新松6軸機(jī)器人打磨軸承蓋方法研究

■沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 （遼寧 110168） 馬 亮 王 策 宋 宇

摘要：利用可編程控制器作為主控,，通過NT50實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人等數(shù)據(jù)交換、提高打磨效率,、增強(qiáng)產(chǎn)品一致性,，降低廢品率。

在打磨行業(yè),，目前采用人工進(jìn)行作業(yè)較多,。這種打磨方式能提升產(chǎn)品質(zhì)量但也存在缺點(diǎn)：因打磨現(xiàn)場的工作環(huán)境惡劣，火花與粉塵對人體傷害使從業(yè)者減少,；隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,，工人的工資與材料費(fèi)用增加，使成本提升,；工作時(shí)工人依照經(jīng)驗(yàn)判斷是否加工完成,，因此加工質(zhì)量無法保證,；因工人無法長時(shí)間集中去做重復(fù)性工作，導(dǎo)致工作效率低,，工作連續(xù)性無法保持穩(wěn)定,。

國外有機(jī)器人在打磨行業(yè)的應(yīng)用，但昂貴的價(jià)格和售后服務(wù)使很多廠家忘卻止步,。由于種種原因，國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人在打磨和拋光行業(yè)中尚處于發(fā)展階段,，但價(jià)格便宜,、服務(wù)周到，在打磨和拋光業(yè)中占有一定市場,。

本文所述的是采用新松機(jī)器人10kg（SR10C）6軸工業(yè)機(jī)器人,，針對主軸承蓋加工面部分邊線打磨而設(shè)計(jì)的整套系統(tǒng)，配合西門子S7-1214PLC 作為主控制器,、自動(dòng)化柔性氣動(dòng)打磨工具ATI,、SMC的電氣比例閥，形成高產(chǎn)能,、高精度且具有完整性的自動(dòng)化生產(chǎn)單元,，以滿足訂貨方自動(dòng)化生產(chǎn)的實(shí)際需求。

1. 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

本次設(shè)計(jì)采用主控制P L C通過使用NT50-DN-EN網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)DeviceNet 與 PROFINET IO這兩種不同總線協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換,。目的是想讓作為PROFINET IO Controller的西門子PLC能夠控制作為DeviceNet Slave的新松機(jī)器人控制器,。因?yàn)榭偩€的結(jié)構(gòu)要求總線中至少要有一個(gè)控制器，而PROFINET總線中已有PLC作為主站,，所以NT50作為PROFINET中的IO Device,，而DeviceNet總線中只有新松機(jī)器人控制器作為從站，所以NT50必須作為DeviceNet的Master作用,。也就是說,，NT50既是PLC的從站，也是新松機(jī)器人的主站,。需要注意的是,，NT50作為主站只能帶動(dòng)一個(gè)從站。通過這個(gè)網(wǎng)關(guān)NT50-DNEN實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和主控PLC進(jìn)行信號的交接,。這是整套系統(tǒng)的關(guān)鍵所在,。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體與主控互聯(lián)的遠(yuǎn)程控制。

2. 主控制主要功能

集中顯示監(jiān)控功能：可對現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài),、工件情況,、位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

集中操作功能：可通過觸摸屏集中操作現(xiàn)場設(shè)備,、加工程序選擇,。

數(shù)據(jù)存儲管理功能：主控PLC系統(tǒng)可對生產(chǎn)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和更新,。

集中報(bào)警：現(xiàn)場設(shè)備故障可通過網(wǎng)絡(luò)集中反應(yīng)在主控制PLC上，顯示于觸摸屏上,，以便生產(chǎn)人員及時(shí)采取處理措施,。

網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展：本系統(tǒng)的主控PLC支持以太網(wǎng)和Profinet-PN，可與其他線上PLC或車間級生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行連接,，使整個(gè)車間在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,。如圖1所示為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。

3. 控制流程

通過主控制柜的觸摸屏和按鈕實(shí)現(xiàn)加工程序的選擇,、機(jī)器人的遠(yuǎn)程使能,、啟動(dòng)和暫停，通信PLC網(wǎng)絡(luò)圖及NT50的GSD配置圖如圖2和圖3所示,。

