新松6轴机器人打磨轴承盖方法研究

■沈阳新松机器人自动化股份有限公司 （辽宁 110168） 马 亮 王 策 宋 宇

摘要：利用可编程控制器作为主控，通过NT50实现远程控制机器人等数据交换、提高打磨效率、增强产品一致性，降低废品率。

在打磨行业，目前采用人工进行作业较多。这种打磨方式能提升产品质量但也存在缺点：因打磨现场的工作环境恶劣，火花与粉尘对人体伤害使从业者减少；随着经济的发展，工人的工资与材料费用增加，使成本提升；工作时工人依照经验判断是否加工完成，因此加工质量无法保证；因工人无法长时间集中去做重复性工作，导致工作效率低，工作连续性无法保持稳定。

国外有机器人在打磨行业的应用，但昂贵的价格和售后服务使很多厂家忘却止步。由于种种原因，国产工业机器人在打磨和抛光行业中尚处于发展阶段，但价格便宜、服务周到，在打磨和抛光业中占有一定市场。

本文所述的是采用新松机器人10kg（SR10C）6轴工业机器人，针对主轴承盖加工面部分边线打磨而设计的整套系统，配合西门子S7-1214PLC 作为主控制器、自动化柔性气动打磨工具ATI、SMC的电气比例阀，形成高产能、高精度且具有完整性的自动化生产单元，以满足订货方自动化生产的实际需求。

1. 网络构成

本次设计采用主控制P L C通过使用NT50-DN-EN网关实现DeviceNet 与 PROFINET IO这两种不同总线协议之间的转换。目的是想让作为PROFINET IO Controller的西门子PLC能够控制作为DeviceNet Slave的新松机器人控制器。因为总线的结构要求总线中至少要有一个控制器，而PROFINET总线中已有PLC作为主站，所以NT50作为PROFINET中的IO Device，而DeviceNet总线中只有新松机器人控制器作为从站，所以NT50必须作为DeviceNet的Master作用。也就是说，NT50既是PLC的从站，也是新松机器人的主站。需要注意的是，NT50作为主站只能带动一个从站。通过这个网关NT50-DNEN实现机器人和主控PLC进行信号的交接。这是整套系统的关键所在。实现机器人本体与主控互联的远程控制。

2. 主控制主要功能

集中显示监控功能：可对现场设备状态、工件情况、位置进行实时监控。

集中操作功能：可通过触摸屏集中操作现场设备、加工程序选择。

数据存储管理功能：主控PLC系统可对生产中的实时数据和基础数据进行保存和更新。

集中报警：现场设备故障可通过网络集中反应在主控制PLC上，显示于触摸屏上，以便生产人员及时采取处理措施。

网络扩展：本系统的主控PLC支持以太网和Profinet-PN，可与其他线上PLC或车间级生产管理系统进行连接，使整个车间在一个网络中。如图1所示为控制系统网络图。

3. 控制流程

通过主控制柜的触摸屏和按钮实现加工程序的选择、机器人的远程使能、启动和暂停，通信PLC网络图及NT50的GSD配置图如图2和图3所示。

4. 打磨方式

浮动打磨工具固定安装在打磨支架上，要求气动马达供气：气压0.62～0.65MPa（需配可通过高流量的调压阀）；顺从力气压调试范围：0.10～0.42MPa（需配精密调压阀）；气体流量要求：工作时大概10L/s（提供顺从力气源基本不消耗气体）；气源过滤精度要求：过滤、干净、干燥和无油脂。更为精确地确保对工件打磨效果的把握。针对不同的轴承盖及打磨位置处，要求对SMC电气比例阀采用PI控制，要求相应速度快。压力设定在0.1～0.5MPa。

图1 网络图

图2

图3

经过不断的试验测试，当SMC电气比例阀设定压力为最大值0.5MPa时，固定打磨头的刚性过强，这样非常容易与机械手夹持工件相碰，造成机器人轴负载过大导致中途停止工作。当电气比例阀设定值从0.5MPa降低至0.4MPa时，固定打磨头的刚性较之前的弱，虽然可以完成打磨，但效果不满足生产要求，因为这样还会造成去毛刺过多，并且将更多的毛刺挤入工件内侧。

机器人夹持工件的移动方向变成旋转锉方向的方式进行移动，可以解决毛刺被挤入内侧问题，如图4所示。但打磨过多的问题没有解决，随着试验的测试SMC电气比例阀设定变小直到在最小值0.1MPa，这时打磨头的刚性最小、柔性最大。机器人夹持工件在空间直角坐标系的XOZ平面上，沿着与打磨刀具接触之后Y轴位置保持不变，保持电气比例阀反馈压力0.1MPa恒定。选用45°带切削的刀具，顺切执行操作，可以确保打磨去毛刺的效果。

