李建剛

[摘 ? ?要]研磨拋光是制造業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其質(zhì)量水平的提升工作受到了業(yè)界的高度重視，為提高其質(zhì)量水平，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)用加強(qiáng)了研究。基于此，結(jié)合研磨拋光機(jī)器人的基本特點(diǎn)，從通信設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制三個(gè)方面入手，探討了研磨拋光項(xiàng)目中運(yùn)用機(jī)器人的具體流程以及質(zhì)量控制措施等。

[關(guān)鍵詞]機(jī)器人;研磨;拋光;工業(yè)生產(chǎn)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP242 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）05–0–03

Application of Robots in Grinding and Polishing Projects

Li Jian-gang

[Abstract]Grinding and polishing is an important content in the field of manufacturing. The improvement of its quality level has been highly valued by the industry. In order to improve its quality level， researchers have strengthened the research on the application of robots. Based on this， combined with the basic characteristics of grinding and polishing robots， this paper starts from three aspects of communication design， software design and quality control， and discusses in detail the specific process of using robots in grinding and polishing projects， as well as quality control measures.

[Keywords]robot; grinding; polishing; industrial production

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，制造業(yè)已經(jīng)向著高精尖的趨勢(shì)不斷邁進(jìn)，這就對(duì)研磨拋光項(xiàng)目的技術(shù)水平提出了更高的要求。以樂(lè)器加工制造為例，機(jī)器人研磨拋光對(duì)于替代手工拋光，具有效率高、品質(zhì)穩(wěn)定、安全性高等諸多優(yōu)勢(shì)，但由于拋光表面的形狀復(fù)雜性，以及經(jīng)常涉及到多種材料的應(yīng)用，以及對(duì)一些復(fù)雜曲面進(jìn)行加工。在這種情況下，手工研磨拋光就存在不穩(wěn)定、效率低和工作環(huán)境惡劣等諸多缺點(diǎn)，需要機(jī)器人設(shè)備取而代之。由此可見(jiàn)，機(jī)器人在用研磨拋光項(xiàng)目中進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究與應(yīng)用已是大勢(shì)所趨，應(yīng)當(dāng)對(duì)此做進(jìn)一步的深入探究。

1 用于研磨拋光的機(jī)器人系統(tǒng)概述

用于研磨拋光的機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)整體性較強(qiáng)的系統(tǒng)，其涵蓋了機(jī)器人、控制器、末端執(zhí)行器、拋光頭、力傳感器、上位機(jī)和其他附屬設(shè)備等[1-2]。其中，拋光頭是執(zhí)行研磨拋光加工的主要器件，其與機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動(dòng);力傳感器則安裝在機(jī)器人末端和研磨工具之間，主要用于數(shù)據(jù)的采集和輸出。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行連接，通信協(xié)議則采用TCP/UDP協(xié)議，確保各個(gè)設(shè)備之間的通信[3]。同時(shí)，傳感器和上位機(jī)（三菱PLC）也通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，用UDP協(xié)議進(jìn)行通信，再由上位機(jī)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況。整體來(lái)看，用于研磨拋光的機(jī)器人系統(tǒng)的主要任務(wù)是，控制機(jī)器人按照已經(jīng)預(yù)設(shè)完成的運(yùn)動(dòng)路徑，使之執(zhí)行研磨拋光的過(guò)程[4]。

在本次設(shè)計(jì)中，針對(duì)機(jī)器人的選型，采用六軸型機(jī)器人用于拋光加工，該機(jī)器人的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

除了機(jī)器人本體之外，安川KUKA也為機(jī)器人配備了軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)是為操作者提供基本控制功能的關(guān)鍵，其中包括路徑規(guī)劃、I/O管理、數(shù)據(jù)和文件管理等內(nèi)容，同時(shí)，該軟件系統(tǒng)模塊化程度較高，能夠根據(jù)實(shí)際需要，補(bǔ)充安裝技術(shù)包和數(shù)據(jù)包等內(nèi)容。

2 研磨拋光機(jī)器人的通信方案設(shè)計(jì)

2.1 整體通信方案綜述

為確保機(jī)器人能夠正常執(zhí)行研磨拋光等相關(guān)工作，需要對(duì)整體的通信方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，通常需要考慮實(shí)時(shí)通信和非實(shí)時(shí)通信兩種情況。其中實(shí)時(shí)通信的主要目的是用于機(jī)器人在RSI運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)處理與發(fā)送;非實(shí)時(shí)通信的主要目的則是為機(jī)器人提供路徑規(guī)劃信息，再經(jīng)由相應(yīng)的算法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息，以指導(dǎo)機(jī)器人正確執(zhí)行研磨拋光操作。

