智能機器人恒力裝置硬件系統的設計

李端　李煥鋒　嚴智超

摘要：本文設計一種獨立于工業機器人之外的恒力裝置，即工業機器人僅負責拋光軌跡的控制，恒力裝置負責控制拋光壓力的大小。針對氧化鋯陶瓷手機后蓋這種薄脆類曲面工件的拋光，通過精確控制拋光壓力的大小并保持恒定，有利于實現材料的塑性去除，提高工件表面材料去除均勻一致性，從而獲得無損、平滑的工件表面。

關鍵詞：恒壓力;機器人;氧化鋯陶瓷;恒力裝置

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0214-03

隨著5G信號與無線充電技術的發展，金屬手機后蓋由于具有較高的電磁信號屏蔽性而開始逐步退出中高端手機后蓋市場，氧化鋯陶瓷手機后蓋則憑借優秀的抗摔耐磨、低電磁屏蔽性等特性逐漸在手機后蓋市場中脫穎而出，目前拋光類工業機器人的恒壓力控制一直是熱門研究課題，拋光壓力的大小直接影響工件加工的效率及質量，過大的拋光壓力導致材料去除量較大;過小的拋光壓力導致較小的材料去除率，無法達到理想的效果。

1 恒力裝置設計方案

1.1 恒力裝置工作原理

恒力裝置設計采用主動柔性控制方案，其工作原理如上圖1所示。該恒力裝置采用氣缸作為動力執行元件，通過電氣比例閥調節氣缸的輸出壓力大小，通過兩位五通電磁換向閥控制氣缸輸出壓力方向。氣缸元件被安裝于機械臂末端與拋光磨頭之間，當處于非工作狀態時，氣缸處于最大行程處，對外無作用力輸出;當處于拋光狀態時，氣缸受到外力處于收縮狀態，此時對外有作用力輸出，遭遇外力突然增大時，氣缸由于輸出壓力小于外力進行自然順從性向內縮進，反之遭遇外力突然減小時，氣缸由于輸出壓力大于外力進行自然順從性向外伸長，同時控制器接收拋光壓力信號，調節氣缸內部氣體壓力，實現拋光壓力的恒定。

1.2 恒力裝置的整體框架

恒力裝置的整體框架如上圖2所示，主要包括硬件系統與軟件系統的設計。 硬件系統作為一個閉環壓力測控系統，主要涉及工控機、恒力執行機構（氣缸）、傾角傳感器、三向力傳感器、電氣比例閥、電磁換向閥等元器件，其中恒力執行機構作為被控對象，負責拋光壓力的動力輸出;電氣比例閥與電磁換向閥作為調控元件，分別負責控制拋光壓力的大小與方向;三向力傳感器與傾角傳感器負責對機器人手臂末端不同姿態下拋光壓力的精確測量;工控機作為控制器，利用先進的控制算法直接控制電氣比例閥與電磁換向閥的輸出，進而實現拋光壓力的恒定控制。

2 硬件系統設計

2.1 恒力執行機構機械結構設計

恒力執行機構采用氣缸作為動力元件，拋光壓力主要由氣缸活塞桿提供，由于恒力執行機構，拋光過程中活塞桿會受到較大的彎矩，降低氣缸的伸縮性及剛性，因此本文對氣缸本體進行結構優化。恒力執行機構的裝配圖與三維模型如上圖3示，上端蓋上表面存在的螺紋通孔與沉頭孔分別用于連接機械手臂末端法蘭與氣缸本體;氣缸本體外形類似一柱狀體，該柱狀體中心孔為缸筒，中心孔周圍均勻分布的四個通孔為直線軸承安裝孔，導向軸隨缸筒內活塞的伸縮沿直線軸承軸線方向滑動，氣缸端蓋通過密封圈對氣缸本體進行密封處理，并且起固定直線軸承作用;氣缸套筒底面通過螺紋連接四個導向軸與活塞桿，隨活塞桿的伸縮而上下往返運動;下端蓋通過沉頭孔與氣缸缸套螺紋連接，通過螺紋通孔與拋光磨頭連接;上下端蓋之間安裝橡膠防塵罩，可隨活塞的伸縮自動拉伸與折疊。恒力執行機構伸縮范圍為0-50mm，輸入氣壓在0.1-0.5MPa之間，最大輸出壓力為350N，本體重量2.4kg，可連接負載小于6kg。

