基于力控功能智能磨抛机器人系统研发

吕忠伟 王金涛 赵 森 郭海兵 关盛楠

（天津新松机器人自动化有限公司，天津，300000）

0 引言

智能磨抛机器人是以现代工业机器人为基础，与视觉识别、力控感知等传感功能融合，经过防尘与防护处理，能在粉尘多，噪声大等不适合人类工作的恶劣环境中代替人工进行各种打磨与抛光工作的新型应用机器人。

欧美等发达国家早在上世纪80年代就开始进行自动化磨抛系统研究，很多企业，如SHL、ACME、ARCOS、MEPSA等，将磨抛应用与六自由度工业机器人结合，形成了机器人磨抛系统。由于机器人磨抛系统能够大量替代人工，保证人员安全，提供可靠品质的产品，故机器人磨抛系统在国外得到了大量应用。

随着全球智能制造的浪潮推动、我国人口红利逐渐消失、人们对健康和环境越来越重视，磨抛机器人在我国的应用近年正迅速增长，磨抛机器人在航空航天、船舶制造、轨道交通、汽车工业、能源电力、化学工业、医疗器械、塑胶注塑、五金卫浴等行业的应用越来越多。

国内很多科研院所、企业单位都对磨抛机器人展开了研究。谭福生[1]等人对力控技术在机器人磨抛的应用进行了研究，开发出了一套闭环控制手把手示教的机器人系统。任旭、黄云[2]等人对机器人砂带磨削船桨的关键技术进行了研究，使用离线编程技术和浮动砂带磨削工具对船桨磨削进行了验证。陈冠林[3]等人研发出了基于六自由度机器人的四工位砂带磨削系统，该系统主要应用于高端水龙头打磨，使用了离线编程技术，并对从虚拟环境到真实环境轨迹编译和移植准确性进行了研究。张庆伟、徐方[4]等人对磨抛机器人力—位移混合控制进行了研究，对力信号进行了滤波、重力补偿及传感器标定等处理，消除了外界对力测量信息的干扰，并对控制算法进行了仿真实验。曲道奎，王金涛[5-6]等人针对五轴磨抛机器人提出了基于模型补偿和非模型补偿的混合补偿算法，并通过实验验证了该方法的有效性和可行性。

针对机器人磨抛应用，业界已经进行了很多研究，但是仍有一些问题亟待解决。如：在高速磨抛过程中，机器人如何控制磨抛力度？磨抛耗材出现损耗后如何补偿？机器人如何自适应设定磨抛工艺过程中的关键参数？如何规划机器人磨抛轨迹？如何建立具有一定智能的磨抛专家系统？等等。针对这些问题，本文研发出一套磨抛机器人系统，提出了一定的解决方法与思路。

1 硬件执行系统

本文所研发的智能磨抛机器人硬件执行系统如图1所示，主要包括：新松SR10C工业机器人、砂带机、抛光机、物料供给系统、末端执行系统、抛光剂供给系统、除尘工作间、人机交互界面、电气系统组成等。

图1 智能磨抛机器人系统

SR10C工业机器人主要负责工件的各种磨抛动作并与力传感器共同完成耗材损耗检测与补偿。工件磨抛工作主要在砂带机与抛光机上进行，抛光机上辅助有喷蜡系统，在抛光过程中可控喷蜡。砂带机与抛光机都可实现无级变速功能，可保证磨抛过程中的线速度一致，从而保证工件磨抛质量。

上料和下料形式采用双工位转台，转台上安装有托盘，可以更换托盘以适应不同型号的工件。机器人末端法兰安装有力传感器、快换工具与气爪，力传感器可以实现耗材损耗检测，过载急停，磨抛力过程监测等功能。通过快换工具可以实现更换不同气爪来抓取不同类型的工件。磨抛机器人系统在关键的位置设有安全光栅、安全锁以及各种检测传感器，确保人员和设备的安全。

整套磨抛机器人系统设计在一个工作间内，工作间内设有整体除尘功能，同时在各个磨抛工位也有定点除尘区域。磨抛机器人系统的各个部件都安装在一个标准化基座上，可实现整体打包运输。各部件设备安装完毕后位置相对固定，一次装调即可，用户现场无需进行设备组装和调试，可实现开机即用。

