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摘 要：本文主要针对机器人抛光机控制系统的结构展开了探讨，对机器人的柔性抛光系统作了简要的介绍，详细阐述了抛光机机械的本体及系统结构，并系统分析了轮径检测和恒压力抛光算法，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。
关键词：机器人；抛光；控制系统
抛光机也称为研磨机，常常用作机械式研磨、抛光及打蜡。而随着科学技术的创新，抛光机也逐渐出现了以机器人为主的控制系统。此类系统的应用，不仅使得加工效率大大提高，工作环境也得到了改善，具有着广泛的应用前景。基于此，本文就机器人抛光机控制系统的结构进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
1 机器人柔性抛光系统主要特点
机器人柔性抛光系统主要特点如下：
（1）实现恒压力抛光加工。进给摆杆位置由码盘读数确定，电流传感器测得电机电流间接得到抛光力的大小。加工时抛光轮在丝杠传动机构带动下前进或者后退，实现任意时刻加工力的恒定。
（2）加工点及加工平面保持不变，便于机器人加工编程。随着加工进行，抛光轮因磨损而变小，其半径减小量由轮径检测机构检测，步进电机驱动滚珠丝杠来实现抛光轮的横向进给，使得机器人加工平面上加工点不变，便于机器人加工编程。
（3）结构紧凑。采用摆杆结构，同时对其他结构进行优化，使得整体结构紧凑，占地面积小，节省空间。
2 抛光机机械本体结构
抛光机机械本体结构是由2个平行四边形机构和一个丝杠传动机构组成。在抛光机机械本体中，抛光轮的旋转是主运动，这个运动由固定在底座上的交流电机通过皮带传动来带动。
2.1 抛光轮进给机构
为了便于机器人的编程及保证加工质量，要求机器人加工点A保持不变。随着加工的进行，抛光轮因磨损而变小。步进电机驱动滚珠丝杠实现平面四连杆机构B左右摆动，实现抛光轮的横向进给，以满足加工平面上加工点A保持不变的要求。
2.2 抛光膏进给机构
抛光加工时，需要抛光膏每隔一段时间涂在抛光布轮上。对于抛光膏的进给，采用固连在机构B上的平面四杆机构C实现。抛光膏进给机构C与机构B联动，抵消了抛光轮直径减小对抛光膏进给距离增加的影响，始终保证抛光膏和抛光轮的接触。抛光膏回位气缸的作用是：当一次抛光膏进给完成后，气缸缸杆收缩，抛光膏进给装置快速后退，使抛光膏进给机构快速回到所要求的位置。
2.3 机构几何关系
平面四连杆机构B和平面四连杆机构C均为平行四边形机构。抛光加工时，抛光膏回位气缸近似固定，此时M点近似固定不动。
平面四连杆机构B中，G点是丝杠与大摆杆PO连接点，G为大摆杆PO的中点，PO=2PG。平面四杆机构C中，H点是平面四连杆机构B与平面四杆机构C连接点，H点为MN的中点，MN=2MH。
抛光轮磨损后直径减少量为Δ时，为了保证机器人加工切平面上的A点不变，由上述几何关系得到抛光轮中心点O移动量为Δ/2，G点位移即丝杠进给量为Δ/4。当丝杠进给量为Δ/4时，抛光膏进给机构上N点移动量也是Δ，保持了抛光膏进给装置与轮后缘的距离S固定不变。
3 抛光机控制系统结构
抛光机控制系统以LG公司K7系列PLC为核心控制器件，以LG-XGT液晶屏为人机交流窗口，用变频器实现抛光轮5.5kW交流电机的调速。用两台步进电机实现抛光轮进给机构、抛光膏进给机构的精确运动。用电流传感器检测交流电机电流实现恒压力抛光控制。
4 抛光轮轮径检测算法
4.1 轮径检测算法的提出
抛光轮在抛光工件的过程中逐渐磨损减小，为了保证抛光力的恒定，抛光轮会在步进电机的带动下根据力反馈的值前后移动。当抛光轮减小到允许工作最小直径时，步进电机带动丝杠使丝杠螺母也移动到了前限位开关处。这时，需要停机更换新的抛光轮。