2.2 上位機(jī)和力傳感器的通信方案

力傳感器安裝在機(jī)器人末端和研磨工具之間，用以采集研磨頭的受力信息并將其傳輸至上位機(jī)，再由上位機(jī)對(duì)控制方案進(jìn)行最終決策。考慮到通信效率，應(yīng)當(dāng)確保各個(gè)模塊中使用相同的編程語(yǔ)言進(jìn)行通信的代碼，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要本著一致性原則，優(yōu)先使用C#程序來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器和上位機(jī)之間的通信。

考慮到機(jī)器人系統(tǒng)整體的通信方式是基于以太網(wǎng)進(jìn)行的，因此，基于簡(jiǎn)化的原則，可采用UDP協(xié)議進(jìn)行通信，這種通信方式對(duì)于研磨機(jī)器人系統(tǒng)距離短和干擾因素少的情況下，能夠有效保證信息的可靠有效性，且傳輸速率較高（通?？蛇_(dá)到7 000 Hz左右）。在確定整體通信方案后，還需要對(duì)力傳感器的IP地址進(jìn)行設(shè)置，其IP地址通常設(shè)置為192.168.01.1，通信端口號(hào)則采用默認(rèn)值為49 152[5]。

2.3 上位機(jī)與研磨拋光機(jī)器人的通信方案設(shè)計(jì)

在機(jī)器人通信接口部分，通常基于KRL機(jī)器人語(yǔ)言進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)研磨拋光等各項(xiàng)功能，在應(yīng)用這種編程語(yǔ)言時(shí)，主要包括定義、初始化和程序主體這幾個(gè)部分，通過(guò)正確的KRL編程，即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)。但由于研磨拋光機(jī)器人運(yùn)行時(shí)涉及到的點(diǎn)位較多，因此在實(shí)際操作時(shí)，僅憑少量的代碼還無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期要求，為此，通常會(huì)在已有的基礎(chǔ)上引入RSI及其通信方法，該方法的相關(guān)數(shù)據(jù)文件則以XML格式存儲(chǔ)[6]。

2.4 系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件整體位于上位機(jī)中，包括非實(shí)時(shí)部分和實(shí)時(shí)部分，其中非實(shí)時(shí)部分主要用于數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)，以提供預(yù)設(shè)的路徑信息和研磨拋光過(guò)程。而對(duì)于實(shí)時(shí)部分來(lái)說(shuō)，考慮到上位機(jī)端程序軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，該部分通常細(xì)分為兩個(gè)工作線(xiàn)程。一個(gè)線(xiàn)程負(fù)責(zé)機(jī)器人與上位機(jī)程序的信息交互，并包括實(shí)時(shí)計(jì)算的功能;另一個(gè)線(xiàn)程則用于與力傳感器之間進(jìn)行信息交互，二者之間的通信則通過(guò)全局的變量加以實(shí)現(xiàn)。力傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率可達(dá)到7 000 Hz左右，同時(shí)，考慮到機(jī)器人與上位機(jī)的信息交互過(guò)程涉及到不同的傳感器件，且各個(gè)傳感器件之間的通信頻域又存在著一定的差異，因此，為解決這種差異，在各個(gè)傳感器到機(jī)器人的通信線(xiàn)路中間增設(shè)一個(gè)頻域均衡器，利用其頻率響應(yīng)特性，來(lái)解決頻域不同帶來(lái)的同步通信問(wèn)題。

3 研磨拋光機(jī)器人行進(jìn)路徑的生成

考慮到當(dāng)前的研磨拋光加工涉及到更多的自由曲面，因此在實(shí)際工作中，傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃方式已經(jīng)難以滿(mǎn)足需要，為此，在應(yīng)用研磨拋光機(jī)器人的過(guò)程中，通常需要對(duì)已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)需要加工的自由曲面的三維重構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同工件的特點(diǎn)，選擇合適的規(guī)劃方法，以確保研磨拋光機(jī)器人具有正確的行進(jìn)路徑。

為實(shí)現(xiàn)研磨拋光機(jī)器人行進(jìn)路徑的生成，多采用空間填充曲線(xiàn)法進(jìn)行路徑的生成，這種方法的區(qū)間分布均勻性和連續(xù)性均較高，基本上消除了整個(gè)切削過(guò)程中的空行程，并且降低了研磨拋光機(jī)器人行進(jìn)軌跡的總長(zhǎng)度，以往的路徑規(guī)劃方法相比，其優(yōu)勢(shì)更為突出，具有良好的自動(dòng)適應(yīng)曲面局部特征復(fù)雜區(qū)域的能力，且在研磨拋光過(guò)程中產(chǎn)生顫震現(xiàn)象的幾率也相對(duì)較低。

在確定了路徑生成方法后，還需要對(duì)路徑規(guī)劃算法方面進(jìn)行研究。在路徑規(guī)劃算法的選擇上，通常優(yōu)先選擇Hilbert曲線(xiàn)生成算法，該算法的總體設(shè)計(jì)流程如下。

