面向陶瓷潔具打磨機器人恒力打磨裝置系統(tǒng)設計

黃小娣

（廣東理工學院，廣東 肇慶 526100）

0 引言

由于陶瓷潔具注漿成形后的泥坯，一般表面不太光滑，邊口部呈現(xiàn)毛邊，多合模型注漿的泥坯還帶有縫線跡，因此，對泥坯必須進行修坯或磨坯，使坯體光潔，口堧圓滑。日用陶瓷泥坯的修坯分為干修和濕修兩種。衛(wèi)生陶瓷行業(yè)中的衛(wèi)生陶瓷干坯打磨工藝，常規(guī)的以人工手動打磨為主，打磨的質量效果不穩(wěn)定，所加工過的衛(wèi)生陶瓷產品均一性較差，而且人工作業(yè)效率低，生產成本高[1-2]。而機器人自動化打磨系統(tǒng)可以確保打磨效果的一致性和精確性，提高加工效率，降低廢品率，而且能夠降低成本，改善工人作業(yè)環(huán)境[3-4]。目前，機器人自動打磨一般依靠固定機械手的控制程序進行打磨，不能對打磨的力度根據(jù)情況的變化和相對應的調整，打磨質量不能保證，應用范圍和效果都受到限制[5]。為了克服以上現(xiàn)有技術存在的不足，本文設計了一種打磨機器人恒力打磨裝置系統(tǒng)，該系統(tǒng)能使恒力裝置與陶瓷潔具工件保持恒定作用力，以實現(xiàn)陶瓷潔具穩(wěn)定高效打磨加工的目的。

1 系統(tǒng)總體技術方案

陶瓷坯屬于易脆碎物體，如果僅有機器人運行程序在運動學層面保證打磨工具和陶瓷坯之間的運動和力關系，則程序的可用性得不到保證。要完成打磨作業(yè)，恒力打磨裝置必須具備從自由空間到約束空間對力的柔順控制能力。在傳統(tǒng)位置控制（即指機器人程序的位置控制）的前提下，需要對機器人進行力位混合控制，開發(fā)自適應力反饋系統(tǒng)，自動補償磨損，實現(xiàn)軌跡跟蹤。即以產品最終打磨要求作為分析條件，從系統(tǒng)及整線控制角度出發(fā)，結合力反饋、被動軌跡跟蹤、磨料磨損等信息分段、分時補償運動誤差，完成具體產品和生產條件的補償策略，降低了對機器人精度的依賴。

1.1 恒力打磨裝置系統(tǒng)設計要求

（1）裝置的工作模式為自動控制。

（2）工業(yè)機器人與氣動恒力裝置協(xié)調配合對陶瓷潔具表面恒力打磨，按照所設定的路徑，工序自動打磨。

1.2 系統(tǒng)結構設計

根據(jù)陶瓷潔具工件打磨工況需求，設計陶瓷潔具的打磨機器人系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由上位人機交互模塊、恒力打磨裝置、加工裝置和工位轉臺等構成。

圖1 陶瓷潔具打磨機器人系統(tǒng)組成

人機交互模塊提供力控系統(tǒng)控制器、軌跡離線編程的功能[6]，能實時監(jiān)控，打磨數(shù)據(jù)保存，報表生成等功能；恒力打磨裝置模塊能夠控制打磨作業(yè)時的接觸壓力，保證加工時的加工質量；加工裝置模塊由6軸工業(yè)機器人和打磨頭組成，對打磨機進行軌跡控制；工位轉臺為了實現(xiàn)打磨衛(wèi)生陶瓷的復雜曲面，使用機器人附加軸實現(xiàn)控制。