换轮过程是否进行由轮径检测机构來检测。轮径检测机构由固联在抛光膏进给装置上的微动开关和可转动测量杆组成。轮径检测算法的主要作用是由当前码盘数值x得到当前抛光轮直径D。
当抛光轮直径由D磨损减少到d时，由机构几何关系得到抛光轮直径减少量为Δ=（D-d）。为了保证机器人加工切平面上的A点不变，丝杠进给量为Δ/4，此时抛光膏进给装置与轮后缘的距离S固定不变。轮径检测装置与抛光膏进给装置固连在一起，所以可以用轮径检测装置上的测量杆与抛光轮相接触而得到轮子的直径减少量Δ，进而得到磨小后的轮子直径d。
4.2 抛光轮直径D与码盘数值x关系
下面推导抛光轮直径D和码盘数值x关系：取抛光轮最大直径为1000mm，本系统所用丝杠导程5mm。抛光轮直径为1000mm时丝杠运动到后限位开关，此时码盘数值为0。
由实验得到下表数值
对上表数据进行数据拟合，得到抛光轮直径D与码盘数值x对应的关系曲线如图2所示。
图2 抛光轮直径D与码盘数值x关系
故当抛光轮直径为D（400 （1）
由式（1）得：x=200（1000-D） （2）
丝杠从后限位开关处运动到抛光轮直径为D时，需要运动的距离为（1000-D）/4，丝杠需要转的圈数n为n=（1000-D）/20 （3）
由式（2）、式（3）得当前码盘数值x与此时丝杠已旋转圈数n的对应关系为：x=4000n （4）
4.3 抛光轮最小可用直径计算
实际工作中，加工一段时间后，抛光轮直径由D磨成d。此时启动轮径检测程序，记下码盘数值x1，然后丝杠每次前进一个固定距离，直到轮径检测装置上的测量杆与抛光轮相接触，测量杆被抛光轮带动向上转动，压下微动开关的簧片，PLC收到微动开关的输出信号，使丝杠停止运动。由于测量杆与抛光轮有一个固定不变的间隙y，这时丝杠后退y停止，码盘数值为x2。这样保证了抛光膏进给装置与轮后缘的距离S和机器人加工切平面上的A点固定不变。
两次码盘数值差为x2-x1，由式（3）、式（4）可知相当于丝杠旋转n=（x2-x1）/4000圈，丝杠螺母运动了5nmm，前述丝杠进给量为Δ/4，由5n=Δ/4得到
（5）
由式（5）得磨损后抛光轮直径为： （6）
由式（6）计算得到的磨损后抛光轮直径d又作为下一次的D进行递归计算，直到达到设定的抛光轮最小可用直径d为止。
这样，加工过程中可以设定抛光轮最小可用直径d并进行换轮操作。按照此算法对不同轮径的抛光轮均可顺利进行换轮的操作。
5 恒压力抛光算法
丝杠传动机构的功能是驱动四连杆机构B，使得抛光轮前进或者后退，从而调整抛光轮与被加工工件之间的正压力，满足不同加工曲面有不同的正压力，实现恒压力抛光。抛光轮在皮带驱动下高速旋转时，在抛光某一个固定方位上，抛光点至抛光轮中心的一块窄带布轮可以近似抽象为一个弹簧，其刚度系数k跟抛光轮的外圈线速度v和半径r有关。丝杠驱动力F由拉压传感器检测，丝杠传动机构进给量X由码盘间接检测得到，抛光法向力Fc与F有确定的函数关系，抛光轮的变形量Y近似等于Fc/k来获得。
对丝杠传动机构的力位混合控制，抽象出来就是对某一特定压力点P的逼近，逼近后把逼近的位移量发给主控PLC处理，因变量是码盘读到的步进电机驱动滚珠丝杠的角度，将优化设计学中的“进退法”思想应用到丝杠传动机构的控制上，可以得出“进退法丝杠传动机构控制”算法。
6 结语
综上所述，机器人抛光机控制系统的出现，对于抛光机工作效率的提升有着极大的帮助。因此，为了进一步完善机器人抛光机控制系统的运行，我们就需要熟知机器人抛光机控制系统的结构，并采取有效措施做好维护，以为抛光机的工作带来帮助。
参考文献
[1] 李成群、贠超、王留呆、彭伟、齐立哲.PLC在机器人柔性抛光机床中的应用[J].制造业自动化.2007（29）.