①確定遞歸深度n和開(kāi)口方向s。②計(jì)算曲線(xiàn)的各個(gè)生成元。③根據(jù)開(kāi)口方向，確定路徑曲線(xiàn)的具體連接方式。④確定曲線(xiàn)遞歸的起點(diǎn)和終點(diǎn)。⑤執(zhí)行遞歸子程序，對(duì)生成的各部分按照連接方式來(lái)繪制遞歸曲線(xiàn)，即可實(shí)現(xiàn)Hilbert曲線(xiàn)生成算法。

在確定Hilbert曲線(xiàn)生成算法后，通過(guò)基于OpenGL的系統(tǒng)仿真平臺(tái)，生成Hilbert三維曲面的路徑，即可由此引導(dǎo)機(jī)器人沿此路線(xiàn)行進(jìn)。以往的研究經(jīng)驗(yàn)表明，基于上述的設(shè)計(jì)方案后，機(jī)器人的行進(jìn)路徑較為準(zhǔn)確，證明這種方式具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

4 機(jī)器人在研磨拋光項(xiàng)目中應(yīng)用的控制方案

4.1 控制方案的主要目的和方法

對(duì)于研磨拋光機(jī)器人實(shí)際工作時(shí)所采取的“控制方案”，其主要目標(biāo)是，對(duì)機(jī)器人在研磨和拋光過(guò)程中的力進(jìn)行有效控制。其控制方法分為以下兩類(lèi)。

（1）基于“不沖突”的原則，控制力和力矩沿著被約束方向和非約束方向，對(duì)機(jī)器人的位置進(jìn)行控制，這種方法依賴(lài)于專(zhuān)門(mén)的控制器，因此實(shí)際應(yīng)用占比較低。

（2）將機(jī)器人在約束環(huán)境下所受的作用力作為位置偏差的信息源，并將其傳給機(jī)器人末端執(zhí)行器，當(dāng)系統(tǒng)剛度值處于合理區(qū)間時(shí)，確定位置偏差與作用力之間的關(guān)系，即可確保機(jī)器人研磨拋光設(shè)備與工件之間的作用力也保持在合理區(qū)間之內(nèi)，再通過(guò)力傳感器的反饋，即可確定工件研磨拋光位置的具體精度。相對(duì)而言，這類(lèi)方法更為簡(jiǎn)單，不需改變機(jī)器人的位置控制器即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的力控制，實(shí)際效果較好，在實(shí)際工作中應(yīng)用也較多。

4.2 研磨拋光機(jī)器人主被動(dòng)柔順控制

研磨拋光機(jī)器人的末端裝置的剛度都較高，一旦位置控制出現(xiàn)失誤，則很容易導(dǎo)致工件的研磨拋光受到不可逆的破壞。但在實(shí)際工作中，由于客觀(guān)原因所限，機(jī)器人末端與工件曲面不恰當(dāng)?shù)慕佑|難以完全避免，為避免這種情況，就需要引入柔性作用力，以形成“主被動(dòng)柔順控制”的目的。在實(shí)際工作中，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，通常引入柔性海綿墊材料，將其與研磨拋光機(jī)器人末端裝置相連接。通過(guò)這種優(yōu)化設(shè)計(jì)后，研磨拋光機(jī)器人與工件曲面的接觸面積顯著增加，有效避免了研磨拋光機(jī)器人可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)而造成的工件研磨拋光失敗的問(wèn)題，同時(shí)這也有助于實(shí)現(xiàn)研磨拋光系統(tǒng)工作效率的提高。

在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高主被動(dòng)柔順控制的水平，通常需要對(duì)機(jī)器人的主被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步分析，綜合考慮機(jī)器人研磨拋光控制端的剛度系數(shù)、海綿的質(zhì)量和彈性系數(shù)、研磨拋光頭的位移情況等多方面的數(shù)據(jù)信息，分析其具體的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)可知，在研磨拋光工作系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)由以下兩個(gè)公式組成：

式中，k為海綿材料的彈性系數(shù)，F(xiàn)t（s）為研磨拋光力，τ為輸入信號(hào)的延遲時(shí)間，Gt（s）為研磨系統(tǒng)的控制對(duì)象。根據(jù)以上兩個(gè)公式，即可確定主被動(dòng)柔順控制系統(tǒng)，并根據(jù)跟蹤反饋的結(jié)果，對(duì)機(jī)器人的位置進(jìn)行微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)更為有效的控制。

4.3 研磨拋光機(jī)器人的內(nèi)?？刂?/p>

內(nèi)?？刂疲ê?jiǎn)稱(chēng)IMC）是基于數(shù)學(xué)模型的一種新型控制策略，這種控制方法的魯棒性相對(duì)更高，具有對(duì)偶穩(wěn)定性、理想控制器特性和零穩(wěn)態(tài)偏差特性等多種特點(diǎn)，同樣具有較高的實(shí)用價(jià)值。

