李端　李煥鋒　嚴(yán)智超

摘要：本文設(shè)計(jì)一種獨(dú)立于工業(yè)機(jī)器人之外的恒力裝置，即工業(yè)機(jī)器人僅負(fù)責(zé)拋光軌跡的控制，恒力裝置負(fù)責(zé)控制拋光壓力的大小。針對(duì)氧化鋯陶瓷手機(jī)后蓋這種薄脆類曲面工件的拋光，通過精確控制拋光壓力的大小并保持恒定，有利于實(shí)現(xiàn)材料的塑性去除，提高工件表面材料去除均勻一致性，從而獲得無損、平滑的工件表面。

關(guān)鍵詞：恒壓力;機(jī)器人;氧化鋯陶瓷;恒力裝置

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）25-0214-03

隨著5G信號(hào)與無線充電技術(shù)的發(fā)展，金屬手機(jī)后蓋由于具有較高的電磁信號(hào)屏蔽性而開始逐步退出中高端手機(jī)后蓋市場(chǎng)，氧化鋯陶瓷手機(jī)后蓋則憑借優(yōu)秀的抗摔耐磨、低電磁屏蔽性等特性逐漸在手機(jī)后蓋市場(chǎng)中脫穎而出，目前拋光類工業(yè)機(jī)器人的恒壓力控制一直是熱門研究課題，拋光壓力的大小直接影響工件加工的效率及質(zhì)量，過大的拋光壓力導(dǎo)致材料去除量較大;過小的拋光壓力導(dǎo)致較小的材料去除率，無法達(dá)到理想的效果。

1 恒力裝置設(shè)計(jì)方案

1.1 恒力裝置工作原理

恒力裝置設(shè)計(jì)采用主動(dòng)柔性控制方案，其工作原理如上圖1所示。該恒力裝置采用氣缸作為動(dòng)力執(zhí)行元件，通過電氣比例閥調(diào)節(jié)氣缸的輸出壓力大小，通過兩位五通電磁換向閥控制氣缸輸出壓力方向。氣缸元件被安裝于機(jī)械臂末端與拋光磨頭之間，當(dāng)處于非工作狀態(tài)時(shí)，氣缸處于最大行程處，對(duì)外無作用力輸出;當(dāng)處于拋光狀態(tài)時(shí)，氣缸受到外力處于收縮狀態(tài)，此時(shí)對(duì)外有作用力輸出，遭遇外力突然增大時(shí)，氣缸由于輸出壓力小于外力進(jìn)行自然順從性向內(nèi)縮進(jìn)，反之遭遇外力突然減小時(shí)，氣缸由于輸出壓力大于外力進(jìn)行自然順從性向外伸長，同時(shí)控制器接收拋光壓力信號(hào)，調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)部氣體壓力，實(shí)現(xiàn)拋光壓力的恒定。

1.2 恒力裝置的整體框架

恒力裝置的整體框架如上圖2所示，主要包括硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 硬件系統(tǒng)作為一個(gè)閉環(huán)壓力測(cè)控系統(tǒng)，主要涉及工控機(jī)、恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)（氣缸）、傾角傳感器、三向力傳感器、電氣比例閥、電磁換向閥等元器件，其中恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為被控對(duì)象，負(fù)責(zé)拋光壓力的動(dòng)力輸出;電氣比例閥與電磁換向閥作為調(diào)控元件，分別負(fù)責(zé)控制拋光壓力的大小與方向;三向力傳感器與傾角傳感器負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人手臂末端不同姿態(tài)下拋光壓力的精確測(cè)量;工控機(jī)作為控制器，利用先進(jìn)的控制算法直接控制電氣比例閥與電磁換向閥的輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拋光壓力的恒定控制。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用氣缸作為動(dòng)力元件，拋光壓力主要由氣缸活塞桿提供，由于恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，拋光過程中活塞桿會(huì)受到較大的彎矩，降低氣缸的伸縮性及剛性，因此本文對(duì)氣缸本體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝配圖與三維模型如上圖3示，上端蓋上表面存在的螺紋通孔與沉頭孔分別用于連接機(jī)械手臂末端法蘭與氣缸本體;氣缸本體外形類似一柱狀體，該柱狀體中心孔為缸筒，中心孔周圍均勻分布的四個(gè)通孔為直線軸承安裝孔，導(dǎo)向軸隨缸筒內(nèi)活塞的伸縮沿直線軸承軸線方向滑動(dòng)，氣缸端蓋通過密封圈對(duì)氣缸本體進(jìn)行密封處理，并且起固定直線軸承作用;氣缸套筒底面通過螺紋連接四個(gè)導(dǎo)向軸與活塞桿，隨活塞桿的伸縮而上下往返運(yùn)動(dòng);下端蓋通過沉頭孔與氣缸缸套螺紋連接，通過螺紋通孔與拋光磨頭連接;上下端蓋之間安裝橡膠防塵罩，可隨活塞的伸縮自動(dòng)拉伸與折疊。恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)伸縮范圍為0-50mm，輸入氣壓在0.1-0.5MPa之間，最大輸出壓力為350N，本體重量2.4kg，可連接負(fù)載小于6kg。