[2] 何竞择、贠超、张栋、付波.抛光机器人示教控制系统设计[J].2011（33）.
关键词：机器人；抛光；控制系统
抛光机也称为研磨机，常常用作机械式研磨、抛光及打蜡。而随着科学技术的创新，抛光机也逐渐出现了以机器人为主的控制系统。此类系统的应用，不仅使得加工效率大大提高，工作环境也得到了改善，具有着广泛的应用前景。基于此，本文就机器人抛光机控制系统的结构进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
1 机器人柔性抛光系统主要特点
机器人柔性抛光系统主要特点如下：
（1）实现恒压力抛光加工。进给摆杆位置由码盘读数确定，电流传感器测得电机电流间接得到抛光力的大小。加工时抛光轮在丝杠传动机构带动下前进或者后退，实现任意时刻加工力的恒定。
（2）加工点及加工平面保持不变，便于机器人加工编程。随着加工进行，抛光轮因磨损而变小，其半径减小量由轮径检测机构检测，步进电机驱动滚珠丝杠来实现抛光轮的横向进给，使得机器人加工平面上加工点不变，便于机器人加工编程。
（3）结构紧凑。采用摆杆结构，同时对其他结构进行优化，使得整体结构紧凑，占地面积小，节省空间。
2 抛光机机械本体结构
抛光机机械本体结构是由2个平行四边形机构和一个丝杠传动机构组成。在抛光机机械本体中，抛光轮的旋转是主运动，这个运动由固定在底座上的交流电机通过皮带传动来带动。
2.1 抛光轮进给机构
为了便于机器人的编程及保证加工质量，要求机器人加工点A保持不变。随着加工的进行，抛光轮因磨损而变小。步进电机驱动滚珠丝杠实现平面四连杆机构B左右摆动，实现抛光轮的横向进给，以满足加工平面上加工点A保持不变的要求。
2.2 抛光膏进给机构
抛光加工时，需要抛光膏每隔一段时间涂在抛光布轮上。对于抛光膏的进给，采用固连在机构B上的平面四杆机构C实现。抛光膏进给机构C与机构B联动，抵消了抛光轮直径减小对抛光膏进给距离增加的影响，始终保证抛光膏和抛光轮的接触。抛光膏回位气缸的作用是：当一次抛光膏进给完成后，气缸缸杆收缩，抛光膏进给装置快速后退，使抛光膏进给机构快速回到所要求的位置。
2.3 机构几何关系
平面四连杆机构B和平面四连杆机构C均为平行四边形机构。抛光加工时，抛光膏回位气缸近似固定，此时M点近似固定不动。
平面四连杆机构B中，G点是丝杠与大摆杆PO连接点，G为大摆杆PO的中点，PO=2PG。平面四杆机构C中，H点是平面四连杆机构B与平面四杆机构C连接点，H点为MN的中点，MN=2MH。
抛光轮磨损后直径减少量为Δ时，为了保证机器人加工切平面上的A点不变，由上述几何关系得到抛光轮中心点O移动量为Δ/2，G点位移即丝杠进给量为Δ/4。当丝杠进给量为Δ/4时，抛光膏进给机构上N点移动量也是Δ，保持了抛光膏进给装置与轮后缘的距离S固定不变。
3 抛光机控制系统结构
抛光机控制系统以LG公司K7系列PLC为核心控制器件，以LG-XGT液晶屏为人机交流窗口，用变频器实现抛光轮5.5kW交流电机的调速。用两台步进电机实现抛光轮进给机构、抛光膏进给机构的精确运动。用电流传感器检测交流电机电流实现恒压力抛光控制。
4 抛光轮轮径检测算法
4.1 轮径检测算法的提出