2.2 傳感器安裝與拋光力計算

2.2.1傳感器安裝位置

傾角傳感器主要用于測量機械手臂末端執行器姿態參數，需直接水平安裝于機械手臂末端，恒力執行機構由于內部結構緊湊，不適于安裝傳感器，因此傾角傳感器安裝于恒力執行機構與機械手臂末端法蘭之間，如下圖4示。

三向力傳感器主要用于直接測量拋光過程中三維方向上拋光力的大小，如上圖4示，三向力傳感器可安裝于恒力執行機構與拋光磨頭之間，或者安裝于手機后蓋夾具的連接件下方，第一種方案中三向力傳感器的Z軸力的方向即為拋光壓力方向，Z軸所測力大小與拋光磨頭重力沿拋光壓力方向的分力之和即為拋光壓力大小，拋光水平切削力即為三向力傳感器X、Y軸的合力，該方案通用性較高，但直接安裝于機械手臂末端，加大了拋光過程中磨頭振動，因此影響三向力傳感器應變片的精準輸出。第二種方案中三向力傳感器位置固定不變，根據傾角傳感器測得拋光壓力的方向參數，拋光壓力大小為X、Y、Z三拋光力沿拋光壓力方向的分力之和，拋光水平切削力需根據測得拋光力合力與拋光壓力大小求解。因此選擇將三向力傳感器固定安裝于手機后蓋夾具的連接件下方，通過橡膠墊進行密封防水處理，此狀態下三向力傳感器性能穩定可靠，且壽命較長。

2.2.2拋光力計算

2.2.3? 硬件邏輯結構設計

恒力裝置的硬件整體邏輯結構如下圖6示，恒力執行機構作為測控系統中的被控對象，其直接被安裝于機械手臂末端與拋光磨頭之間，氣源由空壓機提供，首先流入電氣比例閥，工控機通過輸出電壓模擬量調節電氣比例閥輸出氣體壓力，進而控制恒力執行機構輸出壓力大小;而后氣體進入兩位五通式電磁換向閥，工控機通過輸出數字量控制換向閥通斷，進而控制恒力執行機構輸出壓力方向;三向力傳感器測量拋光壓力在空間X、Y、Z軸三方向的分力，傾角傳感器測量恒力執行機構拋光過程中的姿態參數;工控機將接收反饋的三向力數據與傾角參數通過式（4）與式（5）分別轉換為拋光水平切削力與拋光壓力數據，然后根據壓力設定值與實際測量值的誤差，采用先進算法調節電氣比例閥與電磁換向閥，進而實現穩定、快速、準確地控制拋光壓力。

3結論

本文研究了目前3D氧化鋯陶瓷手機后蓋拋光現狀，針對其拋光過程中存在的低良品率、低效率、高成本問題，提出一種基于工業機器人的恒壓力柔性拋光方案。

1） 恒力裝置安裝于工業機器人手臂末端與拋光磨頭之間，采用氣缸作為動力輸出元件，伸縮行程為0-50mm，最大輸出壓力約350N，可連接最大負載約6kg。

2） 構建了由工業機器人、拋光磨頭、恒力裝置、工作臺與夾具五部分組成的工具型工業機器人拋光實驗平臺。工作臺尺寸設計及安裝位置主要考慮工業機器人的運動軌跡，主要功能為夾具的安裝固定，夾具的設計采用真空吸附原理，通過優化夾具結構可穩固吸附氧化鋯陶瓷手機后蓋。

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【通聯編輯：唐一東】