2 智能磨抛专家系统

智能磨抛专家系统与客户磨抛工艺紧密结合，是将整个系统的各个控制模块有机整合、形成具有一定智能判断和自主决策的专家系统。

智能磨抛专家系统主要包含耗材损耗检测与补偿模块、角度损耗补偿模块、磨抛工艺管理模块、来料管理模块、产能管理模块、耗材寿命管理模块、耗材修整管理模块、抛光蜡管理模块、设备交互模块、安全保护与报警管理模块。

2.1 耗材损耗检测与补偿模块

机器人与力控传感器结合，自动检测耗材的损耗量并实现自动进给补偿耗材损耗量。同时补偿参数接口开放，在复杂条件下允许人为干预补偿方向与数值。

2.2 角度损耗补偿模块

角度损耗补偿模块与磨抛工艺相结合，自动调整补偿机器人相对耗材表面的接触角度。

2.3 磨抛工艺管理模块

磨抛工艺管理模块设置若干工艺过程，根据工件的生产质量状态和实际磨抛效果，智能增加或者减少磨抛工艺过程；也可人工设置任意组合各种不同磨抛工艺，完成工件的磨抛工作。

2.4 来料管理模块

这个模块主要负责料台的上料和下料管理，可设定工件来料总量，也可以设定从托盘某个位置的工件开始磨抛，具备自动拆跺和码垛功能。同时，该模块也具有工件有无检测、与工件相对应的工具检测等功能。

2.5 产能管理模块

产能管理模块监测托盘工件数量，当达到托盘工件数量上限时，报警提醒人工上料；监测磨抛机器人系统总的生产数量，为产能统计、产品质量、耗材寿命和设备维护等提供一定的依据。

2.6 耗材寿命管理模块

耗材寿命管理模块管理各种工艺使用耗材的寿命，耗材失效、耗材寿命到限时，该模块提醒人工干预或更换。耗材的使用寿命和磨抛力、磨抛速度、磨抛工件材质、磨抛耗材质量都有关系，所以这是一个综合各种因素与工艺密切相关的模块。

2.7 抛光蜡管理模块

抛光蜡管理模块管理工件抛光时喷蜡的频率、流量等。监测压力桶压力，抛光蜡液位高度等。

2.8 设备交互模块

设备交互模块控制机器人与周围设备交互的状态，达到安全设备之间交互生产的目的。

2.9 安全保护与报警管理模块

安全保护与报警管理模块管理各种安全与故障报警信息，智能定位故障点，同时给出处理方法等。

3 智能磨抛机器人系统实验验证

本磨抛机器人系统在客户现场已进行大批量工件磨抛验证，工件磨抛后质量效果合格，设备运行稳定，智能磨抛机器人系统生产节拍约为20s/个。整个系统为客户解决了招工难、工人健康无法保证、产品质量不稳定、环境污染等难题，同时在质量稳定的前提下，大幅度提高了产能，得到了客户的高度认可。

本文所磨抛的工件质量标准如下：

1）工件尺寸公差要求：如图2所示，磨抛后d的公差范围为0-0.4mm，图2为随机抽取100个磨抛后工件进行测量得到的公差数据。从图2中可看出，所检测的工件磨抛后尺寸没有超差，满足工件尺寸要求。

图2 磨抛后工件关键尺寸公差统计

2）工件形状要求：磨抛后刀片单齿两侧尖角圆滑过渡并且对称分布；磨抛后刀片单齿顶端变成近似椭圆球形状并且保证刀片齿尖锋利。磨抛前工件与该系统机器人磨抛后的工件对比图如图3所示，工件形状经过客户检验和实际装配使用后，均满足合格质量要求。

图3 工件磨抛前后对比图

4 结论

本文设计研发了一套基于力控功能的智能磨抛机器人系统，解决了磨抛机器人应用中的一些难题。

1）研发出了智能磨抛机器人硬件执行系统与磨抛专家系统，二者配合使用，使整个系统具有丰富的功能并具有一定的智能判断和自主决策能力。

2）提出了基于力控功能的耗材损耗自动检测与补偿技术，这一技术解决了磨抛过程中因耗材损耗令产品质量不稳定的难题，保证打磨抛光过程中产品的品质稳定。

3）经过实际生产验证，本文所研发的磨抛机器人系统节拍满足生产要求，所磨抛产品精度和质量全部合格，整个系统经过长时间运行，性能稳定可靠，达到了研发的预期要求。