機器人在研磨拋光項目中的運用

李建剛

[摘 ? ?要]研磨拋光是制造業領域的一項重要內容，其質量水平的提升工作受到了業界的高度重視，為提高其質量水平，對機器人的運用加強了研究。基于此，結合研磨拋光機器人的基本特點，從通信設計、軟件設計和質量控制三個方面入手，探討了研磨拋光項目中運用機器人的具體流程以及質量控制措施等。

[關鍵詞]機器人;研磨;拋光;工業生產

[中圖分類號]TP242 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）05–0–03

Application of Robots in Grinding and Polishing Projects

Li Jian-gang

[Abstract]Grinding and polishing is an important content in the field of manufacturing. The improvement of its quality level has been highly valued by the industry. In order to improve its quality level， researchers have strengthened the research on the application of robots. Based on this， combined with the basic characteristics of grinding and polishing robots， this paper starts from three aspects of communication design， software design and quality control， and discusses in detail the specific process of using robots in grinding and polishing projects， as well as quality control measures.

[Keywords]robot; grinding; polishing; industrial production

隨著科學技術的不斷發展，制造業已經向著高精尖的趨勢不斷邁進，這就對研磨拋光項目的技術水平提出了更高的要求。以樂器加工制造為例，機器人研磨拋光對于替代手工拋光，具有效率高、品質穩定、安全性高等諸多優勢，但由于拋光表面的形狀復雜性，以及經常涉及到多種材料的應用，以及對一些復雜曲面進行加工。在這種情況下，手工研磨拋光就存在不穩定、效率低和工作環境惡劣等諸多缺點，需要機器人設備取而代之。由此可見，機器人在用研磨拋光項目中進行進一步的深入研究與應用已是大勢所趨，應當對此做進一步的深入探究。

1 用于研磨拋光的機器人系統概述

用于研磨拋光的機器人系統是一個整體性較強的系統，其涵蓋了機器人、控制器、末端執行器、拋光頭、力傳感器、上位機和其他附屬設備等[1-2]。其中，拋光頭是執行研磨拋光加工的主要器件，其與機器人協同運動;力傳感器則安裝在機器人末端和研磨工具之間，主要用于數據的采集和輸出。整個系統通過局域網進行連接，通信協議則采用TCP/UDP協議，確保各個設備之間的通信[3]。同時，傳感器和上位機（三菱PLC）也通過以太網進行連接，用UDP協議進行通信，再由上位機控制機器人的運動情況。整體來看，用于研磨拋光的機器人系統的主要任務是，控制機器人按照已經預設完成的運動路徑，使之執行研磨拋光的過程[4]。

在本次設計中，針對機器人的選型，采用六軸型機器人用于拋光加工，該機器人的基本參數見表1。

除了機器人本體之外，安川KUKA也為機器人配備了軟件系統，該軟件系統是為操作者提供基本控制功能的關鍵，其中包括路徑規劃、I/O管理、數據和文件管理等內容，同時，該軟件系統模塊化程度較高，能夠根據實際需要，補充安裝技術包和數據包等內容。

2 研磨拋光機器人的通信方案設計

2.1 整體通信方案綜述

為確保機器人能夠正常執行研磨拋光等相關工作，需要對整體的通信方案進行優化設計。在實際設計工作中，通常需要考慮實時通信和非實時通信兩種情況。其中實時通信的主要目的是用于機器人在RSI運行時的數據處理與發送;非實時通信的主要目的則是為機器人提供路徑規劃信息，再經由相應的算法進行轉換，形成機器人的運動信息，以指導機器人正確執行研磨拋光操作。

2.2 上位機和力傳感器的通信方案

力傳感器安裝在機器人末端和研磨工具之間，用以采集研磨頭的受力信息并將其傳輸至上位機，再由上位機對控制方案進行最終決策。考慮到通信效率，應當確保各個模塊中使用相同的編程語言進行通信的代碼，因此在實際設計中，需要本著一致性原則，優先使用C#程序來實現傳感器和上位機之間的通信。

考慮到機器人系統整體的通信方式是基于以太網進行的，因此，基于簡化的原則，可采用UDP協議進行通信，這種通信方式對于研磨機器人系統距離短和干擾因素少的情況下，能夠有效保證信息的可靠有效性，且傳輸速率較高（通常可達到7 000 Hz左右）。在確定整體通信方案后，還需要對力傳感器的IP地址進行設置，其IP地址通常設置為192.168.01.1，通信端口號則采用默認值為49 152[5]。

2.3 上位機與研磨拋光機器人的通信方案設計

在機器人通信接口部分，通常基于KRL機器人語言進行編程設計，以實現研磨拋光等各項功能，在應用這種編程語言時，主要包括定義、初始化和程序主體這幾個部分，通過正確的KRL編程，即可實現點對點之間的運動。但由于研磨拋光機器人運行時涉及到的點位較多，因此在實際操作時，僅憑少量的代碼還無法實現預期要求，為此，通常會在已有的基礎上引入RSI及其通信方法，該方法的相關數據文件則以XML格式存儲[6]。

