基于力控制的机器人研抛工艺研究*＊

刘广保 赵吉宾 田凤杰

(①沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳110159;②中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室，辽宁 沈阳110016)

随着航空、航天、造船和汽车等制造业的飞速发展，对产品的性能、外观等要求越来越高，使得复杂曲面在现代工业中的应用越来越广泛。为达到产品外观和表面质量要求，经常采用研磨和抛光加工。传统的研磨抛光加工主要依靠手工，不仅费时费力，效率低下，而且难以保证产品质量的一致性和精度。与数控机床相比，机器人具有较大的工作空间，被加工工件装夹容易，价格较机床低廉等优点。因此，基于工业机器人的研抛技术研究在航空航天制造领域也得到广泛关注［1］。

Fusaomi Nagata 等人提出了基于位置和力控制的机器人抛光系统［2-3］。谭福生和葛景国介绍了一种基于力控制的ABB 机器人打磨系统，同时开发了一款基于ABB IRC5 的机器人系统应用软件包［4］。WANG Wei 和YUN Chao 提出了一种应用于机器人砂带磨削的路径规划方法用于加工叶片［5］。X L Jin 和L C Zhang 建立了一种用于预测抛光过程中材料去除的统计学模型［6］。张庆伟、韩丽丽等人研究了基于速度伺服的力/位混合控制策略，并进行了仿真分析，同年，他们提出了一种基于包围盒的机器人抛光路径生成方法［7-8］。Arif Wahjudi 和Fang-Jung Shiou 研发一种应用于加工中心上的力控制的新型抛光工具用于改善中等尺寸模具钢的光整加工［9］。Frank Domroes，Carsten Krewet 和Bernd Kuhlenkoetter 把力控制技术应用于水泵叶轮边缘去毛刺和型腔的打磨，研究了位置控制和力控制对于打磨的影响，分析了力的波动对去除的影响规律［10］。宁波材料研究所研发了一款基于力控制的抛光机器人用于不锈钢杯体外壁的研抛加工［11］。计时鸣和曾晰等人提出了一种软固结磨料群加工方法，同时对材料去除特性进行了分析，建立了材料去除的定量估计模型［12］。黄新春和张定华等人研究了镍基高温合金磨削参数对表面完整性的影响规律［13］。樊成和赵继等人对抛光盘移动抛光时过渡区域的材料去除进行了理论建模，并做了相关试验研究［14］。

基于上述对机器人研抛位置/力控制策略和研抛工艺参数对表面完整性的影响规律研究，本课题主要研究对于有机玻璃这类非金属材料，机器人研磨抛光加工过程中力控制对加工表面质量的影响规律。对比分析了研磨和抛光过程中，加入力控制与不加力控制对于表面粗糙度和三维表面形貌的影响规律。实验结果表明在其他加工条件一定的情况下，对于材料的均匀性去除(粗糙度的波动大小)和表面形貌，力控制下的研磨抛光加工结果明显优于不加力控制的加工结果。

1 力控制技术

对于焊接、搬运、喷涂等作业，机器人只需要控制位置就可以满足要求。而对于装配、磨削和抛光加工，仅对机器人进行位置控制是不够的，则需要对机器人末端的执行器进行力和位置的混合控制。在研抛和抛光加工过程中，研抛工具与工件表面之间的接触压力是影响加工质量的主要因素，因此，在机器人研磨抛光加工中，主要以力控制为主。基于力控制的机器人可以模仿工人的操作，通过控制接触力实现恒压力加工。

力控制是在操作臂上安装力/力矩传感器，对接触力进行检测，利用检测到的接触力信息进行位置补偿控制，不仅可以提高有效位置精度，而且保证了合理的接触力，从而完成有接触的恒压力加工任务。因此，力控制技术成为机器人自动化研抛技术研究的新方向。

