該研究介紹了一種開發的應用于大型工件表面自動研磨工藝的機械手和控制方法。研磨機由新設計的平行四邊形5軸機械手和傳統的3軸龍門機組成。利用龍門機在大的工作區域內進行精確定位,機械手由單獨的控制器控制,在局部表面區域內進行研磨操作,該控制器由龍門機的數控控制器提供。


研磨過程中,首先需要在不傷及原始形狀的前提下,去除銑刀痕跡,然后修正形狀誤差。砂輪的順應性根據去除刀痕和形狀修正等特殊目的而變得不同。這兩個過程對機械手的剛度要求較高。本文以“Gantry type Lapping Manipulator toward Unmanned Lapping Process for a Large Work Surface”為題于2020年10月9日發布于《International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology》雜志上。

機械手極致的摩擦帶來器械極致的光滑!


研究背景與實驗


表面精加工是模具或3D打印件最終產品的關鍵工序。精加工會影響到加工精度和表面粗糙度的質量,在特殊情況下,這種質量也會影響到產品的性能。到目前為止,大多數表面精加工作業都被認為是人工作業,需要較長的工藝時間和較高的成本。然而,隨著人們對高質量大尺寸模具和3D打印產品需求的增加,表面精加工的自動化已引起全球關注。同時,勞動力問題,如需要招聘高技術工人,以及工業病的不利影響,使問題更加復雜。


為了解決這些問題,應用機床或工業機器人對表面精加工的自動化進行了研究。三軸或五軸數控機床的研究利用了結構剛度大、定位精度高的優點,沒有工業機器人那樣的運動學問題。該研究的主要目的是在準確定位給定刀具路徑的同時,保持力值的均勻性。但在此過程中,由于工作空間大小的約束,工作面受到限制。另外,從結構上看,刀具不能處理所有的幾何條件,從控制上看,如果沒有準確的刀具路徑信息,操作者也無法管理這個過程。換句話說,對于大型復雜的工件,手工加工是不夠的。


近年來,由于工業機器人與機床相比具有各種優勢,如能在大的工作空間內工作、成本低、運動靈活、通用性強等,因此對機器人加工和精加工的研究一直在積極進行。機器人精加工可分為兩種技術:使用末端執行器的控制方式和利用機器人本身的控制方式。對于執行表面拋光的特殊末端執行器的設計和控制已經有很多研究。


在第一種方法中,機器人沿著標稱的路徑走,末端執行器被動或主動控制接觸力。末端執行器包括一個力傳感器和一個主軸,還需要一個執行器和一個額外的控制器來控制力。這種方法適用于低切削力的拋光,而具有較高材料去除率和較高力變化的磨削和研磨則需要較重的負載系統。在這種情況下,機器人的尺寸也必須隨著有效載荷的增加而增加,而且成本較高,難以為工業界所采用。


第二種方法是根據力的指令,考慮機器人的動力學特性,控制機器人各軸的扭矩。由于受到工業機器人的控制器可及性的限制,這種方法的可行性不如第一種方法,而且機器人力的控制難以實現。此外,機器人環節的高慣性降低了位置控制和力控制的帶寬,所以在這種情況下直接進行力控制是不夠的。


但是,僅用機器人就可以進行力控制,需要注意的是,即使是與較高載荷變化相關的研磨或磨削,也不能依賴于末端執行器的力控制方法,這種方法主要應用于拋光。機器人的行為可以由研究者決定,因此可以根據應用情況采用前饋扭矩控制和順應性控制。在該研究中,考慮到重力效應以及工具和機械手的順應性的控制方法是在不需要附加一個特殊設計的末端執行器的情況下實現的。


該研究提出了一種由新設計的平行四邊形五軸機械手和三軸龍門機組成的研磨機,以擴大工作空間,并提供機械手的高剛性。采用前饋扭矩控制進行研磨操作,以去除銑刀痕跡,并研究了砂輪順應性的影響。