2.2 傳感器安裝與拋光力計(jì)算

2.2.1傳感器安裝位置

傾角傳感器主要用于測(cè)量機(jī)械手臂末端執(zhí)行器姿態(tài)參數(shù)，需直接水平安裝于機(jī)械手臂末端，恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，不適于安裝傳感器，因此傾角傳感器安裝于恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)與機(jī)械手臂末端法蘭之間，如下圖4示。

三向力傳感器主要用于直接測(cè)量拋光過程中三維方向上拋光力的大小，如上圖4示，三向力傳感器可安裝于恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)與拋光磨頭之間，或者安裝于手機(jī)后蓋夾具的連接件下方，第一種方案中三向力傳感器的Z軸力的方向即為拋光壓力方向，Z軸所測(cè)力大小與拋光磨頭重力沿拋光壓力方向的分力之和即為拋光壓力大小，拋光水平切削力即為三向力傳感器X、Y軸的合力，該方案通用性較高，但直接安裝于機(jī)械手臂末端，加大了拋光過程中磨頭振動(dòng)，因此影響三向力傳感器應(yīng)變片的精準(zhǔn)輸出。第二種方案中三向力傳感器位置固定不變，根據(jù)傾角傳感器測(cè)得拋光壓力的方向參數(shù)，拋光壓力大小為X、Y、Z三拋光力沿拋光壓力方向的分力之和，拋光水平切削力需根據(jù)測(cè)得拋光力合力與拋光壓力大小求解。因此選擇將三向力傳感器固定安裝于手機(jī)后蓋夾具的連接件下方，通過橡膠墊進(jìn)行密封防水處理，此狀態(tài)下三向力傳感器性能穩(wěn)定可靠，且壽命較長。

2.2.2拋光力計(jì)算

2.2.3? 硬件邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

恒力裝置的硬件整體邏輯結(jié)構(gòu)如下圖6示，恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為測(cè)控系統(tǒng)中的被控對(duì)象，其直接被安裝于機(jī)械手臂末端與拋光磨頭之間，氣源由空壓機(jī)提供，首先流入電氣比例閥，工控機(jī)通過輸出電壓模擬量調(diào)節(jié)電氣比例閥輸出氣體壓力，進(jìn)而控制恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出壓力大小;而后氣體進(jìn)入兩位五通式電磁換向閥，工控機(jī)通過輸出數(shù)字量控制換向閥通斷，進(jìn)而控制恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出壓力方向;三向力傳感器測(cè)量拋光壓力在空間X、Y、Z軸三方向的分力，傾角傳感器測(cè)量恒力執(zhí)行機(jī)構(gòu)拋光過程中的姿態(tài)參數(shù);工控機(jī)將接收反饋的三向力數(shù)據(jù)與傾角參數(shù)通過式（4）與式（5）分別轉(zhuǎn)換為拋光水平切削力與拋光壓力數(shù)據(jù)，然后根據(jù)壓力設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量值的誤差，采用先進(jìn)算法調(diào)節(jié)電氣比例閥與電磁換向閥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確地控制拋光壓力。

3結(jié)論

本文研究了目前3D氧化鋯陶瓷手機(jī)后蓋拋光現(xiàn)狀，針對(duì)其拋光過程中存在的低良品率、低效率、高成本問題，提出一種基于工業(yè)機(jī)器人的恒壓力柔性拋光方案。

1） 恒力裝置安裝于工業(yè)機(jī)器人手臂末端與拋光磨頭之間，采用氣缸作為動(dòng)力輸出元件，伸縮行程為0-50mm，最大輸出壓力約350N，可連接最大負(fù)載約6kg。

2） 構(gòu)建了由工業(yè)機(jī)器人、拋光磨頭、恒力裝置、工作臺(tái)與夾具五部分組成的工具型工業(yè)機(jī)器人拋光實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。工作臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)及安裝位置主要考慮工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，主要功能為夾具的安裝固定，夾具的設(shè)計(jì)采用真空吸附原理，通過優(yōu)化夾具結(jié)構(gòu)可穩(wěn)固吸附氧化鋯陶瓷手機(jī)后蓋。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】