2 基于力控制的机器人研抛系统

基于力控制的研磨抛光机器人系统，如图1 所示，主要由KUKA30-3 中等载荷机器人、机器人控制柜、力控制及路径规划计算机、研抛工具头、六维力/力矩传感器和工作台等组成，六维力/力矩传感器安装在机器人第六轴法兰盘上，用来测量在传感器坐标系下x、y、z三所受的力和力矩的大小。研抛工具通过连接法兰盘连接到力/力矩传感器的测量端。机器人研抛轨迹由计算机完成，其输出和机器人控制柜相连，生成的机器人代码传输到机器人控制器，控制机器人末端轴的行走轨迹。机器人的研抛过程为:首先计算机应用CAD/CAM 软件和VS2010 编程软件生成机器人代码，并通过以太网接口传输到机器人控制器，控制器控制机器人按规划轨迹加工，同时六维力/力矩传感器测量工具与工件接触点法向的力，力传感器将测量的力/力矩信息传递给力控制器，力控制器根据预先设定的压力值调整机器人的位置，以保证研抛工具与工件之间保持恒定的研抛压力，从而保证加工的效果。

3 研抛实验

3.1 实验材料

研究采用的试件材料为普通有机玻璃，尺寸大小为300 mm×150 mm×10 mm。有机玻璃具有极好的透明性能，透光率达到92%;机械强度高;重量轻，密度为1.18 g/cm3，重量仅有普通硅晶玻璃的一半;易加工等特点。由于有机玻璃具有以上优良性能，已被广泛应用在飞机风挡、舷窗，汽车风挡和车窗等航空航天、汽车制造等领域。

3.2 实验方案

实验以KUKA30-3 机器人为平台，加工方案如图2 所示;研抛工具为海绵橡胶圆盘可以粘贴砂纸，直径为50 mm;砂纸磨料为碳化硅，磨粒直径为100 μm 和30 μm;抛光液为3M PN81235 抛光液。实验研究旨在分析研抛接触压力对表面质量的影响，同时对比有/无力控制对加工表面质量的影响。研磨抛光实验参数如表1 和表2 所示。

表1 研磨加工参数

表2 抛光加工参数

研抛质量的优劣采用表面粗糙度、表面形貌和透光性来评价，表面粗糙度使用光学轮廓仪(ZYGO-NewView 5022 表面轮廓仪)和MarSurf PS1 便携式表面粗糙度仪进行测量。便携式粗糙度仪的扫描长度为8.000 mm，截止波长和取样段数分别为0.800 mm 和5，评定长度为4.000 mm。表面形貌的观测应用光学轮廓仪(ZYGO-NewView 5022 表面轮廓仪)进行，其主要技术参数为分辨率横向为110 nm，垂直为0.1、3、20 nm，最大扫描深度为2 ～150 μm。加工完的试件如图3 所示。

4 实验结果及分析

如图4 所示，研抛加工过程中，力/力矩传感器测量的研抛工具与工件表面之间的压力通过数模转换器(AD)传输到计算机，通过计算机处理力/力矩信息控制机器人末端研抛工具与工件表面的相对位置，同时在计算机上实时显示接触力的大小及变化趋势。

图5 为研磨和抛光加工过程加入力控制技术测得的研抛接触压力大小随加工时间的变化，从图中可以观察到接触力的大小在某一稳定压力值下随时间变化产生一定的波动。这种波动是由于研抛工具的制造装配误差、位置误差和研抛工具与工件表面接触时产生的微小震动引起的，这些误差都是无法完全消除的，因此波动无法避免，只能通过优化控制方法减小外界干扰，使研抛压力趋近理想的压力值，保证特定压力范围内的恒压力研抛加工。

表3 和表4 为使用便携式粗糙度仪MarSurf PS1测量的应用不同研抛压力加工后的表面粗糙度Ra值。表3 分别为研磨过程中加入力控制进行位置补偿和在给定初始压力但不进行力控制的条件下加工后获得的加工表面粗糙度，表4 为加入力控制进行位置补偿和给定抛光压力下不加力控制的条件下进行抛光获得的表面粗糙度值及简单分析结果。研磨抛光加工前已使用100 μm 的3M 268L 型砂纸进行粗磨加工，加工后的粗糙度为1.301 μm。实验研究过程中，研磨抛光加工参数如表2 和表3 所示。应用数理统计学对表4 测量的粗糙度值进行简单的分析，可以看出在研磨加工过程中，研磨接触压力越大去除能力越强，表面粗糙度值减小速率越快，但去除均匀性越差，接触瞬间产生的震动也就越大，测量的压力波动就越大;相反，研磨压力越小去除能力越小，表面粗糙度值减小速率越缓慢，去除均匀相对较好，解除压力的波动较小。而力控制在加工中的作用，通过分析可以看出，加入力控制后获得表面粗糙度较好，粗糙度的波动也较小，材料去除的均匀性较好，同时也说明力控制对形状精度有着优越的保持性。

