高 寒

（東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150000）

0 引言

當(dāng)前，機(jī)器人鑄件打磨系統(tǒng)主要應(yīng)用在汽車零部件生產(chǎn)加工領(lǐng)域，打磨方式大致分為兩種：一種是主動打磨，其工作原理是由機(jī)器人夾持鑄件，通過控制機(jī)器人夾持鑄件靠近打磨設(shè)備進(jìn)行打磨作業(yè)；另一種是被動打磨，其工作原理是由機(jī)器人夾持打磨工具，通過控制機(jī)器人按規(guī)定程序動作靠近鑄件，并通過電主軸驅(qū)動打磨工具進(jìn)行打磨作業(yè)。[1]被動打磨又有兩種方式：一種是采用打磨機(jī)器人與固定打磨平臺配合進(jìn)行打磨作業(yè)，另一種是采用搬運(yùn)機(jī)器人和打磨機(jī)器人配合進(jìn)行打磨作業(yè)。

MEPSA公司采用主動打磨方式建立打磨工作站，通過系統(tǒng)控制機(jī)器人夾持水龍頭，并靠近固定的砂帶輪完成打磨作業(yè)，完成打磨的水龍頭表面質(zhì)量較高。[2]Lai Zou設(shè)計了一種具有浮動補(bǔ)償功能的砂帶磨削裝置，采用主動打磨方式進(jìn)行打磨作業(yè)，打磨后葉片輪廓精度顯著提高。[3]廈門理工學(xué)院劉健春等人控制機(jī)器人夾持工件靠近砂帶輪進(jìn)行磨削，并對打磨結(jié)果進(jìn)行分析優(yōu)化。[4]總體而言，采用主動打磨方式的打磨工作站具有控制靈活性高、打磨精度高等優(yōu)點，適用于形狀簡單、體積和重量較小的鑄件。

蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司采用被動打磨方式開發(fā)了集物料搬運(yùn)、工件打磨于一體的機(jī)器人打磨工作站，通過雙機(jī)協(xié)同工作實現(xiàn)管件的高效打磨。[5]上海工程大學(xué)韓家哺等人建立雙機(jī)器人打磨工作站，并對雙機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明，雙機(jī)器人系統(tǒng)具有靈活性高、可操作空間大等優(yōu)勢，通過協(xié)調(diào)汽車輪轂夾持機(jī)器人與輪轂打磨機(jī)器人的運(yùn)動，達(dá)到恒力打磨控制的目的。[6]雙機(jī)器人工作站自動化程度較高，但兩臺機(jī)器人同時工作時容易發(fā)生碰撞造成設(shè)備損壞，因此對系統(tǒng)的可控性要求比較高。從現(xiàn)有研究來看，機(jī)器人打磨能有效提高生產(chǎn)效率，但系統(tǒng)集成度和自動化水平還有待進(jìn)一步提高。

本文針對重型卡車車橋鑄件打磨效率不高的問題，設(shè)計一種基于工業(yè)機(jī)器人的自動化打磨工作站，由于車橋鑄件質(zhì)量大、尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此系統(tǒng)采用被動打磨方式，即機(jī)器人與固定打磨平臺配合的方式進(jìn)行打磨。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、靈活性高以及打磨效率高等優(yōu)點，適用于實際生產(chǎn)加工。

1 工作站系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

基于工業(yè)機(jī)器人的車橋打磨工作站（見圖1）由工業(yè)機(jī)器人、控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成。該工作站的控制系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)組成，其中包括西門子PLC、HMI觸摸屏、示教器、電主軸控制器等；機(jī)械系統(tǒng)包括回轉(zhuǎn)工作臺、夾具、工件放置臺、工具庫以及安全防護(hù)裝置等。工業(yè)機(jī)器人選用IRB4600，工作范圍為2.05 m，有效負(fù)載為60 kg，能承受打磨過程中產(chǎn)生的沖擊載荷。整個打磨工作站配有工具庫，可根據(jù)打磨作業(yè)部位和精度的不同配套相應(yīng)的打磨工具，使工作站具有較高的產(chǎn)品適應(yīng)性。通過設(shè)置安全門與防護(hù)欄裝置保障工作人員的安全，防止外部人員進(jìn)入機(jī)器人打磨工作區(qū)。出現(xiàn)緊急情況時可通過觸發(fā)急停裝置使整個工作站停止工作，同時觸發(fā)蜂鳴器和指示燈等報警提示裝置。工作站通過設(shè)計專用夾具保證在打磨過程中車橋處于正確的位置，通過設(shè)計兩工位回轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)工件的自動換位，提高打磨效率。

