机器人复杂曲面磨抛系统的构建及实验

马凯威，刘建春，林彦锋，黄海滨，林晓辉

（1.厦门理工学院 机械与汽车工程学院，厦门 361024；2.厦门思尔特机器人系统有限公司，厦门 361023）

0 引言

目前，磨抛加工的相关方法主要分为手工磨抛、专用磨床磨削、数控机床磨抛和工业机器人磨抛。手工磨抛存在劳动强度大，生产周期长，产品合格率不稳定等缺点；专用磨床虽然适合大规模生产，但通用性较差；数控机床磨抛则成本偏高，并且程序复杂。而机器人自动磨抛，具有效率高、成本低、柔性好等优点，因而，广泛应用于航空叶片、高档水暖器材和汽轮机叶片等具有复杂空间曲面产品的磨抛加工[1～4]。

近几年，国内外众多学者对机器人砂带磨削系统进行了相应研究，例如李成群等[5]设计了机器人磨削系统中的三自由度砂带磨床，实现了磨削过程中的微量进给；齐立哲等[6]提出了一整套关于组建机器人柔性加工系统的方案；Wang Wei等[7,8]设计了六自由度砂带磨抛系统的离线编程软件，为磨抛加工中路径的空间优化提供了理论支持；Dieste等[9]通过控制加工路径、工艺流程和数学模型等方面，使自由曲面磨抛所需要的时间和成本降到了最低。但是大多数相关研究尚未对机器人复杂曲面磨抛系统的搭建，离线编程及实验进行系统和详细的阐述。

本文将利用工业机器人，结合自主研发的砂带磨抛机和系统控制柜等组件，参照人工磨抛的方法搭建与之相对应的自动化系统。该系统旨在模拟机器人砂带磨抛生产作业，开展离线编程和模拟仿真，并为相关研究提供技术探索和实验参考。

1 机器人磨抛系统的搭建

该机器人砂带磨抛系统主要由机器人、砂带磨抛机、夹具和系统控制柜等部分组成，其系统组成如图1所示。

图1 机器人砂带磨抛系统

1.1 工业机器人

机器人模块主要由六轴机器人、IRC5控制柜和RobotStudio/RobotWare离线编程软件等部分组成。

该系统采用的工业机器人，其最大承载重量为60kg，可达距离为2.05m，能够充分模拟手工砂带磨抛[10]；其配备的IRC5控制柜能够实现机器人与PLC的DeviceNET通讯；自带的离线编程软件能够保证离线编程和模拟仿真的顺利进行。

1.2 砂带磨抛机

该砂带磨抛模块主要包括传动系统和气动单元等部分。如图2所示，传动系统由主动轮，张紧调偏轮，上接触轮和下接触轮等部件组成，由变频电机驱动，可以提供1400r/min的工作转速和最大2.2KN的砂带张紧力；气动单元由气缸和直线导轨等零件组成，可以满足 60kgf/cm2磨抛力的产品加工并实现支架整体80mm的往复运动。

图2 机器人砂带磨抛机整体装配图

1.3 机器人夹具

夹具设计采用了内外螺纹配合和伸缩销周向定位相结合的机械结构，同时利用气动控制和机器人运动组合的方案，实现机器人的自动夹取和放置，效果如图3所示。经过理论分析和计算，该结构能够承受20KN的轴向力和772Nm的力矩。

图3 机器人夹具三维截面图

1.4 控制系统

根据磨抛工艺的特殊需求，结合人工磨抛和机床磨抛生产线的设计思路，设计了工业机器人磨抛控制系统。该系统以可编程控制器（PLC）为控制核心，依靠现场总线和串口完成工业机器人、变频器和PLC等设备的通讯，能够实现由人机界面（HMI）到工业机器人和砂带磨抛机等设备的控制，其系统结构图如图4所示。

图4 机器人磨抛控制系统结构图

2 离线编程与仿真

机器人磨抛系统模拟仿真是建立在以RobotStudio/RobotWare为基础的工作站上完成的，主要包括机器人系统的建立及参数设定，工具模型的建立及参数设定，工作站的布局和Smart组件的应用等部分。

2.1 系统建模

工业机器人自带的专业离线仿真软件RobotStudio能够实现CAD模型导入、自动路径生成和碰撞检测等模拟仿真功能。首先，创建带有目标机器人及其控制柜的工作站。然后，利用Creo绘制仿真实验所需要的系统控制柜和砂带磨抛机等设备，并将其导入到该工作站中。最后，利用放置、创建机械装置和I/O配置等功能实现系统的布局和仿真，其效果如图5所示。