2.4 系統軟件整體架構設計

系統軟件整體位于上位機中，包括非實時部分和實時部分，其中非實時部分主要用于數據文件的存儲，以提供預設的路徑信息和研磨拋光過程。而對于實時部分來說，考慮到上位機端程序軟件應實現的功能，該部分通常細分為兩個工作線程。一個線程負責機器人與上位機程序的信息交互，并包括實時計算的功能;另一個線程則用于與力傳感器之間進行信息交互，二者之間的通信則通過全局的變量加以實現。力傳感器數據的發送頻率可達到7 000 Hz左右，同時，考慮到機器人與上位機的信息交互過程涉及到不同的傳感器件，且各個傳感器件之間的通信頻域又存在著一定的差異，因此，為解決這種差異，在各個傳感器到機器人的通信線路中間增設一個頻域均衡器，利用其頻率響應特性，來解決頻域不同帶來的同步通信問題。

3 研磨拋光機器人行進路徑的生成

考慮到當前的研磨拋光加工涉及到更多的自由曲面，因此在實際工作中，傳統的路徑規劃方式已經難以滿足需要，為此，在應用研磨拋光機器人的過程中，通常需要對已有的數據進行處理，實現對需要加工的自由曲面的三維重構，并在此基礎上，根據不同工件的特點，選擇合適的規劃方法，以確保研磨拋光機器人具有正確的行進路徑。

為實現研磨拋光機器人行進路徑的生成，多采用空間填充曲線法進行路徑的生成，這種方法的區間分布均勻性和連續性均較高，基本上消除了整個切削過程中的空行程，并且降低了研磨拋光機器人行進軌跡的總長度，以往的路徑規劃方法相比，其優勢更為突出，具有良好的自動適應曲面局部特征復雜區域的能力，且在研磨拋光過程中產生顫震現象的幾率也相對較低。

在確定了路徑生成方法后，還需要對路徑規劃算法方面進行研究。在路徑規劃算法的選擇上，通常優先選擇Hilbert曲線生成算法，該算法的總體設計流程如下。

①確定遞歸深度n和開口方向s。②計算曲線的各個生成元。③根據開口方向，確定路徑曲線的具體連接方式。④確定曲線遞歸的起點和終點。⑤執行遞歸子程序，對生成的各部分按照連接方式來繪制遞歸曲線，即可實現Hilbert曲線生成算法。

在確定Hilbert曲線生成算法后，通過基于OpenGL的系統仿真平臺，生成Hilbert三維曲面的路徑，即可由此引導機器人沿此路線行進。以往的研究經驗表明，基于上述的設計方案后，機器人的行進路徑較為準確，證明這種方式具有較強的實用性。

4 機器人在研磨拋光項目中應用的控制方案

4.1 控制方案的主要目的和方法

對于研磨拋光機器人實際工作時所采取的“控制方案”，其主要目標是，對機器人在研磨和拋光過程中的力進行有效控制。其控制方法分為以下兩類。

（1）基于“不沖突”的原則，控制力和力矩沿著被約束方向和非約束方向，對機器人的位置進行控制，這種方法依賴于專門的控制器，因此實際應用占比較低。

（2）將機器人在約束環境下所受的作用力作為位置偏差的信息源，并將其傳給機器人末端執行器，當系統剛度值處于合理區間時，確定位置偏差與作用力之間的關系，即可確保機器人研磨拋光設備與工件之間的作用力也保持在合理區間之內，再通過力傳感器的反饋，即可確定工件研磨拋光位置的具體精度。相對而言，這類方法更為簡單，不需改變機器人的位置控制器即可實現機器人的力控制，實際效果較好，在實際工作中應用也較多。

4.2 研磨拋光機器人主被動柔順控制

研磨拋光機器人的末端裝置的剛度都較高，一旦位置控制出現失誤，則很容易導致工件的研磨拋光受到不可逆的破壞。但在實際工作中，由于客觀原因所限，機器人末端與工件曲面不恰當的接觸難以完全避免，為避免這種情況，就需要引入柔性作用力，以形成“主被動柔順控制”的目的。在實際工作中，為實現這一目標，通常引入柔性海綿墊材料，將其與研磨拋光機器人末端裝置相連接。通過這種優化設計后，研磨拋光機器人與工件曲面的接觸面積顯著增加，有效避免了研磨拋光機器人可能出現的錯誤的進給運動而造成的工件研磨拋光失敗的問題，同時這也有助于實現研磨拋光系統工作效率的提高。

