，經過AD轉換，模擬量轉換成0～32000的數字量值，若接A點，則數字量傳至AIW0寄存器中，若接B點，則數字量傳至AIW2寄存器中，電路圖如圖4所示。

2.3 控制系統軟件設計

控制系統軟件包括HMI與控制程序兩部分，HMI用于設置實驗參數。本系統采用三菱GT1000觸摸屏作為HMI，其中參數設置界面如圖5所示。

圖4 力傳感器電路圖

圖5 參數設置界面

參數設置完畢后，需進行單位轉換，通過調用MAP SERV庫中的Scale_EU_Pulse函數，將設定的速度值轉化為脈沖頻率值，具體程序如圖6所示。

系統單輸入單輸出的力反饋控制過程如圖7所示。傳感器和變送器實時檢測打磨力的輸出情況，并反饋到控制系統中，控制系統實時計算系統給定值與打磨力的偏差大小，同時通過控制模組的升降運動，調節磨盤位置以達到減小力偏差的目的。

同時，設計了一種利用定時器分階段調速的控制算法，實現不同壓力差S使用不同的調整速度，提高反應時間。當壓力差S較大時，升降模組速度也越快，壓力差S較小時，升降模組速度也較小。使用西門子PLC自帶的1ms、10ms、100ms三種類型的定時器，如表1所示，為實現分階段調速，本文提出了針對不同壓力差階段定時判斷的方法，即在不同壓力差階段定時判斷的頻率不同。將壓力差S分為四個階段，具體情況如式（1）所示。

圖6 單位轉換程序

圖7 控制框圖

表1 西門子PLC定時器

圖9 階段四程序

由于傳感器精度問題以及數字轉換及比較過程存在一定誤差。當壓力差絕對值小于0.005kg情況時，認為壓力已調整到目標值。

在式（1）中，當壓力差絕對值大于0.1kg時，模組滑臺移動速度設置為20mm/s，每個定時周期（1s）發送10000個脈沖；在階段二，模組滑臺移動速度設置為10mm/s，每個定時周期（500ms）發送3000個脈沖；在階段三，模組滑臺移動速度設置為5mm/s，每個定時周期（200ms）發送1000個脈沖；在壓力差很小情況下，也就是在第四階段，需要模組滑臺慢速移動，具體程序如圖9所示。

由圖9可知，在階段四中，每個定時周期PLC發送10個脈沖；模組伺服驅動器電子齒輪比設置為10000，即PLC每發送10000個脈沖，升降電機轉動一圈，升降模組移動一個導程L（10mm）。通過以下計算可得到模組在壓力差很小時可實現移動精度：

通過上式可知，x為10μm。通過本文的分階段調速算法，既可以在壓力差很低情況下實現精確移動，又可以在壓力差較大情況下實現快速調整。

3 結論

該打磨臺在試驗平臺上進行連續運行生產，運行狀態良好，可配合六關節機器人實現高精度打磨作業。試驗表明，打磨臺中磨盤平移的可調整范圍為±3mm，平移精度達到10μm，磨盤轉速為200～3000r/min，加工可接觸力為0.1～8kg。該設備成功研發可提高打磨設備的柔性，可對平面、曲面及各種不規則自由面進行加工，滿足不同種類工件的打磨要求。