該研究提出了一種由新設計的平行四邊形五軸機械手和三軸龍門機構組成的研磨機,以擴大工作空間,提高機械臂的剛度。采用前饋轉矩控制去除銑刀痕進行研磨操作,研究了砂輪柔順性的影響。

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圖為五軸機械手研磨機


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圖為平行四邊形五軸機械手


此外,還采用擺動臂機構來擴展平面操作中的動態工作空間.手動研磨或拋光中最常見的動作是擦拭曲面。


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圖為機械手z方向掃描測試結果


采用dh(Denavit-Hartenberg)表示法,通過齊次變換矩陣表示關節間的運動關系,描述所設計的機械手的運動學。


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圖為機械手的配置;a平面圖,b半球圖


在該研究中,五軸機械手和三軸龍門機的控制器是完全不耦合的,如圖中關于龍門式機械手控制的概念所描述的那樣。

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圖為控制結構圖

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圖為大型工件表面的整體研磨工藝


在機器人研磨過程中,附加在末端執行器上的砂輪在給定的輪廓工作表面的約束下移動,并遇到切削力產生的反作用力。因此,需要計算驅動力矩來處理約束路徑,而不是基于表面形狀數據的正運動學運動。

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圖為機器人研磨過程的約束條件


由于施加力是由減速器的扭轉剛度或柔順的砂輪產生的,所以在力命令發生后的瞬變狀態下的力響應是突然變化的。由于力控制的性能是由被動系統的物理剛度決定的,基于機器人動力學的電機反饋也是不穩定的,如圖所示。

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圖為沒有砂輪柔順控制的力控制效果;a末端執行力,b電機控制轉矩傳遞的控制電壓


在研磨過程中,由于平行四邊形結構的特點,切削力主要由節點2控制。采用前饋轉矩控制方法對約束運動保持恒定的反作用力。在這種情況下,通過直接力控制、阻抗控制和混合控制等力控制規則,根據每個關節的估計驅動力矩,同時控制位置和力。

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圖為研磨實驗原理圖


切削力的波動隨輪目數的減小(即輪齒柔度的減小)從55N×400增加到89N~#180增大,表中還對表面粗糙度和加工深度進行了比較。

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圖為力測量結果的比較-輪目數的影響

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圖為控制方法的比較


一般情況下,柔性砂輪用于研磨和拋光過程中,在較高的切削載荷條件下,無論是控制方法還是外力都有很大的影響。

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圖為研磨實驗結果比較;a表面粗糙度b累積加工深度

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圖為工具去除效果;a為照片圖像,b為表面輪廓


研究結論


該研究在傳統的3軸龍門機床上安裝了新設計的5軸機械手,構建了一個由新設計的5軸機械手組成的研磨機,以滿足大的工作面以及機械手的高剛度。在研磨過程控制中,為了抑制切削振動,有意利用了刀具和機械手的自重效應。實驗證實,碾壓操作成功地對曲面進行了擦拭,沒有出現結構振動。


1.采用前饋扭矩控制進行研磨操作,去除銑刀痕跡,與現有的順應性控制方法相比,確認加工效率提高了2倍,表面質量提高了30%。


2.在考慮砂輪順應性的前提下,研究了整體順應性的影響,證實砂輪網目數越多產生的加工效率越高,而網目數越高產生的加工水平越精細。


3.開發的研磨機在去除加工工件表面的刀痕后,產生的表面滿足于表面粗糙度Rz小于0.5μm。


這些結果意味著,所提出的操縱器和控制方法在大工件表面的無人研磨系統中具有很大的應用潛力。


參考文獻:Sangki Park, Daegwon Koh, Jaeyoon Shim, Jong-Jae Kim & Sun-Kyu Lee Gantry type Lapping Manipulator toward Unmanned Lapping Process for a Large Work Surface   International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology (2020)



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