圖1 車橋鑄件打磨工作站圖

2 工裝夾具和回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計

重型卡車具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中車橋質(zhì)量的好壞會影響到重型卡車的性能，車橋是重型卡車驅(qū)動系統(tǒng)的重要部件，車橋通過懸架與車架相連接，其兩端安裝車輪，車橋能夠支撐整個貨車的重量并保護(hù)主減速器、差速器和半軸等。車橋鑄件的定位和夾緊是保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵，根據(jù)零件的使用特點，車橋鑄件需要打磨冒口殘余、分型面錯型、大法蘭面毛刺以及端面毛刺（打磨部位示意圖見圖2）。

圖2 車橋鑄件打磨部位示意圖

2.1 工裝夾具設(shè)計

車橋的結(jié)構(gòu)中定位面均為粗基準(zhǔn)鑄造表面，可以作為定位基準(zhǔn)。針對車橋鑄件特點設(shè)計夾具三維結(jié)構(gòu)（見圖3）。打磨分型面錯型、大法蘭面毛刺、端面毛刺時，工作臺安裝2個小型定位塊；打磨冒口殘余時更換大型定位塊。為保證工業(yè)機(jī)器人打磨時車橋鑄件處于正確的位置，需要將工件的6個自由度全部限制，即沿著X、Y、Z坐標(biāo)軸的移動和沿著X、Y、Z坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動需全部限制。使用兩個短V形塊限制X軸以及Z軸方向的移動和轉(zhuǎn)動，擋板限制Y軸方向的移動，定位塊限制Y軸方向的轉(zhuǎn)動。工件完成定位后，為了保證打磨過程中車橋鑄件始終處于正確的打磨位置，通過控制氣缸來控制夾具的夾緊動作。

圖3 夾具圖1

2.2 回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計

回轉(zhuǎn)工作臺用于安裝夾具以及零件，轉(zhuǎn)臺內(nèi)部采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有傳動比大、工作平穩(wěn)以及噪聲小等優(yōu)點，用于傳遞空間中兩交錯軸的運(yùn)動和動力，回轉(zhuǎn)工作臺的三維結(jié)構(gòu)見圖4，技術(shù)參數(shù)見表1。回轉(zhuǎn)工作臺由伺服電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)傳動齒輪減速，并將運(yùn)動和動力傳遞給蝸輪蝸桿，通過主軸將運(yùn)動與動力傳遞給工作臺，工作臺旋轉(zhuǎn)至設(shè)定的角度，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，依靠氣缸活塞桿與工作臺下方環(huán)形槽之間的摩擦實現(xiàn)剎車，到達(dá)指定位置時活塞桿插入環(huán)形槽中的孔，達(dá)到鎖死的目的。[7]

圖4 回轉(zhuǎn)工作臺圖

表1 回轉(zhuǎn)工作臺參數(shù)表

3 工作站的控制系統(tǒng)設(shè)計

車橋打磨工作站選用西門子S7-1200 PLC為上位機(jī)控制器，PLC流程見圖5，工作過程如下：

圖5 PLC流程圖

1)對整個控制系統(tǒng)初始化。PLC會保留之前運(yùn)行程序的數(shù)據(jù)信息，因此首先要將PLC程序模塊的數(shù)據(jù)全部清零，將控制系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

2)設(shè)置HMI觸摸屏。連接HMI變量與PLC變量，操控觸摸屏按鍵控制PLC，進(jìn)而控制機(jī)器人運(yùn)動。

3)將激光測距傳感器放置在機(jī)械臂末端，通過設(shè)置指定路徑讓激光測距傳感器發(fā)射的激光垂直通過零件的邊緣檢測點，PLC將傳感器傳入的電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。當(dāng)激光通過零件的邊緣檢測點時傳感器的數(shù)值會出現(xiàn)由高到低或者由低到高的變化，PLC對應(yīng)產(chǎn)生脈沖信號并向機(jī)器人發(fā)送信號，機(jī)器人記錄此時位置坐標(biāo)。傳感器共檢測4個點位并且每兩個點位構(gòu)成一條直線，將直線的交點與基準(zhǔn)點進(jìn)行比較，計算沿工件坐標(biāo)系的X軸和Y軸方向變化的偏移量；將其中一條直線與基準(zhǔn)直線進(jìn)行比較，計算直線的偏移角度。通過在示教器中編寫程序讓工業(yè)機(jī)器人調(diào)整工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點位置以及X軸與Y軸的角度并啟動打磨程序。

