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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第 5 頁
新式家具的拋光機(jī)器智能系統(tǒng)
摘要:
在這篇文章中,一個有著表面控制針對木制材料家具的工業(yè)機(jī)器手的拋光系統(tǒng)被提出,靈敏的空氣傳動工具經(jīng)一個緊湊的力量傳感器能輕松的附于工業(yè)機(jī)器手的頂端.這個機(jī)器拋光系統(tǒng)被稱作三維機(jī)器拋光機(jī).該拋光機(jī)器有兩個新特點.一是作用在工具和木制工件表面的拋光力被精細(xì)的控制在所設(shè)定值范圍內(nèi).例如2kgf.這個拋光力的大小是根據(jù)連接產(chǎn)生的力和運動摩擦力來設(shè)定的。另一個特點是不需要復(fù)雜的示教再現(xiàn)運動但必需獲得一個理想的刀具軌跡。切屑刀具的位置數(shù)據(jù)，即由CAD/CAM（計算機(jī)輔助設(shè)計與制造）模擬生產(chǎn)的刀具路徑。直接被用于固定在機(jī)器手臂上的刀具。該拋光機(jī)器能用于傳統(tǒng)拋光機(jī)不能應(yīng)付的型式多樣的彎曲表面。這些效果和說法通過了一些試驗，被研究證實。
1. 介紹
在木制家具的工業(yè)制造中，CAD/CAM系統(tǒng)和數(shù)控技術(shù)被廣泛應(yīng)用，從而使得設(shè)計到機(jī)械加工是非常合理的。然而，在機(jī)器加工之后的拋光幾乎不可能實現(xiàn)自動化。因為它需要精細(xì)和靈巧的技術(shù)以便不影響表面質(zhì)量。到目前為止，一些拋光機(jī)在木制方面的發(fā)展。舉例來說，寬帶拋光機(jī)（如圖2）適合邊表面的拋光。然而，這些傳統(tǒng)的機(jī)器不能應(yīng)用于型式多樣的彎曲表面。因此在木制家具的制造業(yè)中CAD/CAM系統(tǒng)和數(shù)控技術(shù)被廣泛應(yīng)用。從而使的設(shè)計和加工成為可能。然而，拋光過程后的加工很難實現(xiàn)自動化。因為它需要精細(xì)和靈活的技術(shù)，才能加工出完美的表面質(zhì)量。到現(xiàn)在為止才研究出少許用于木制的拋光機(jī)。例如：寬帶拋光機(jī)如圖所示是用于平面的拋光。型面拋光機(jī)（如圖2所示）適合邊緣周圍拋光。然而這些傳統(tǒng)的拋光機(jī)不能用于自由曲面型狀的工件。因此，我們必須依靠不僅可進(jìn)行適當(dāng)力量控制，而且能用于拋光復(fù)雜曲面雙軌道和單軌道拋光工具（如圖4所示）。有經(jīng)驗的工人通過空氣驅(qū)動器將其使用的得心應(yīng)手。為了獲得更好的表面質(zhì)量。雙向拋光機(jī)需要進(jìn)行回轉(zhuǎn)和非圓周運動?？梢砸軠y出這樣的工具會發(fā)出刺耳的噪聲、震動和灰塵。最嚴(yán)重的問題是，在這種惡劣環(huán)境下完成拋光是非常為難技術(shù)工人的。正是這個原因，在家具制造業(yè)中，研究一種可以部分取代技術(shù)熟練工人工作的拋光機(jī)是有必要的。
工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)取得顯著發(fā)展。如涂漆、焊接、搬運等。要完成這些工作，重要的是對機(jī)器人手臂上端位置的準(zhǔn)確控制。當(dāng)機(jī)器人運用于拋光、去毛刺或磨削任務(wù)時，利用少許力控制會不可避免的出現(xiàn)對物體的損壞。舉例來說。拋光機(jī)械手和噴圖機(jī)械手在[1~5]中被呈現(xiàn)。自動化機(jī)器人的修邊和磨削在[6~10]被介紹。兩個具有代表性的控制方法被提出，它們是阻抗控制[11]和混合位置/力量控制[12]。在為機(jī)械手減少或吸收沖擊力方面，阻抗控制是最有效的的控制法之一。其優(yōu)點在于它能控制機(jī)械阻抗、慣性等。阻抗控制沒有力量控制模態(tài)和位置控制模態(tài)，但它是力量和速度組合的最終效應(yīng)。在另一方面，混合位置/力量控制方法同時控制機(jī)械手的位置和力量。然而，六個制約因素包括三個自由度位置和三個自由度力量不能同時達(dá)到最佳。為了避免干擾力控系統(tǒng)和位控系統(tǒng)，力量控制模態(tài)或位置控制模態(tài)在每個方向上事先被選定。