在此基礎上，為了進一步提高主被動柔順控制的水平，通常需要對機器人的主被動控制結構做進一步分析，綜合考慮機器人研磨拋光控制端的剛度系數、海綿的質量和彈性系數、研磨拋光頭的位移情況等多方面的數據信息，分析其具體的函數關系。根據以往的研究經驗可知，在研磨拋光工作系統中，整個系統的傳遞函數由以下兩個公式組成：

式中，k為海綿材料的彈性系數，Ft（s）為研磨拋光力，τ為輸入信號的延遲時間，Gt（s）為研磨系統的控制對象。根據以上兩個公式，即可確定主被動柔順控制系統，并根據跟蹤反饋的結果，對機器人的位置進行微調，以實現更為有效的控制。

4.3 研磨拋光機器人的內模控制

內模控制（簡稱IMC）是基于數學模型的一種新型控制策略，這種控制方法的魯棒性相對更高，具有對偶穩定性、理想控制器特性和零穩態偏差特性等多種特點，同樣具有較高的實用價值。

在內模控制器中，其傳遞函數如下：

式中，Cimc（s）為內模控制器，實現抑制擾動和無靜差跟蹤的功能。M（s）為對象觀測模型，其作用是讓整個系統區域穩定。

為實現內模控制器的設計，在實際的研究工作中，主要通過以下幾個步驟加以實現：①對預測模型進行模型分解，此環節需要綜合考慮所有的時滯;②考慮到被控對象具有時滯的特點，選取濾波器對其進行濾波，同時調節濾波器參數來實現系統期望的動態性能，即可最終實現內模控制器的設計;③內模控制器設計完成后，將其在MATLAB中進行仿真，確定其最終性能。

整體來看，內模控制的效果取決于系統的跟蹤特性、抗干擾特性和可調參數等多個方面，其中又以調整參數的作用更為顯著。在實際工作中，該調整參數通常會綜合考慮跟蹤特性和抗干擾性能來折中進行選擇，再通過反復試湊確定。當然，從以往的經驗來看，內模控制器雖然易于實現，但很難同時滿足跟蹤特性和魯棒性兩方面的要求，因此其實際應用也相對較少。

4.4 研磨拋光機器人的滑模控制

針對研磨拋光機器人的滑模控制，其主要目的是彌補內模控制的不足。具體來看，滑模控制系統屬于一種特殊的非線性系統，控制不連續性的特點較為突出，在該系統中，其狀態軌跡沿著開關超平面運動，如圖1所示。

從圖1中不難看出，s=0為滑模曲面（又稱為切換函數或切換面），s>0和s<0則分別對應兩種不同的狀態空間，但無論系統處于何種狀態空間，都會受到控制量變化的影響，朝著滑動曲面s=0運動，如此循環往復，直至滿足要求為止。同時也能看出，滑模運動控制對象的所有狀態點均不受參數變化和擾動的影響，因此從理論上講，滑模控制的穩定性相對更高。

為實現滑模控制，其首要工作是對滑模變結構控制器（滑動控制器）進行設計，基本步驟主要包括以下兩個部分：①設計切換函數，確保其所確定的滑動模態相對更為穩定，并提升其動態品質;②設計滑動模態控制率，以實現滑模變結構控制。在實際工作中，為實現有效的滑模變結構控制，通常優先采取比例切換控制法，以綜合考慮各種運行工況。

在以上環節設計完成后，即可得出研磨拋光機器人的傳遞函數，再將其轉換為狀態方程形式，在MATLAB上進行仿真，即可實現對控制器性能的確認。一般來說，滑模控制有著更小的誤差和更強的抗干擾能力，具有更高的實用價值。

5 結束語

研磨拋光項目涉及到的工藝因素相對較為復雜，因此其對機器人的應用也有著相對更高的要求。從研磨拋光機器人的使用角度來考慮，其關鍵性的工作則是對通信方案、軟硬件等方面加強優化設計，并合理選擇控制方式，以實現研磨拋光質量的穩步提升。當然，在今后的工作中，仍需要對此不斷進行優化創新，以切實提高研磨拋光的質量水平。

參考文獻

[1] 曾學淑，劉紅，崔歡歡.工業機器人在制造業中的應用研究[J].中國設備工程，2022（3）：34-35.

[2] 劉速杰，李論，趙吉賓，等.整體葉輪機器人研磨柔順控制研究[J].機械設計與制造，2021（12）：253-256，261.

[3] 孟雨彤.光學鏡面加工機器人軌跡誤差分析及輪廓控制研究[D].徐州：中國礦業大學，2021.

[4] GB/T 39407—2020， 研磨拋光機器人系統 通用技術條件[S].

[5] 劉天祥.柔性體磨削拋光無力傳感器機器人柔順控制系統研究[D].武漢：武漢紡織大學，2020.

[6] 張旭東.研磨拋光機器人恒力打磨末端執行器的研究與設計[D].北京：中國石油大學（北京），2018.