一种新型机器人砂带磨削机的设计

一种新型机器人砂带磨削机的设计

这些零件复杂，加工精度要求很高。然而,目前大多数的生产厂家对于该类产品的精加工采用人工磨削,存在着效率低下、尺寸精度低及产品一致性差的缺点。也有部分生产厂家采用机器人砂带磨削系统进行磨削,但是只能起到降低工件表面粗糙度的作用,对于产品的外形尺寸不能保证。针对这种情况开发出了一维力控制砂带磨削机,从而实现机器人在磨削过程中对磨削压力、磨削速度的控制,为实现高精度磨削提供过程控制支持,以此提高了生产效率和产品质量。1砂带压缩机的组成和要求1.1砂带磨削系统该机器人砂带磨削系统如图1所示。由图可知,该砂带磨削系统主要由砂带磨削机、水冷系统、接触式测量仪、三维激光扫描仪(Scanner)、ABBIRB4400型机器人5部分组成。1.2基于接触式测量的加工方法完成一个产品的磨削要经过对工具、工件装卡和标定,加工路径离线编程,通过接触式测量仪测得工件外形尺寸误差分布,从而得到一些特定点的磨削量。基于磨削知识库和特定点的磨削量来设定机器人磨削过程参数,从而实现给定点上给定磨削量的磨削,机器人自动磨削,工件卸载这一流程。1.3砂带磨削机高精度磨削的基础由磨削流程可以看到,完成工件精确磨削最重要的一点是实现在给定点上进行给定磨削量的磨削,而磨削过程中工件与砂带之间的磨削压力及磨削速度是影响磨削量重要因素,由此可见,砂带磨削机能够精确地控制磨削压力和磨削速度是最终实现机器人高精度磨削的基础。2恒磨削力磨削在机械部分设计过程中该砂带磨削机采用了如图2所示的方案。由图2可以看出,该砂带磨削机主要由接触轮、调偏轮、压力传感器、LVDT(线性位移传感器)等组成。其中低摩擦气缸推动固定在横梁上的接触轮及其他部分通过导轨滑块机构相对于机架前后移动,以此来补偿磨削压力的变化,实现恒磨削力磨削。由于所用的电机功率比较大,所以将电机放在机架上,这样可以减小浮动部分的质量,使浮动部分具有比较小的惯性,从而可以使系统能够快速地响应磨削力的变化,提高力控制的效果。3中小型plc监控系统电控部分的硬件组成如图3所示。选用S7-200PLC作为主控制器,其CPU型号为CPU226,该种型号的PLC为一款高性能的中小型PLC,能够满足该系统的控制要求。由图3可以看出,该控制系统主要由人机交互界面、驱动部分、数据采集部分及其他I/O部分4个单元组成。3.1接口相连显示在该控制系统中,采用西门子TP170A触摸屏与S7-200PLC通过RS485接口相连进行数据交换,以实现人机交互界面。通过该人机交互界面,一方面可以在触摸屏上对整个磨削系统进行参数设置,包括磨削速度、磨削压力等;另一方面可以在触摸屏上显示整个系统的运行状态及一些系统参数。这样就能提供一个非常友好的人机交互界面。3.2v模拟量的确定该部分主要包括三相变频电机的驱动及低摩擦气缸的驱动。三相电机的驱动:首先是D/A模块将PLC发出的控制电机转速的数字量转换为一个0～10V的模拟量,对于变频器来说,该模拟量对应的是0～nmax(最大转速)的电机转速,然后由变频器输出相应频率的电压,驱动三相电机以一定转速运转,以此控制磨削速度。低摩擦气缸的驱动:将在PLC中经过一定运算得到的对应于气缸活塞杆输出推力的数字量经过D/A模块转换为一个0～10V的模拟量,然后经过比例阀输出一个与输入模拟量成比例的0～ps(供气压力)的气压,以此来使低摩擦气缸输出一定的气缸推力。3.3拟量信号的转换此部分的作用主要是采集两个数据,首先由压力传感器采集气缸的输出压力,采集到的模拟量信号经过放大器放大后由A/D模块进行模数转换,然后传给CPU模块,以此来构成磨削压力的一个半闭环控制;其次通过LVDT来采集接触轮的前后浮动量,并将采集的模拟量信号经A/D模块进行模数转换后传给CPU进行相应的运算,以此来解耦出磨削压力。