表面跟蹤控制是工業(yè)機(jī)械手的基本方法。一般有兩種控制方案，一種是機(jī)械手臂頂端的定位/定向控制。另一種是使其穩(wěn)定的保持在工件表面的曲線上的力量控制。應(yīng)該指出的是如果工件表面幾何信息未知，那么，在工件表面加工的速度就很難有所提高。為使其緊貼表面進(jìn)給速度必須取較小值。此外，在保持沿預(yù)定軌跡工作的同時難以控制拋光機(jī)械手的方向。
筆者曾進(jìn)行有關(guān)方面的研究。就力量控制來說，阻抗控模型來調(diào)整拋光工具和工件表面的距離。在[15]中，模擬環(huán)境模型能模擬出環(huán)境的剛度。其結(jié)果通過了模型PUMA560機(jī)械的
驗證。在測量時，重力補償器可以消除刀具重量對測量結(jié)果的影響。在[17]中，關(guān)于刀具定位和定向控制，它更進(jìn)一步考慮如何為工業(yè)機(jī)器人實現(xiàn)非示教運動。在[18]的陳述中，CL數(shù)據(jù)被用來處理新的有關(guān)拋光參數(shù)的擬定。
在文中，機(jī)器人拋光工具系統(tǒng)被集成用于具有自由型態(tài)家具的設(shè)計。其拋光系統(tǒng)提供了實際的表面跟著控制，使工業(yè)機(jī)器人不僅在的迪卡爾空間通過了以個理想的阻抗模型調(diào)整機(jī)械手臂，而且使其沿著正確的方向運動的同時跟隨表面接觸。該拋光力大小是根據(jù)連接產(chǎn)生的力和摩擦力來設(shè)定的。本文還陳述了如何將拋光系統(tǒng)應(yīng)用到?jīng)]有復(fù)雜示教程序的木制工藝品中的制作中。從一些拋光試驗效果可知拋光機(jī)器人使用跟蹤控制系統(tǒng)是可行的。
2. 拋光系統(tǒng)
最近，開放式建筑工業(yè)機(jī)器人是根據(jù)使用者的各種不同需要在改進(jìn)。工業(yè)機(jī)器人有一個開放的基于windows和linux系統(tǒng)的編程接口。這樣我們可以試著編寫一些用于伺服控制的新程序。例如力量控制程序，柔性控制程序等。
六自由度工業(yè)機(jī)器人如圖5所示：FS20是由日本川崎重工業(yè)提供的控制器。該機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)了用于工業(yè)，其頂端有一個高靈敏度力量傳感器。拋光刀具經(jīng)以個力量感應(yīng)器后可以很容易附于機(jī)器人手臂的頂端。光纖電纜將一個人計算機(jī)和服務(wù)器連接?；赑C的控制器提供了幾個windows API（應(yīng)用編程接口）的功能。例如伺服控制角度、正傳、反轉(zhuǎn)等。舉例來說利用這些API函數(shù)可以很容易且安全的對位置和方向進(jìn)行控制。在下一節(jié)，表面跟蹤控制器在一個裝有windows API 函數(shù)的自動拋光機(jī)中變?yōu)楝F(xiàn)實。
3. 拋光機(jī)器的表面跟蹤控制系統(tǒng)
表面跟蹤系統(tǒng)有兩個主要特點：一是這既不是傳統(tǒng)復(fù)雜的教學(xué)工作也沒有處理（CL 數(shù)據(jù)到NC 數(shù)據(jù)）的要求。另一種是同時對作用在自由形態(tài)彎曲表面刀具上的力、刀具位置、定位方向的控制。
4. 實驗結(jié)果