4. 打磨方式

浮動(dòng)打磨工具固定安裝在打磨支架上,，要求氣動(dòng)馬達(dá)供氣：氣壓0.62～0.65MPa（需配可通過高流量的調(diào)壓閥）；順從力氣壓調(diào)試范圍：0.10～0.42MPa（需配精密調(diào)壓閥）,；氣體流量要求：工作時(shí)大概10L/s（提供順從力氣源基本不消耗氣體）,；氣源過濾精度要求：過濾、干凈,、干燥和無油脂,。更為精確地確保對工件打磨效果的把握。針對不同的軸承蓋及打磨位置處,，要求對SMC電氣比例閥采用PI控制,，要求相應(yīng)速度快。壓力設(shè)定在0.1～0.5MPa,。

圖1 網(wǎng)絡(luò)圖

圖2

圖3

經(jīng)過不斷的試驗(yàn)測試,，當(dāng)SMC電氣比例閥設(shè)定壓力為最大值0.5MPa時(shí)，固定打磨頭的剛性過強(qiáng),，這樣非常容易與機(jī)械手夾持工件相碰,，造成機(jī)器人軸負(fù)載過大導(dǎo)致中途停止工作。當(dāng)電氣比例閥設(shè)定值從0.5MPa降低至0.4MPa時(shí),，固定打磨頭的剛性較之前的弱,，雖然可以完成打磨，但效果不滿足生產(chǎn)要求,，因?yàn)檫@樣還會造成去毛刺過多,，并且將更多的毛刺擠入工件內(nèi)側(cè)。

機(jī)器人夾持工件的移動(dòng)方向變成旋轉(zhuǎn)銼方向的方式進(jìn)行移動(dòng),，可以解決毛刺被擠入內(nèi)側(cè)問題,，如圖4所示。但打磨過多的問題沒有解決,，隨著試驗(yàn)的測試SMC電氣比例閥設(shè)定變小直到在最小值0.1MPa,，這時(shí)打磨頭的剛性最小,、柔性最大。機(jī)器人夾持工件在空間直角坐標(biāo)系的XOZ平面上,，沿著與打磨刀具接觸之后Y軸位置保持不變,，保持電氣比例閥反饋壓力0.1MPa恒定。選用45°帶切削的刀具,，順切執(zhí)行操作,，可以確保打磨去毛刺的效果。

耽誤節(jié)拍并且檢驗(yàn)嚴(yán)格的是對于曲線段的要求,，如圖5所示,。為了滿足節(jié)拍要求，選擇三點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)圓弧,。用VC的走弧線命令完成。確保走弧線區(qū)域的完美工藝和符合節(jié)拍的要求,，曲線段速度不能太低,，圓滑過渡要求必須均勻。經(jīng)過上百次的試驗(yàn)摸索,，得出曲線段速度比控制在VC50～VC55滿足打磨的工藝要求,，保證了圓滑的均勻過渡。圖6所示為工件夾持的方法,。圖7及附表所示為相應(yīng)的打磨工藝卡,。

工件打磨不僅對示教軌跡有要求，對打磨工具要求也是很高的,。為此研究出好幾種打磨方式及刀具的選擇如圖8所示,，打磨效果如圖9所示。這種刀具存在以下問題：工藝卡的第1,、2及曲線9段難以進(jìn)行打磨,。示教很容易發(fā)生機(jī)械手與打磨刀具的碰撞。最重要的是,，其打磨效果也不能滿足工藝要求,。我們也采用了砂帶機(jī)進(jìn)行打磨，雖然砂帶機(jī)在曲線段去毛刺比較好,，但存在直線段與曲線段過渡區(qū)及1,、2段終究難以打磨的弱項(xiàng)，如圖10所示,。如果采用砂帶機(jī),，對節(jié)拍的要求也很難達(dá)到工藝要求。其次砂帶機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定不易過快,，并且因工件本身是鑄鐵,，使用砂帶機(jī)會對砂帶造成很大的磨損,。綜上所述幾點(diǎn)造成了砂帶機(jī)不能長期使用。更換起來也不方便,。