2 恒力打磨裝置設計

傳統(tǒng)的機器人力反饋系統(tǒng)多采用六維力傳感器裝配在機器人末端，這樣的系統(tǒng)造價昂貴，對應用環(huán)境要求嚴格，操作復雜，不適合在惡劣環(huán)境下和操作者應用。本設計中恒力打磨裝置技術方案如圖2所示，整個恒力打磨裝置包括：連接工具、波紋管式緩沖氣囊、壓力傳感器、控制閥、位移傳感器、循環(huán)滾珠軸承、導向桿、導向裝置、彈簧、進氣和排氣管道等組成。為了達到高精度的力控制要求，該裝置分為上下兩個法蘭，一端連接機器人法蘭末端，一端連接打磨工具，兩法蘭之間通過橡膠防塵管進行密封處理；內部的動力原件為一雙向氣缸，通過浮動接頭連接兩個法蘭端蓋，由外部控制氣路控制氣缸的伸縮；為了保證整個系統(tǒng)的伸縮性和剛性，選用滾珠花鍵導軌進行導向；磁性開關則安裝在氣缸的一側用于檢測氣缸的伸縮位置；壓電閥、電磁閥與加速度傳感器等等則集成在其內部，以對設定力進行控制。

圖2 恒力打磨裝置技術方案

裝置采用氣動控制方式，氣動裝置與圖2進氣和排氣管道相連。基于氣動恒力裝置ACF（恒力柔順法蘭）的一維恒力裝置可實現(xiàn)工具與工件作用力柔順可控，進而保證加工質量，減少對對機器人精度和動態(tài)特性的依賴，氣動恒力裝置ACF原理圖如3所示。

圖3 氣動恒力裝置ACF原理圖

ACF工作原理：首先對ACF設定一個恒定力F（可正可負），通過比例閥和電磁閥來實現(xiàn)力的大小和方向，加速度傳感器可以測量ACF相對水平面的角度從而換算出正確恒定的輸出力F，磁性開關可以控制電磁閥的換向，也具有測量氣缸活塞位移的功能。當ACF接觸到外界表面時，氣缸活塞桿會往其運動相反的方向移動，并通過對氣壓的控制來ACF保證與接觸面恒定的力大小F，裝與其上的加速度傳感器可以測出ACF在不同角度正向接觸外表面時的角度，并通過換算得出恒定的輸出力大小F。

氣動恒力裝置ACF控制原理如圖4所示，傳感器模塊用于采集恒力裝置的受力信號和姿態(tài)信號并發(fā)送到控制閥，控制閥根據(jù)受力信號和姿態(tài)信號實時調節(jié)電機的線圈電流使得恒力裝置與加工工件保持恒定作用力。

圖4 氣動恒力裝置ACF打磨修坯力學控制控制原理

3 實驗

為了驗證恒力磨削裝置在實際磨削操作中的實際效果并分析氣動力輸出的穩(wěn)定性，依靠構建的實驗平臺，如圖5和圖6所示，對輸出力的控制進行了研究。在實驗中，預設目標接觸力為20 N，使打磨頭與陶瓷潔具正上方表面垂直接觸，通過離線編程軟件進行程序編譯，使工業(yè)機器人按照預定的程序運行，同時打動打磨機開關使其旋轉工作，設置數(shù)據(jù)采集卡的采集周期是50 ms。在實驗中，由于打磨機的振動和外界干擾等原因，恒力打磨系統(tǒng)的輸出有一定的抖動。通過上位機的軟件監(jiān)控下，力控法蘭實際輸出接觸力平均在±2 N范圍內上下波動，波動幅度比較小，輸出接觸力相對平穩(wěn)，恒力輸出如圖7所示。整個打磨時間為2.5 min，傳統(tǒng)的手動打磨時間約為6 min，效率提高了60%。操作員可以通過人機交互界面實時監(jiān)視設備的運行狀態(tài)，設置過程參數(shù)，使設備維護更加方便。

圖5 氣動恒力裝置

圖6 陶瓷打磨機器人實驗平臺

圖7 恒力打磨裝置輸出力曲線

4 結論

設計了用于工業(yè)機器人的陶瓷潔具氣動恒力裝置系統(tǒng)，并設計了陶瓷打磨機器人實驗平臺。基于搭建的實驗平臺，研究了打磨機器人的輸出接觸力控制。實驗驗證表明，該裝置運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了陶瓷衛(wèi)生潔具的連續(xù)打磨，大大提高了打磨效率，具有較高的社會應用價值。