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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(gè)有著表面控制針對(duì)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(dòng)工具經(jīng)一個(gè)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(gè)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(gè)新特點(diǎn).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(gè)拋光力的大小是根據(jù)連接產(chǎn)生的力和運(yùn)動(dòng)摩擦力來設(shè)定的。另一個(gè)特點(diǎn)是不需要復(fù)雜的示教再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)但必需獲得一個(gè)理想的刀具軌跡。切屑刀具的位置數(shù)據(jù)，即由CAD/CAM（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(yàn)，被研究證實(shí)。
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(jì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因?yàn)樗枰?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(jì)和加工成為可能。然而，拋光過程后的加工很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因?yàn)樗枰?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(yàn)的工人通過空氣驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。可以臆測出這樣的工具會(huì)發(fā)出刺耳的噪聲、震動(dòng)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(gè)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(yùn)等。要完成這些工作，重要的是對(duì)機(jī)器人手臂上端位置的準(zhǔn)確控制。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)用于拋光、去毛刺或磨削任務(wù)時(shí)，利用少許力控制會(huì)不可避免的出現(xiàn)對(duì)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(dòng)化機(jī)器人的修邊和磨削在[6~10]被介紹。兩個(gè)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(diǎn)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(shí)控制機(jī)械手的位置和力量。然而，六個(gè)制約因素包括三個(gè)自由度位置和三個(gè)自由度力量不能同時(shí)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(gè)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(shí)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(yàn)證。在測量時(shí)，重力補(bǔ)償器可以消除刀具重量對(duì)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(shí)現(xiàn)非示教運(yùn)動(dòng)。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(jì)。其拋光系統(tǒng)提供了實(shí)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(gè)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(yùn)動(dòng)的同時(shí)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(yàn)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(gè)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(gè)高靈敏度力量傳感器。拋光刀具經(jīng)以個(gè)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(gè)人計(jì)算機(jī)和服務(wù)器連接。基于PC的控制器提供了幾個(gè)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(duì)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(gè)裝有windows API 函數(shù)的自動(dòng)拋光機(jī)中變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
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(gè)主要特點(diǎn)：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(shí)對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
在本節(jié)中，利用模擬機(jī)器拋光機(jī)給出的試驗(yàn)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\(yùn)行各種奇異的運(yùn)動(dòng)。這就原于軌道拋光機(jī)不僅是個(gè)強(qiáng)大的打磨工具，而且磨出的表面質(zhì)量好、擦傷少。在這個(gè)試驗(yàn)中，軌道拋光工具被選擇而且在經(jīng)由一個(gè)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(gè)工件時(shí)，墊圈與磨砂低附著表面。圖12一個(gè)數(shù)據(jù)加工的工件表面，這里一個(gè)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(gè)中等粗糙#220，最后磨到#400，補(bǔ)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(cuò)誤的。
如圖13所示工作時(shí)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(huì)產(chǎn)生巨大的噪聲和振動(dòng)。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(dòng)器和木制的材料。因?yàn)檫@樣的工作環(huán)境拋光力大小會(huì)變和振動(dòng)，這就是為什么拋光往往會(huì)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果我們可以確定。機(jī)器拋光系統(tǒng)可以完成對(duì)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(jì)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(gè)開放的控制器。系統(tǒng)有兩個(gè)新特點(diǎn)：一個(gè)是這種表面跟蹤控制器在控制拋光力大小的同時(shí)還可以控制位置和定位方向。另一個(gè)是根本不需要傳統(tǒng)復(fù)雜的示教運(yùn)動(dòng)。基于工業(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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)得以省略。通過實(shí)驗(yàn)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(dòng)。在接觸的同時(shí)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?yàn)槟抢硐雲(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(jì)劃是整理木質(zhì)材料于理想?yún)?shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。目前，我們的計(jì)劃是整理木制材料于理想?yún)?shù)對(duì)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。