面向陶瓷洁具打磨机器人恒力打磨装置系统设计

黄小娣

（广东理工学院，广东 肇庆 526100）

0 引言

由于陶瓷洁具注浆成形后的泥坯，一般表面不太光滑，边口部呈现毛边，多合模型注浆的泥坯还带有缝线迹，因此，对泥坯必须进行修坯或磨坯，使坯体光洁，口堧圆滑。日用陶瓷泥坯的修坯分为干修和湿修两种。卫生陶瓷行业中的卫生陶瓷干坯打磨工艺，常规的以人工手动打磨为主，打磨的质量效果不稳定，所加工过的卫生陶瓷产品均一性较差，而且人工作业效率低，生产成本高[1-2]。而机器人自动化打磨系统可以确保打磨效果的一致性和精确性，提高加工效率，降低废品率，而且能够降低成本，改善工人作业环境[3-4]。目前，机器人自动打磨一般依靠固定机械手的控制程序进行打磨，不能对打磨的力度根据情况的变化和相对应的调整，打磨质量不能保证，应用范围和效果都受到限制[5]。为了克服以上现有技术存在的不足，本文设计了一种打磨机器人恒力打磨装置系统，该系统能使恒力装置与陶瓷洁具工件保持恒定作用力，以实现陶瓷洁具稳定高效打磨加工的目的。

1 系统总体技术方案

陶瓷坯属于易脆碎物体，如果仅有机器人运行程序在运动学层面保证打磨工具和陶瓷坯之间的运动和力关系，则程序的可用性得不到保证。要完成打磨作业，恒力打磨装置必须具备从自由空间到约束空间对力的柔顺控制能力。在传统位置控制（即指机器人程序的位置控制）的前提下，需要对机器人进行力位混合控制，开发自适应力反馈系统，自动补偿磨损，实现轨迹跟踪。即以产品最终打磨要求作为分析条件，从系统及整线控制角度出发，结合力反馈、被动轨迹跟踪、磨料磨损等信息分段、分时补偿运动误差，完成具体产品和生产条件的补偿策略，降低了对机器人精度的依赖。

1.1 恒力打磨装置系统设计要求

（1）装置的工作模式为自动控制。

（2）工业机器人与气动恒力装置协调配合对陶瓷洁具表面恒力打磨，按照所设定的路径，工序自动打磨。

1.2 系统结构设计

根据陶瓷洁具工件打磨工况需求，设计陶瓷洁具的打磨机器人系统如图1所示。该系统由上位人机交互模块、恒力打磨装置、加工装置和工位转台等构成。

图1 陶瓷洁具打磨机器人系统组成

人机交互模块提供力控系统控制器、轨迹离线编程的功能[6]，能实时监控，打磨数据保存，报表生成等功能；恒力打磨装置模块能够控制打磨作业时的接触压力，保证加工时的加工质量；加工装置模块由6轴工业机器人和打磨头组成，对打磨机进行轨迹控制；工位转台为了实现打磨卫生陶瓷的复杂曲面，使用机器人附加轴实现控制。

2 恒力打磨装置设计

传统的机器人力反馈系统多采用六维力传感器装配在机器人末端，这样的系统造价昂贵，对应用环境要求严格，操作复杂，不适合在恶劣环境下和操作者应用。本设计中恒力打磨装置技术方案如图2所示，整个恒力打磨装置包括：连接工具、波纹管式缓冲气囊、压力传感器、控制阀、位移传感器、循环滚珠轴承、导向杆、导向装置、弹簧、进气和排气管道等组成。为了达到高精度的力控制要求，该装置分为上下两个法兰，一端连接机器人法兰末端，一端连接打磨工具，两法兰之间通过橡胶防尘管进行密封处理；内部的动力原件为一双向气缸，通过浮动接头连接两个法兰端盖，由外部控制气路控制气缸的伸缩；为了保证整个系统的伸缩性和刚性，选用滚珠花键导轨进行导向；磁性开关则安装在气缸的一侧用于检测气缸的伸缩位置；压电阀、电磁阀与加速度传感器等等则集成在其内部，以对设定力进行控制。

图2 恒力打磨装置技术方案

装置采用气动控制方式，气动装置与图2进气和排气管道相连。基于气动恒力装置ACF（恒力柔顺法兰）的一维恒力装置可实现工具与工件作用力柔顺可控，进而保证加工质量，减少对对机器人精度和动态特性的依赖，气动恒力装置ACF原理图如3所示。

图3 气动恒力装置ACF原理图

ACF工作原理：首先对ACF设定一个恒定力F（可正可负），通过比例阀和电磁阀来实现力的大小和方向，加速度传感器可以测量ACF相对水平面的角度从而换算出正确恒定的输出力F，磁性开关可以控制电磁阀的换向，也具有测量气缸活塞位移的功能。当ACF接触到外界表面时，气缸活塞杆会往其运动相反的方向移动，并通过对气压的控制来ACF保证与接触面恒定的力大小F，装与其上的加速度传感器可以测出ACF在不同角度正向接触外表面时的角度，并通过换算得出恒定的输出力大小F。

气动恒力装置ACF控制原理如图4所示，传感器模块用于采集恒力装置的受力信号和姿态信号并发送到控制阀，控制阀根据受力信号和姿态信号实时调节电机的线圈电流使得恒力装置与加工工件保持恒定作用力。

图4 气动恒力装置ACF打磨修坯力学控制控制原理

3 实验

为了验证恒力磨削装置在实际磨削操作中的实际效果并分析气动力输出的稳定性，依靠构建的实验平台，如图5和图6所示，对输出力的控制进行了研究。在实验中，预设目标接触力为20 N，使打磨头与陶瓷洁具正上方表面垂直接触，通过离线编程软件进行程序编译，使工业机器人按照预定的程序运行，同时打动打磨机开关使其旋转工作，设置数据采集卡的采集周期是50 ms。在实验中，由于打磨机的振动和外界干扰等原因，恒力打磨系统的输出有一定的抖动。通过上位机的软件监控下，力控法兰实际输出接触力平均在±2 N范围内上下波动，波动幅度比较小，输出接触力相对平稳，恒力输出如图7所示。整个打磨时间为2.5 min，传统的手动打磨时间约为6 min，效率提高了60%。操作员可以通过人机交互界面实时监视设备的运行状态，设置过程参数，使设备维护更加方便。

图5 气动恒力装置

图6 陶瓷打磨机器人实验平台

图7 恒力打磨装置输出力曲线

4 结论

设计了用于工业机器人的陶瓷洁具气动恒力装置系统，并设计了陶瓷打磨机器人实验平台。基于搭建的实验平台，研究了打磨机器人的输出接触力控制。实验验证表明，该装置运行稳定可靠，实现了陶瓷卫生洁具的连续打磨，大大提高了打磨效率，具有较高的社会应用价值。