表3 研磨后表面粗糙度Ra μm

图6 为加工前后应用光学轮廓仪(ZYGO -NewView 5022 表面轮廓仪)观测到的工件表面形貌和研磨纹理照片，研磨加工过程中，接触压力对表面质量的影响最为敏感，因此，实验主要研究接触压力对表面粗糙度和表面形貌的影响规律。图6a 可知，在图示研磨条件下，其粗糙度为1.301 μm，最大波峰高度为10.108 62 μm，最大波谷深度为6.145 21 μm，研磨纹理清晰，可以看到切削和滑擦现象;图6b 可知，其表面粗糙度为0.367 μm，最大波峰高度为3.494 86 μm，最大波谷深度为4.955 77 μm，研磨纹理清晰，可以看到滑擦和耕犁现象。由此可知，随着研抛接触压力的增大，出去深度增大，粗糙度值减小，但算术平均偏差增大。因此，在实际研磨加工中，应根据具体工序工艺要求选择研磨压力的大小。

表4 抛光后表面粗糙度

表4 为加入力控制与不加力控制下抛光后表面粗糙度的比较，为研究力控制对抛光质量的影响，应用数理统计方法对实验结果进行简单分析，不加力控制抛光获得表面粗糙度值是应用力控制抛光后获得表面粗糙度值的2 倍，样本方差比为1.6，显然力控制下的抛光质量优于不加力控制的抛光加工。基于力控制的机器人抛光不仅能够均匀的去除表面研磨划痕，还可以保证工件的形状精度不发生改变，获得良好的表面光粗糙度。

图7 为抛光工件表面三维形貌和工件表面粗糙度变化曲线，由于有机玻璃抛光后表面很容易为划伤，试验后应尽量不要触摸工件表面，及时覆盖保护膜以免表面划伤。由图7a 可知，在图示抛光条件下，其表面粗糙度Ra=12.622 nm，PV=63.855 nm，RMS=14.836 nm，最大波峰高度为0.329 71 μm，最大波谷深度为0.295 35 μm;在图7b 中所示抛光条件下，其表面粗糙度为Ra=25.062 nm，PV=157.264 nm，RMS=32.267 nm，最大波峰高度为0.361 19 μm，最大波谷深度为0.411 34 μm;通过对两种控制方式的抛光加工结果对比分析，可以看出基于力控制的抛光方法获得表面质量明显优于无力控制的抛光加工。

5 结语

通过对有机玻璃自动化研磨抛光加工过程中力控制对加工表面质量影响规律的实验研究，可以得出如下结论:

(1)研磨加工过程中，研磨接触压力是影响表面质量的主要因素。接触压力的大小对去除量的大小、去除的均匀性影响规律为研抛压力越大，去除量越大，去除能力越强，而去除的均匀性较差;相反，研抛压力越小，去除量越小，去除能力越差，但去除的均匀性相对较好;因此，在研磨加工过程中，粗研应采用较大的压力，提高加工效率，而在精研过程中，应取较小的压力，均匀地去除粗研工序的划痕，改善表面粗糙度和表面形状精度。

(2)基于位置控制的机器人在焊接、搬运等领域能够满足应用需求，而在机械加工领域，仅对位置控制是很难保证加工精度的，因此，引入力控制技术控制机器人末端工具与工件表面之间的接触压力进行加工。研究对比了加入力控制与不加力控制对研磨和抛光加工过程的影响，实验结果表明基于力控制的机器人研抛加工表面质量明显优于不加力控制的研抛加工。

(3)与数控机床相比，机器人的机械刚度和重复定位精度较差，在装配、研抛等精度要求较高的领域，仅对位置进行控制难以满足精度要求。因此，基于力控制的机器人加工技术将成为自动化精密/超精密加工关键技术之一。

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