耽误节拍并且检验严格的是对于曲线段的要求，如图5所示。为了满足节拍要求，选择三点构成一个圆弧。用VC的走弧线命令完成。确保走弧线区域的完美工艺和符合节拍的要求，曲线段速度不能太低，圆滑过渡要求必须均匀。经过上百次的试验摸索，得出曲线段速度比控制在VC50～VC55满足打磨的工艺要求，保证了圆滑的均匀过渡。图6所示为工件夹持的方法。图7及附表所示为相应的打磨工艺卡。

工件打磨不仅对示教轨迹有要求，对打磨工具要求也是很高的。为此研究出好几种打磨方式及刀具的选择如图8所示，打磨效果如图9所示。这种刀具存在以下问题：工艺卡的第1、2及曲线9段难以进行打磨。示教很容易发生机械手与打磨刀具的碰撞。最重要的是，其打磨效果也不能满足工艺要求。我们也采用了砂带机进行打磨，虽然砂带机在曲线段去毛刺比较好，但存在直线段与曲线段过渡区及1、2段终究难以打磨的弱项，如图10所示。如果采用砂带机，对节拍的要求也很难达到工艺要求。其次砂带机转速的设定不易过快，并且因工件本身是铸铁，使用砂带机会对砂带造成很大的磨损。综上所述几点造成了砂带机不能长期使用。更换起来也不方便。

图4 直线段

图5 曲线段

图6 夹持部分

经过长期打磨试验证明，选择如图11所示的旋转锉刀KSK更为合理。此项目打磨刀具采用用于边缘作业的碳化钨旋转锉刀，这是一种新型的PEFRD产品系列，主要用于钢和铝结构，专门设计用于边缘倒角、去毛刺及修整方面，尤其可以适用于难以触及区域，形成精准倒角和半径。并且，此种放置在ATI气动马达的旋转锉在进行较小切削作业（去毛刺、倒角和表面处理）时，转速可大幅增加至100%。并且当工件有较大毛刺时，通过示教机器人反复动作，工件可以获得表面精细和光滑的外表。

图7 工件打磨位置

打磨工艺卡

顺序号扭矩/N·m 1 1 打磨边线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 打磨边线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 － －工步号 工步内容 切削速度/（mm·s－1）主轴转速/（r·min－1）切削深度/mm长度/mm 次数t时间/s功率/W打磨5 5打磨边线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 打磨边线9 27 15 000 0.1～1 75 1 2.778 － －节拍分析 正面打磨时间/ s 10.85刀具清单：采用德国马圈刀具刀具号 刀具及附件型号 刀具型号 备注T 01 碳化钨旋转锉刀 KSJ 0605 －

图8 选择刀具

图10

图9 打磨结果

图11 打磨工具（锥形埋头孔形KSK）

5. 结语

该主轴承盖机器人打磨工作站系统已连续运行数月，状况良好，不仅主轴承盖打磨效果良好，保证了产品的一致性，而且改善了恶劣的工作环境，提高了生产率。该自动打磨系统的研制成功运行，不仅开启了国产新松工业机器人在打磨行业的应用，为公司增加更多打磨的知识储备，更重要的是实现了国产机器人与国外主流PLC通信联网的成功。

此外，通过此类项目，也让我们对于打磨项目的难度和深度有了深切的体会，通过对ABB、FANUC等国外6轴机器人的应用研究，设想对于类似的项目，通过对工件的研究，给出其空间坐标上的数学模型，给出机器人的运动轨迹进而做到离线编程，这样简化了对操作人员对打磨示教点的精准度要求，还提高了工作效率。这将会是未来打磨行业研究的重点和方向。相信通过公司相关技术人员的不断深入研究，打磨和抛光业乃至整个社会的自动化行业将出现更多新松工业机器人的身影，实现国家的产业升级。

参考文献：

[1] 廖长初. PLC编程与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[2] 熊烁，叶伯生，蒋明. 机器人工具坐标系标定算法研究[J]. 机械与电子，2012（6）：60-63.

[3] 李瑞峰，候琳琪，陶谦. 机器人末端工具参数自动标定方法[J].哈尔滨工业大学学报，1998,30（3）：74-76.

[4] 崔坚. SIMAITIC S7-1500与TIA博途软件使用指南[M]. 北京：机械工业出版社，2016.

（收稿日期：20170723）