图5 仿真模拟实验平台在RobotStudio中的搭建

2.2 模拟仿真

在机器人磨抛系统的离线仿真过程中，主要采用RAPID语言实现系统逻辑和动作控制。利用系统的坐标参数，工具数据，功能指令和I/O信号等数据编写仿真程序，其控制流程如图6所示。

根据图6的任务流程进行模拟仿真。在仿真中，机器人首先夹取工件，然后磨抛机向PLC发出工位到达信号后，将其到达指定位置的信息传递给了机器人，机器人接收到信号后便迅速进入磨抛模式。该模式结束后，机器人放回水龙头，同时砂带磨抛机退回原点。由此保证了在整个磨抛过程中机器人，磨抛机和夹具等设备的协同工作。

图6 机器人编程流程图

3 实验

为了验证以上方案的可行性，以锻铸铜合金普通水龙头外表面磨抛为研究对象，根据设计方案及仿真流程，编写相应的PLC程序和人机界面，进行加工实验。实验用到的主要仪器如表1所示，其中加工工件表面的粗糙度由泰勒—霍普森表面轮廓仪上获得。

表1 主要实验设备型号

在加工实验时，设定砂带张紧力为139N，电机转速为1400r/min，磨抛力阀值为500N。按照图7所示流程分别对水龙头进行粗磨和细磨实验。加工前后工件对比效果如图8所示。

图7 机器人磨抛实验加工流程

图8 工件实验前后对比图

根据工件加工前后对比表面，加工后工件表面光滑，无明显毛刺、磕碰和划痕等缺陷。利用泰勒—霍普森轮廓仪，选取半径为22.4818mm，最大峰－谷高度为0.0785um的标准球为基准进行校准。然后选取长度为5mm的行程长度，在粗磨和细磨后的加工表测量得出表面粗糙度分别为Ra=2.2672um和Ra=0.7616um，以最小二乘法拟合各点结果如图9所示。分析最终加工表面粗糙度值远小于1.6um，完全可以满足工件电镀和配合等要求。

图9 加工表面粗糙度

4 结束语

1）本文根据实际生产需求完成了机器人砂带磨抛系统的整体搭建。在此过程中，自主研发并生产了砂带磨抛机、系统控制柜和夹具等设备，为该试验平台的搭建奠定了坚实的基础。

2）利用RobotStudio实现了整个磨抛系统的模拟仿真及机器人轨迹的离线编程，保证了生产加工的顺利完成。最后以水龙头为对象进行磨抛实验，证明了该方法的可行性、科学性和高效性，为机器人磨抛系统的自主研发提供了技术支持和有益探索。

[1] Song Yixu,Yang Hongjun,Lv Hongbo. Intelligent control for a robot belt grinding system[J].Control Systems Technology,IEEE Transactions on,2013,21(3)：716-724.

[2] Sun Yunquan,J Giblin D,Kazerounian K.Accurate robotic belt grinding of workpieces with complex geometries using relative calibration techniques[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,2009,25(1)：204-210.

[3] Volkov D I,Koryazhkin A A. Adaptive belt grinding of gas-turbine blades[J]. Russian Engineering Research,2014,34(1)：37-40.

[4] Wu Shuihua,Kazem K,Gan Zhongxue,et al. A simulation platform for optimal selection of robotic belt grinding system parameters[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2013,64(1-4)：447-485.

[5] 李成群,付永领,贠超,等.三自由度柔性砂带磨床的设计与磨削力位姿的分析[J].机械科学与技术,2011,30(3)：345-350.

[6] 齐立哲,甘中学,孙运权,等.复杂型面洁具机器人磨削抛光系统[J].机械设计,2011,28(5)：38-41.

[7] Wang Wei,Yun Chao,Zhang Ling,et al. Designing and optimization of an off-line programming system for Robotic Belt Grinding Process[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2011,24(4)：647-655.

[8] Wang Wei,Yun Chao.A path planning method for robotic belt surface grinding[J].Chinese Journal of Aeronautics,2011,24(4)：520-526.

[9] Dieste J A,Fernández A,Roba D,et al. Automatic grinding and polishing using spherical robot[J].Procedia Engineering,2013,63：938-946.

[10] 叶晖,管小清.工业机器人实操与应用技巧[M].北京：机械工业出版社,2014：12.