PLC與HMI觸摸屏通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，按下觸摸屏上的指令，機(jī)器人實現(xiàn)相應(yīng)的動作。此外，PLC還通過開放的以太網(wǎng)協(xié)議支持與第三方設(shè)備通信，PC端、PLC和機(jī)器人通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，[8]實現(xiàn)對PLC以及機(jī)器人的編程及監(jiān)控，工作站通信方案見圖6。

圖6 工作站通信圖

4 打磨系統(tǒng)仿真分析

本文利用RobotStudio軟件生成車橋鑄件打磨軌跡。在離線編程軟件中創(chuàng)建新的工作站，在新建的空工作站中通過模型庫導(dǎo)入功能導(dǎo)入已設(shè)計的相關(guān)模型，如車橋鑄件、工作臺以及夾具等，對應(yīng)三維模型需要根據(jù)實際尺寸進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)項目的要求選定具體的機(jī)器人型號、承載能力以及到達(dá)的距離，為提高打磨軌跡的精度，對工作站中各部分的擺放位置進(jìn)行校核，與實際打磨工作站各部分位置相對應(yīng)。

在本工作站中，工件坐標(biāo)系建立在法蘭面的中心位置，工具坐標(biāo)系建立在砂輪的中心位置。利用RobotStudio軟件的Machining PowerPac插件來生成打磨軌跡。首先，根據(jù)所要打磨工件的特點選擇Intersection Geometry的軌跡生成方式進(jìn)行分型面打磨軌跡的生成(見圖7)；其次，通過選擇截面的間隙和數(shù)量對打磨面進(jìn)行劃分，插件中可以根據(jù)需求設(shè)置不同的打磨工具（包括T形刀和燕尾槽銑刀等）；最后，通過整合前面的操作來調(diào)整刀具的行走軌跡，生成打磨軌跡，通過模擬仿真可以觀看機(jī)器人打磨的過程。

圖7 分型面和冒口路徑圖

針對大法蘭、端口以及分型面打磨采用表面邊界的方式生成打磨軌跡，表面邊界能夠增強(qiáng)工件模型表面的幾何特征，以便更好地選取所需加工軌跡的邊緣特征。邊界模型創(chuàng)建完成之后，可以使用機(jī)器人軌跡自動生成功能生成并顯示機(jī)器人的打磨軌跡(見圖8)，為了工件的安全性，在設(shè)置中需要為每條打磨軌跡配置1個入刀點和1個出刀點。

圖8 法蘭面和端面路徑圖

遺傳算法是研究TSP（Traveling Salesman Problem，旅行商問題，簡稱TSP）最為常用的一種算法，它能夠使整個種群均勻向最優(yōu)區(qū)域移動。粒子群算法在極值尋優(yōu)的過程中，收斂速度較快，但全局搜索能力弱，實驗發(fā)現(xiàn)隨著迭代次數(shù)的增加，粒子之間越來越相似，容易陷入局部最優(yōu)。本文將遺傳算法與粒子群算法結(jié)合起來解決TSP問題，該方法能提高標(biāo)準(zhǔn)粒子群的搜索能力，獲得較高的收斂速度，求得近似最優(yōu)解，算法在保留粒子群算法原本的性質(zhì)外，通過粒子與個體極值和群體極值的交叉以及變異來對粒子群的多樣性問題進(jìn)行改進(jìn)，對粒子攜帶遍歷城市的信息進(jìn)行交叉、變異處理，從而改變粒子原本想要表達(dá)的遍歷方案，搜索出最優(yōu)解。以法蘭面為例，打磨完成后法蘭面可能會有殘留，針對這種情況收集殘留處的點位坐標(biāo)，并將其儲存為txt文本，通過MATLAB進(jìn)行仿真，在迭代次數(shù)為50時，仿真結(jié)果達(dá)到最優(yōu)，仿真運(yùn)行時間為6.577 s，最短路徑為2 312.33 mm，仿真結(jié)果見圖9。

圖9 仿真結(jié)果圖

基于工業(yè)機(jī)器人的車橋打磨工作站系統(tǒng)，利用西門子PLC控制機(jī)器人進(jìn)行打磨，提升了打磨自動化水平。利用RobotStudio對打磨軌跡進(jìn)行仿真，并結(jié)合遺傳算法與粒子群算法尋找出二次打磨的最優(yōu)路徑。該工作站結(jié)構(gòu)的自動化工件流轉(zhuǎn)部分還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，通過后續(xù)的樣機(jī)系統(tǒng)試驗可進(jìn)一步完善該打磨工作站系統(tǒng)。