在內(nèi)?？刂破髦校鋫鬟f函數(shù)如下：

式中，Cimc（s）為內(nèi)模控制器，實(shí)現(xiàn)抑制擾動(dòng)和無(wú)靜差跟蹤的功能。M（s）為對(duì)象觀(guān)測(cè)模型，其作用是讓整個(gè)系統(tǒng)區(qū)域穩(wěn)定。

為實(shí)現(xiàn)內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)，在實(shí)際的研究工作中，主要通過(guò)以下幾個(gè)步驟加以實(shí)現(xiàn)：①對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行模型分解，此環(huán)節(jié)需要綜合考慮所有的時(shí)滯;②考慮到被控對(duì)象具有時(shí)滯的特點(diǎn)，選取濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波，同時(shí)調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)期望的動(dòng)態(tài)性能，即可最終實(shí)現(xiàn)內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì);③內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)完成后，將其在MATLAB中進(jìn)行仿真，確定其最終性能。

整體來(lái)看，內(nèi)?？刂频男ЧQ于系統(tǒng)的跟蹤特性、抗干擾特性和可調(diào)參數(shù)等多個(gè)方面，其中又以調(diào)整參數(shù)的作用更為顯著。在實(shí)際工作中，該調(diào)整參數(shù)通常會(huì)綜合考慮跟蹤特性和抗干擾性能來(lái)折中進(jìn)行選擇，再通過(guò)反復(fù)試湊確定。當(dāng)然，從以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，內(nèi)?？刂破麟m然易于實(shí)現(xiàn)，但很難同時(shí)滿(mǎn)足跟蹤特性和魯棒性?xún)煞矫娴囊?，因此其?shí)際應(yīng)用也相對(duì)較少。

4.4 研磨拋光機(jī)器人的滑?？刂?/p>

針對(duì)研磨拋光機(jī)器人的滑?？刂?，其主要目的是彌補(bǔ)內(nèi)?？刂频牟蛔恪＞唧w來(lái)看，滑模控制系統(tǒng)屬于一種特殊的非線(xiàn)性系統(tǒng)，控制不連續(xù)性的特點(diǎn)較為突出，在該系統(tǒng)中，其狀態(tài)軌跡沿著開(kāi)關(guān)超平面運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

從圖1中不難看出，s=0為滑模曲面（又稱(chēng)為切換函數(shù)或切換面），s>0和s<0則分別對(duì)應(yīng)兩種不同的狀態(tài)空間，但無(wú)論系統(tǒng)處于何種狀態(tài)空間，都會(huì)受到控制量變化的影響，朝著滑動(dòng)曲面s=0運(yùn)動(dòng)，如此循環(huán)往復(fù)，直至滿(mǎn)足要求為止。同時(shí)也能看出，滑模運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象的所有狀態(tài)點(diǎn)均不受參數(shù)變化和擾動(dòng)的影響，因此從理論上講，滑?？刂频姆€(wěn)定性相對(duì)更高。

為實(shí)現(xiàn)滑?？刂?，其首要工作是對(duì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器（滑動(dòng)控制器）進(jìn)行設(shè)計(jì)，基本步驟主要包括以下兩個(gè)部分：①設(shè)計(jì)切換函數(shù)，確保其所確定的滑動(dòng)模態(tài)相對(duì)更為穩(wěn)定，并提升其動(dòng)態(tài)品質(zhì);②設(shè)計(jì)滑動(dòng)模態(tài)控制率，以實(shí)現(xiàn)滑模變結(jié)構(gòu)控制。在實(shí)際工作中，為實(shí)現(xiàn)有效的滑模變結(jié)構(gòu)控制，通常優(yōu)先采取比例切換控制法，以綜合考慮各種運(yùn)行工況。

在以上環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)完成后，即可得出研磨拋光機(jī)器人的傳遞函數(shù)，再將其轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程形式，在MATLAB上進(jìn)行仿真，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器性能的確認(rèn)。一般來(lái)說(shuō)，滑?？刂朴兄〉恼`差和更強(qiáng)的抗干擾能力，具有更高的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

研磨拋光項(xiàng)目涉及到的工藝因素相對(duì)較為復(fù)雜，因此其對(duì)機(jī)器人的應(yīng)用也有著相對(duì)更高的要求。從研磨拋光機(jī)器人的使用角度來(lái)考慮，其關(guān)鍵性的工作則是對(duì)通信方案、軟硬件等方面加強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并合理選擇控制方式，以實(shí)現(xiàn)研磨拋光質(zhì)量的穩(wěn)步提升。當(dāng)然，在今后的工作中，仍需要對(duì)此不斷進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，以切實(shí)提高研磨拋光的質(zhì)量水平。

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