在本節(jié)中，利用模擬機(jī)器拋光機(jī)給出的試驗結(jié)果的結(jié)果。軌道拋光工具被熟練的工人廣泛用于工件彎曲表面的打磨?；谲壍赖膾伖夤ぞ吣苓\行各種奇異的運動。這就原于軌道拋光機(jī)不僅是個強大的打磨工具，而且磨出的表面質(zhì)量好、擦傷少。在這個試驗中，軌道拋光工具被選擇而且在經(jīng)由一個力量傳感器被安裝在機(jī)械手手臂頂端?；境叽玳L、寬、高 75cm×110cm×4cm那拋光工具重800g ,在拋光一個工件時，墊圈與磨砂低附著表面。圖12一個數(shù)據(jù)加工的工件表面，這里一個有代表性常規(guī)拋光機(jī)不能加工的形狀。其表面的拋光數(shù)據(jù)進(jìn)給量值設(shè)為3mm，該工件拋光前如圖12所示，其每次進(jìn)給量設(shè)值不大于1mm。首先機(jī)械手去除了其頂端使用的粗糙砂光紙#80，然后采用磨砂紙將其磨到一個中等粗糙#220，最后磨到#400，補償直徑和紙被切割到65mm大大的超過用于數(shù)控加工過程中的球頭銑刀直徑（17mm）。因此，我精選進(jìn)給量15mm.更新了CL數(shù)據(jù)的拋光機(jī)如圖9所示而且替換了如圖10所示控制器的CL數(shù)。切割偏移量被設(shè)為15mm的小值，以便防止工藝品的邊緣過度打磨。表1顯示了其他打磨條件和表面跟蹤控制的參數(shù)如圖10.這些數(shù)值的作用是用來發(fā)現(xiàn)錯誤的。
如圖13所示工作時的拋光機(jī)。拋光力大小控制如圖14所示。靈敏的空氣類型的工具會產(chǎn)生巨大的噪聲和振動。力量控制系統(tǒng)有工業(yè)機(jī)器手，力量感應(yīng)器，空氣驅(qū)動器和木制的材料。因為這樣的工作環(huán)境拋光力大小會變和振動，這就是為什么拋光往往會有毛刺和噪聲。而且，其加工出來的表面質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于技工加工出來的質(zhì)量。雖然它是如此困難和難以同技工保持同樣的拋光力大小、工具位置和定位方向。但機(jī)器拋光機(jī)可以完成更加精細(xì)任務(wù)。另一拋光機(jī)加工木制桌如圖15所示。觸摸感覺無論是手指還是手掌均令人非常滿意。一點等高線的跡象都沒有，以及邊緣周圍沒有過度的打磨，表面上沒有凸起。此外，我們還用觸筆儀器進(jìn)行測量，使得加工出來的表面粗糙度（Ra）和最大高度（Ry）的算術(shù)平均值在1mm至3mm以內(nèi)。
拋光機(jī)器人加工的新款家具如圖16、17所示。從實驗的結(jié)果我們可以確定。機(jī)器拋光系統(tǒng)可以完成對木制工藝品的彎曲表面加工。
5. 結(jié)論與將來的工作
這份文件涉及的機(jī)器人拋光系統(tǒng)用于家具工藝品的美觀設(shè)計和自由曲面造型。該系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)且用于工業(yè)機(jī)器人。這樣的系統(tǒng)有一個開放的控制器。系統(tǒng)有兩個新特點：一個是這種表面跟蹤控制器在控制拋光力大小的同時還可以控制位置和定位方向。另一個是根本不需要傳統(tǒng)復(fù)雜的示教運動?；诠I(yè)機(jī)器的常規(guī)拋光系統(tǒng)理想軌跡的位置和定位方向控制是通過復(fù)雜示教運動所獲得的。在這種情況下，操作員必學(xué)輸入大量的沿著物體表面運動的數(shù)據(jù)，不過拋光系統(tǒng)的三維CAD/CAM可以直接模擬出所需要的CL數(shù)據(jù)，從而使得該示教運動得以省略。通過實驗可知，那附于拋光機(jī)械手臂頂端的刀具可以平滑的跟隨彎曲表面移動。在接觸的同時且能保持一定的拋光力和正確的方向。也有人表明，該系統(tǒng)完成的彎曲表面不僅質(zhì)量好而且造型非常美。打磨的條件、控制的進(jìn)給量、所選砂紙的表面質(zhì)量等工藝參數(shù)在此文中以表述。 然而若將機(jī)械手拋光系統(tǒng)用于其它不同材料，其參數(shù)值需要重新設(shè)定。因為那理想?yún)?shù)的選定在很大程度上往往于木制材料有關(guān)。將來我們的計劃是整理木質(zhì)材料于理想?yún)?shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。目前，我們的計劃是整理木制材料于理想?yún)?shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。那參數(shù)的調(diào)整應(yīng)與物種內(nèi)部變化的方向保持一致。