一種新型機(jī)器人砂帶磨削機(jī)的設(shè)計

一種新型機(jī)器人砂帶磨削機(jī)的設(shè)計

這些零件復(fù)雜，加工精度要求很高。然而,目前大多數(shù)的生產(chǎn)廠家對于該類產(chǎn)品的精加工采用人工磨削,存在著效率低下、尺寸精度低及產(chǎn)品一致性差的缺點。也有部分生產(chǎn)廠家采用機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)進(jìn)行磨削,但是只能起到降低工件表面粗糙度的作用,對于產(chǎn)品的外形尺寸不能保證。針對這種情況開發(fā)出了一維力控制砂帶磨削機(jī),從而實現(xiàn)機(jī)器人在磨削過程中對磨削壓力、磨削速度的控制,為實現(xiàn)高精度磨削提供過程控制支持,以此提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。1砂帶壓縮機(jī)的組成和要求1.1砂帶磨削系統(tǒng)該機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)如圖1所示。由圖可知,該砂帶磨削系統(tǒng)主要由砂帶磨削機(jī)、水冷系統(tǒng)、接觸式測量儀、三維激光掃描儀(Scanner)、ABBIRB4400型機(jī)器人5部分組成。1.2基于接觸式測量的加工方法完成一個產(chǎn)品的磨削要經(jīng)過對工具、工件裝卡和標(biāo)定,加工路徑離線編程,通過接觸式測量儀測得工件外形尺寸誤差分布,從而得到一些特定點的磨削量?；谀ハ髦R庫和特定點的磨削量來設(shè)定機(jī)器人磨削過程參數(shù),從而實現(xiàn)給定點上給定磨削量的磨削,機(jī)器人自動磨削,工件卸載這一流程。1.3砂帶磨削機(jī)高精度磨削的基礎(chǔ)由磨削流程可以看到,完成工件精確磨削最重要的一點是實現(xiàn)在給定點上進(jìn)行給定磨削量的磨削,而磨削過程中工件與砂帶之間的磨削壓力及磨削速度是影響磨削量重要因素,由此可見,砂帶磨削機(jī)能夠精確地控制磨削壓力和磨削速度是最終實現(xiàn)機(jī)器人高精度磨削的基礎(chǔ)。2恒磨削力磨削在機(jī)械部分設(shè)計過程中該砂帶磨削機(jī)采用了如圖2所示的方案。由圖2可以看出,該砂帶磨削機(jī)主要由接觸輪、調(diào)偏輪、壓力傳感器、LVDT(線性位移傳感器)等組成。其中低摩擦氣缸推動固定在橫梁上的接觸輪及其他部分通過導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)相對于機(jī)架前后移動,以此來補(bǔ)償磨削壓力的變化,實現(xiàn)恒磨削力磨削。由于所用的電機(jī)功率比較大,所以將電機(jī)放在機(jī)架上,這樣可以減小浮動部分的質(zhì)量,使浮動部分具有比較小的慣性,從而可以使系統(tǒng)能夠快速地響應(yīng)磨削力的變化,提高力控制的效果。3中小型plc監(jiān)控系統(tǒng)電控部分的硬件組成如圖3所示。選用S7-200PLC作為主控制器,其CPU型號為CPU226,該種型號的PLC為一款高性能的中小型PLC,能夠滿足該系統(tǒng)的控制要求。由圖3可以看出,該控制系統(tǒng)主要由人機(jī)交互界面、驅(qū)動部分、數(shù)據(jù)采集部分及其他I/O部分4個單元組成。3.1接口相連顯示在該控制系統(tǒng)中,采用西門子TP170A觸摸屏與S7-200PLC通過RS485接口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,以實現(xiàn)人機(jī)交互界面。通過該人機(jī)交互界面,一方面可以在觸摸屏上對整個磨削系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,包括磨削速度、磨削壓力等;另一方面可以在觸摸屏上顯示整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)及一些系統(tǒng)參數(shù)。這樣就能提供一個非常友好的人機(jī)交互界面。3.2v模擬量的確定該部分主要包括三相變頻電機(jī)的驅(qū)動及低摩擦氣缸的驅(qū)動。三相電機(jī)的驅(qū)動:首先是D/A模塊將PLC發(fā)出的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為一個0～10V的模擬量,對于變頻器來說,該模擬量對應(yīng)的是0～nmax(最大轉(zhuǎn)速)的電機(jī)轉(zhuǎn)速,然后由變頻器輸出相應(yīng)頻率的電壓,驅(qū)動三相電機(jī)以一定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn),以此控制磨削速度。低摩擦氣缸的驅(qū)動:將在PLC中經(jīng)過一定運算得到的對應(yīng)于氣缸活塞桿輸出推力的數(shù)字量經(jīng)過D/A模塊轉(zhuǎn)換為一個0～10V的模擬量,然后經(jīng)過比例閥輸出一個與輸入模擬量成比例的0～ps(供氣壓力)的氣壓,以此來使低摩擦氣缸輸出一定的氣缸推力。