3.4数字i和o部分此部分的功能是进行数字开关信号的输入与输出,如变频器使能、限位开关信号,以及用于与机器人通信的I/O信号采集等。4生产力控制的实现4.1被动式力控制设计的思想在机器人磨削系统中,机器人用来进行位置的控制,是刚性的;而砂带磨削机要进行磨削压力的控制,为保证两者接触时的安全,需要力控制的驱动部分具有一定的柔性;另一方面为了提高磨削精度,要求磨削机能够快速响应磨削压力的变化,同时也要尽可能提高力控制的精度。基于以上两点考虑,在磨削机设计的时候采用了由气动比例减压阀和低摩擦气缸构成被动式的力控制方式,这是因为一方面由于空气的压缩性大、粘性小,有利于构成柔软型驱动机构和实现高速运动,从而能够快速响应磨削压力的变化;另一方面采用比例减压阀驱动低摩擦气缸,并由压力传感器采集气缸的输出力构成半闭环的控制系统,能够实现压力的高精度控制。由于采用的是水冷的磨削方式,需要用外罩将浮动部分及电机进行密封,因此,可以将支撑浮动部分的滑块两端面的防尘板去掉,这样通过实验发现滑块与导轨间的摩擦力相对于磨削用的接触力来说很小,因此可以忽略不计。此时所采用的力控制方案的原理图如图4所示。4.2砂带紧边的浮动量的测量在忽略导轨与滑块之间摩擦力的情况下,假设某一时刻浮动部分向后移动了Δx,相应的涨紧轮向后移动Δx1,此时对磨削机浮动部分做如图5所示的水平方向受力分析,由受力分析图可以看出,磨削压力是气缸输出力与砂带涨紧力在水平方向分力的合力,而在磨削过程中,由于接触轮会前后浮动从而引起Ft及F′t在水平方向上分力的变化,因此这是一个力位混合控制系统,首先要解耦出气缸输出力,这样才有可能实现磨削压力的精确控制。磨削前根据所需要的磨削切向力大小来确定砂带所需要的涨紧力,这样在磨削过程中就能知道砂带紧边和松边的拉力。标定的理论工作位置是砂带紧边为竖直时接触轮最前端所在的位置。若浮动部分因为叶片尺寸误差及示教误差向后浮动了Δx(如图5所示),若忽略各个胶轮上圆弧部分砂带长度的改变量,可以认为只有l2与l3的长度发生了改变。l2的改变量:Δl2=Δx-Δx1l3的改变量可近似计算为:Δl3=Δx1cosα由砂带总长不变可知: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)松边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——初始位置砂带松边与水平方向的夹角;α′——当前位置砂带松边与水平方向的夹角。由于浮动量极限值相对于l1来说很小,并且初始位置处l1为竖直的,因此,紧边拉力在水平方向分力可以近似计算为:Ftx≈FtΔxl1(4)Ftx≈FtΔxl1(4)对于浮动部分,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)即为PLC控制的目标值。在磨削过程中接触轮的浮动量Δx能够通过LVDT适时地测量并传送给PLC,这样,PLC就能根据砂带总长不变这个约束条件算出在每个时刻砂带紧边和松边与水平方向的夹角,从而算出紧边和松边在水平方向的分力Ftx和F′tx,进而由公式(6)计算出目标值Fa的大小。力传感器适时地采集目标值的大小,并将采集到的值反馈给PLC,PLC再根据反馈回来的实际目标值与理论值之间的偏差,通过PID控制算法来输出对应的模拟量电压值,以此构成对目标值的闭环控制,从而实现对磨削压力的半闭环控制。4.3磨削压力变化规律为验证力控制效果,采用一个在腕关节处带有六维力传感器的ABB机器人夹持叶片进行叶片磨削实验,该六维力传感器用来采集机器人末端的叶片所受到的水平方向的正压力(即磨削压力)并实时传送给机器人控制器。在磨削过程中,由一台与机器人控制器相连的上位机以曲线形式实时显示磨削压力的变化情况。设定磨削压力为170N,启动磨削后运行机器人磨削程序,得到的六维力传感器采集的磨削压力变化曲线如图6所示。通过分析曲线图发现该磨削机能够比