圖4 直線段

圖5 曲線段

圖6 夾持部分

經(jīng)過長期打磨試驗(yàn)證明,，選擇如圖11所示的旋轉(zhuǎn)銼刀KSK更為合理。此項(xiàng)目打磨刀具采用用于邊緣作業(yè)的碳化鎢旋轉(zhuǎn)銼刀,，這是一種新型的PEFRD產(chǎn)品系列,，主要用于鋼和鋁結(jié)構(gòu)，專門設(shè)計(jì)用于邊緣倒角,、去毛刺及修整方面,，尤其可以適用于難以觸及區(qū)域，形成精準(zhǔn)倒角和半徑,。并且,，此種放置在ATI氣動(dòng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)銼在進(jìn)行較小切削作業(yè)（去毛刺、倒角和表面處理）時(shí),，轉(zhuǎn)速可大幅增加至100%,。并且當(dāng)工件有較大毛刺時(shí)，通過示教機(jī)器人反復(fù)動(dòng)作,，工件可以獲得表面精細(xì)和光滑的外表,。

圖7 工件打磨位置

打磨工藝卡

順序號扭矩/N·m 1 1 打磨邊線1 27 15 000 0.1～1 25 1 0.926－ －2 2 空走刀 27 15 000 0.1～1 49 1 1.815 － －3 3 打磨邊線2 27 15 000 0.1～1 25 1 0.926 － －4 4 空走刀 27 15 000 0.1～1 33 1 1.222 － －工步號 工步內(nèi)容 切削速度/（mm·s－1）主軸轉(zhuǎn)速/（r·min－1）切削深度/mm長度/mm 次數(shù)t時(shí)間/s功率/W打磨5 5打磨邊線3、4,、5,、6、7,、8 27 15 000 0.1～1 56 1 2.074 － －6 6 空走刀 27 15 000 0.1～1 30 1 1.111 － －7 7 打磨邊線9 27 15 000 0.1～1 75 1 2.778 － －節(jié)拍分析 正面打磨時(shí)間/ s 10.85刀具清單：采用德國馬圈刀具刀具號 刀具及附件型號 刀具型號 備注T 01 碳化鎢旋轉(zhuǎn)銼刀 KSJ 0605 －

圖8 選擇刀具

圖10

圖9 打磨結(jié)果

圖11 打磨工具（錐形埋頭孔形KSK）

5. 結(jié)語

該主軸承蓋機(jī)器人打磨工作站系統(tǒng)已連續(xù)運(yùn)行數(shù)月,，狀況良好，不僅主軸承蓋打磨效果良好,，保證了產(chǎn)品的一致性,，而且改善了惡劣的工作環(huán)境，提高了生產(chǎn)率,。該自動(dòng)打磨系統(tǒng)的研制成功運(yùn)行,，不僅開啟了國產(chǎn)新松工業(yè)機(jī)器人在打磨行業(yè)的應(yīng)用，為公司增加更多打磨的知識儲備,，更重要的是實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)機(jī)器人與國外主流PLC通信聯(lián)網(wǎng)的成功,。

此外，通過此類項(xiàng)目,，也讓我們對于打磨項(xiàng)目的難度和深度有了深切的體會,，通過對ABB、FANUC等國外6軸機(jī)器人的應(yīng)用研究，設(shè)想對于類似的項(xiàng)目,，通過對工件的研究,，給出其空間坐標(biāo)上的數(shù)學(xué)模型，給出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)而做到離線編程,，這樣簡化了對操作人員對打磨示教點(diǎn)的精準(zhǔn)度要求,，還提高了工作效率。這將會是未來打磨行業(yè)研究的重點(diǎn)和方向,。相信通過公司相關(guān)技術(shù)人員的不斷深入研究,，打磨和拋光業(yè)乃至整個(gè)社會的自動(dòng)化行業(yè)將出現(xiàn)更多新松工業(yè)機(jī)器人的身影，實(shí)現(xiàn)國家的產(chǎn)業(yè)升級,。

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（收稿日期：20170723）