通過負(fù)載監(jiān)控減少鑄件打磨工作站撞刀

陳一鳴，李海剛，于林波，李軍鵬

天潤泰達(dá)智能裝備（威海）有限公司 山東威海 264400

1 序言

六軸工業(yè)機器人在自動化生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，其中針對鑄件清理打磨作業(yè)的應(yīng)用實例不勝枚舉[1]。但鑄件清理作業(yè)中工件個體差異大，對工業(yè)機器人設(shè)備的柔性要求較高，尤其是目前眾多工作站由于投資、現(xiàn)場條件等多種原因，仍在使用人工示教調(diào)整打磨軌跡的作業(yè)方式。鑄件個體差異大的原因之一是同一型號工件存在不同爐號之間模具和鑄造工藝的差異，這就導(dǎo)致同一工件在打磨作業(yè)程序示教過程中，難以一蹴而就，需要反復(fù)調(diào)試對刀點。在程序調(diào)試至設(shè)備穩(wěn)定生產(chǎn)之前，存在因刀具規(guī)格不合適而出現(xiàn)的撞刀或過打磨情況。本文針對這一生產(chǎn)實際問題，提出了基于電主軸變頻器負(fù)載監(jiān)控的機器人整體運行速度調(diào)節(jié)方案，以避免撞刀、過打磨等事故對電主軸等貴重設(shè)備的損害。

2 負(fù)載監(jiān)控方案原理

工業(yè)機器人鑄件打磨作業(yè)所用的電主軸一般采用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制，而變頻器的輸出電流主要由電主軸刀具端的實際加工負(fù)載決定。

變頻器工作電流的變化可以反映出打磨刀具端加工負(fù)載的變化情況[2]，如當(dāng)外部負(fù)載突然增大時，變頻器的輸出電流也會相應(yīng)增大，且增幅比例相似。

對比實際電流的變化趨勢、幅值與正常穩(wěn)定加工過程的相應(yīng)數(shù)值，可以間接分析出電主軸的工作情況是否存在撞刀、過打磨等大負(fù)載工況[3]，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通過PLC通信模塊發(fā)送給機器人控制器，調(diào)整機器人的整體運行速度。通過降低刀具端的進(jìn)給速度，實現(xiàn)對電主軸設(shè)備的保護(hù)。負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)整體框架

3 試驗臺搭建

工業(yè)機器人采用KR210型六軸機器人，打磨測試工件選用某型號曲軸毛坯兩種爐號各多件，變頻器為臺達(dá)C2000系列，PLC為歐姆龍CP1H系列。測試曲軸毛坯打磨工作臺如圖2所示。

圖2 測試曲軸毛坯打磨工作臺

硬件準(zhǔn)備完畢后開始試驗，試驗流程如下。

（1）穩(wěn)定加工閾值采集 在PLC控制柜內(nèi)將采集的變頻器電流信號按照0.5s的間隔進(jìn)行存儲記錄，并顯示在控制柜顯示屏上。選用已經(jīng)調(diào)試好的打磨程序和能穩(wěn)定加工的一批相同爐號工件進(jìn)行信號采集。采集到多組信號后，結(jié)合實際打磨作業(yè)流程，分析穩(wěn)定打磨作業(yè)時電主軸負(fù)載的大致范圍，等效到變頻器工作電流的大致范圍。圖3為其中一件工件在穩(wěn)定加工工況下變頻器的電流變化情況，可以看到電流的突變幅值在60A左右，接近變頻器的額定電流。

圖3 穩(wěn)定加工工況下變頻器電流變化情況

（2）過載加工閾值采集 選用不同爐號的工件，仍使用上一組穩(wěn)定加工閾值采集中的機器人示教軌跡，對電流變化進(jìn)行記錄分析。圖4為其中一件工件在過載加工工況下變頻器的電流變化情況。測得過打磨作業(yè)的電流幅值約為83A，與穩(wěn)定加工工況有明顯差距。

圖4 過載工況試驗記錄

（3）使加工調(diào)速過程平滑 將60A與83A兩個閾值代入上述控制流程對應(yīng)的邏輯判斷層的參數(shù)中，分別設(shè)定為降低整體運行速度至70%和30%，并在其間插入3個額外分級，使整體加工調(diào)速過程更加平滑。再次選用第二批次工件進(jìn)行連續(xù)打磨作業(yè)的測試。

觀察出現(xiàn)撞刀、過打磨等情況的頻率，發(fā)現(xiàn)撞刀未發(fā)生，過打磨頻率降低。但期間出現(xiàn)過一次較為嚴(yán)重的過打磨情況（見圖5），超過了標(biāo)準(zhǔn)工件軌跡約8mm。通過分析得出該原因是：為提高整體運行效率，機器人加工軌跡采用了逼近軌跡，而逼近軌跡會受到逼近前機器人實際運行速度的影響。因此系統(tǒng)調(diào)整了逼近前的機器人運行速度，導(dǎo)致逼近軌跡發(fā)生變化，且由于此處軌跡特征，機器人無法快速回到逼近后軌跡上，所以持續(xù)在逼近過程中偏移軌跡進(jìn)行打磨，伴隨著打磨軌跡偏移和切削深度增加，電主軸負(fù)載增大，進(jìn)一步影響了機器人的實際運行速度。在后續(xù)測試中取消了幾個特殊位置的逼近指令，未再次出現(xiàn)這種情況。

圖5 嚴(yán)重的過打磨情況

4 結(jié)束語

負(fù)載調(diào)速后，撞刀情況未再次發(fā)生，過打磨情況仍存在，但有所降低。因此得出該系統(tǒng)對示教軌跡調(diào)試驗證階段的工作站電主軸有一定的保護(hù)效果。

在示教調(diào)試新工件打磨軌跡的過程中，對實際打磨效率的要求相對較低，更加注重打磨質(zhì)量和工業(yè)機器人點位是否合適，此時可以不采用逼近指令，通過負(fù)載監(jiān)控減少調(diào)試過程中因軌跡不合適而出現(xiàn)的撞刀、憋停和過打磨等打磨事故，保護(hù)電主軸設(shè)備。在打磨軌跡穩(wěn)定后，為提高效率再增加逼近指令，同時移除變頻監(jiān)控的調(diào)速功能。打磨軌跡已經(jīng)穩(wěn)定且適應(yīng)工件時，本身出現(xiàn)撞刀等事故的概率就已經(jīng)很低，不再需要電主軸自身過載報警以外的其他保護(hù)措施。