3.3擬量信號的轉(zhuǎn)換此部分的作用主要是采集兩個數(shù)據(jù),首先由壓力傳感器采集氣缸的輸出壓力,采集到的模擬量信號經(jīng)過放大器放大后由A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后傳給CPU模塊,以此來構(gòu)成磨削壓力的一個半閉環(huán)控制;其次通過LVDT來采集接觸輪的前后浮動量,并將采集的模擬量信號經(jīng)A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳給CPU進(jìn)行相應(yīng)的運算,以此來解耦出磨削壓力。3.4數(shù)字i和o部分此部分的功能是進(jìn)行數(shù)字開關(guān)信號的輸入與輸出,如變頻器使能、限位開關(guān)信號,以及用于與機(jī)器人通信的I/O信號采集等。4生產(chǎn)力控制的實現(xiàn)4.1被動式力控制設(shè)計的思想在機(jī)器人磨削系統(tǒng)中,機(jī)器人用來進(jìn)行位置的控制,是剛性的;而砂帶磨削機(jī)要進(jìn)行磨削壓力的控制,為保證兩者接觸時的安全,需要力控制的驅(qū)動部分具有一定的柔性;另一方面為了提高磨削精度,要求磨削機(jī)能夠快速響應(yīng)磨削壓力的變化,同時也要盡可能提高力控制的精度?；谝陨蟽牲c考慮,在磨削機(jī)設(shè)計的時候采用了由氣動比例減壓閥和低摩擦氣缸構(gòu)成被動式的力控制方式,這是因為一方面由于空氣的壓縮性大、粘性小,有利于構(gòu)成柔軟型驅(qū)動機(jī)構(gòu)和實現(xiàn)高速運動,從而能夠快速響應(yīng)磨削壓力的變化;另一方面采用比例減壓閥驅(qū)動低摩擦氣缸,并由壓力傳感器采集氣缸的輸出力構(gòu)成半閉環(huán)的控制系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)壓力的高精度控制。由于采用的是水冷的磨削方式,需要用外罩將浮動部分及電機(jī)進(jìn)行密封,因此,可以將支撐浮動部分的滑塊兩端面的防塵板去掉,這樣通過實驗發(fā)現(xiàn)滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦力相對于磨削用的接觸力來說很小,因此可以忽略不計。此時所采用的力控制方案的原理圖如圖4所示。4.2砂帶緊邊的浮動量的測量在忽略導(dǎo)軌與滑塊之間摩擦力的情況下,假設(shè)某一時刻浮動部分向后移動了Δx,相應(yīng)的漲緊輪向后移動Δx1,此時對磨削機(jī)浮動部分做如圖5所示的水平方向受力分析,由受力分析圖可以看出,磨削壓力是氣缸輸出力與砂帶漲緊力在水平方向分力的合力,而在磨削過程中,由于接觸輪會前后浮動從而引起Ft及F′t在水平方向上分力的變化,因此這是一個力位混合控制系統(tǒng),首先要解耦出氣缸輸出力,這樣才有可能實現(xiàn)磨削壓力的精確控制。磨削前根據(jù)所需要的磨削切向力大小來確定砂帶所需要的漲緊力,這樣在磨削過程中就能知道砂帶緊邊和松邊的拉力。標(biāo)定的理論工作位置是砂帶緊邊為豎直時接觸輪最前端所在的位置。若浮動部分因為葉片尺寸誤差及示教誤差向后浮動了Δx(如圖5所示),若忽略各個膠輪上圓弧部分砂帶長度的改變量,可以認(rèn)為只有l(wèi)2與l3的長度發(fā)生了改變。l2的改變量:Δl2=Δx-Δx1l3的改變量可近似計算為:Δl3=Δx1cosα由砂帶總長不變可知:Δl2=Δl3即:Δx-Δx1=Δx1cosα所以∶Δx1=Δx1+cosα(1)cosα′=x3+Δx1l3+Δl3=x3+Δx1l3+Δx1cosα(2)所以∶Δx1=Δx1+cosα(1)cosα′=x3+Δx1l3+Δl3=x3+Δx1l3+Δx1cosα(2)松邊拉力在水平方向分力:F′tx=Ftxcosα′=Ftxx3+Δx1l3+Δx1cosα(3)F′tx=Ftxcosα′=Ftxx3+Δx1l3+Δx1cosα(3)式中:α——初始位置砂帶松邊與水平方向的夾角;α′——當(dāng)前位置砂帶松邊與水平方向的夾角。由于浮動量極限值相對于l1來說很小,并且初始位置處l1為豎直的,因此,緊邊拉力在水平方向分力可以近似計算為:Ftx≈FtΔxl1(4)Ftx≈FtΔxl1(4)對于浮動部分,由水平方向受力平衡可得:Fc=Fa+Ftx+F′tx(5)所以:Fa=Fc-Ftx-F′tx(6)式(6)即為PLC控制的目標(biāo)值。在磨削過程中接觸輪的浮動量Δx能夠通過LVDT適時地測量并傳送給PLC,這樣,PLC就能根據(jù)砂帶總長不變這個約束條件算出在每個時刻砂帶緊邊和松邊與水平方向的夾角,從而算出緊邊和松邊在水平方向的分力Ftx和F′tx,進(jìn)而由公式(6)計算出目標(biāo)值Fa的大小。力傳感器適時地采集目標(biāo)值的大小,并將采集到的值反饋給PLC,PLC再根據(jù)反饋回來的實際目標(biāo)值與理論值之間的偏差,通過PID控制算法來輸出對應(yīng)的模擬量電壓值,以此構(gòu)成對目標(biāo)值的閉環(huán)控制,從而實現(xiàn)對磨削壓力的半閉環(huán)控制。4.3磨削壓力變化規(guī)律為驗證力控制效果,采用一個在腕關(guān)節(jié)處帶有六維力傳感器的ABB機(jī)器人夾持葉片進(jìn)行葉片磨削實驗,該六維力傳感器用來采集機(jī)器人末端的葉片所受到的水平方向的正壓力(即磨削壓力)并實時傳送給機(jī)器人控制器。在磨削過程中,由一臺與機(jī)器人控制器相連的上位機(jī)以曲線形式實時顯示磨削壓力的變化情況。設(shè)定磨削壓力為170N,啟動磨削后運行機(jī)器人磨削程序,得到的六維力傳感器采集的磨削壓力變化曲線如圖6所示。通過分析曲線圖發(fā)現(xiàn)該磨削機(jī)能夠比