抛光轮在抛光工件的过程中逐渐磨损减小，为了保证抛光力的恒定，抛光轮会在步进电机的带动下根据力反馈的值前后移动。当抛光轮减小到允许工作最小直径时，步进电机带动丝杠使丝杠螺母也移动到了前限位开关处。这时，需要停机更换新的抛光轮。
换轮过程是否进行由轮径检测机构來检测。轮径检测机构由固联在抛光膏进给装置上的微动开关和可转动测量杆组成。轮径检测算法的主要作用是由当前码盘数值x得到当前抛光轮直径D。
当抛光轮直径由D磨损减少到d时，由机构几何关系得到抛光轮直径减少量为Δ=（D-d）。为了保证机器人加工切平面上的A点不变，丝杠进给量为Δ/4，此时抛光膏进给装置与轮后缘的距离S固定不变。轮径检测装置与抛光膏进给装置固连在一起，所以可以用轮径检测装置上的测量杆与抛光轮相接触而得到轮子的直径减少量Δ，进而得到磨小后的轮子直径d。
4.2 抛光轮直径D与码盘数值x关系
下面推导抛光轮直径D和码盘数值x关系：取抛光轮最大直径为1000mm，本系统所用丝杠导程5mm。抛光轮直径为1000mm时丝杠运动到后限位开关，此时码盘数值为0。
由实验得到下表数值
对上表数据进行数据拟合，得到抛光轮直径D与码盘数值x对应的关系曲线如图2所示。
图2 抛光轮直径D与码盘数值x关系
故当抛光轮直径为D（400
由式（1）得：x=200（1000-D） （2）
丝杠从后限位开关处运动到抛光轮直径为D时，需要运动的距离为（1000-D）/4，丝杠需要转的圈数n为n=（1000-D）/20 （3）
由式（2）、式（3）得当前码盘数值x与此时丝杠已旋转圈数n的对应关系为：x=4000n （4）
4.3 抛光轮最小可用直径计算
实际工作中，加工一段时间后，抛光轮直径由D磨成d。此时启动轮径检测程序，记下码盘数值x1，然后丝杠每次前进一个固定距离，直到轮径检测装置上的测量杆与抛光轮相接触，测量杆被抛光轮带动向上转动，压下微动开关的簧片，PLC收到微动开关的输出信号，使丝杠停止运动。由于测量杆与抛光轮有一个固定不变的间隙y，这时丝杠后退y停止，码盘数值为x2。这样保证了抛光膏进给装置与轮后缘的距离S和机器人加工切平面上的A点固定不变。
两次码盘数值差为x2-x1，由式（3）、式（4）可知相当于丝杠旋转n=（x2-x1）/4000圈，丝杠螺母运动了5nmm，前述丝杠进给量为Δ/4，由5n=Δ/4得到
（5）
由式（5）得磨损后抛光轮直径为： （6）
由式（6）计算得到的磨损后抛光轮直径d又作为下一次的D进行递归计算，直到达到设定的抛光轮最小可用直径d为止。
这样，加工过程中可以设定抛光轮最小可用直径d并进行换轮操作。按照此算法对不同轮径的抛光轮均可顺利进行换轮的操作。
5 恒压力抛光算法
丝杠传动机构的功能是驱动四连杆机构B，使得抛光轮前进或者后退，从而调整抛光轮与被加工工件之间的正压力，满足不同加工曲面有不同的正压力，实现恒压力抛光。抛光轮在皮带驱动下高速旋转时，在抛光某一个固定方位上，抛光点至抛光轮中心的一块窄带布轮可以近似抽象为一个弹簧，其刚度系数k跟抛光轮的外圈线速度v和半径r有关。丝杠驱动力F由拉压传感器检测，丝杠传动机构进给量X由码盘间接检测得到，抛光法向力Fc与F有确定的函数关系，抛光轮的变形量Y近似等于Fc/k来获得。
对丝杠传动机构的力位混合控制，抽象出来就是对某一特定压力点P的逼近，逼近后把逼近的位移量发给主控PLC处理，因变量是码盘读到的步进电机驱动滚珠丝杠的角度，将优化设计学中的“进退法”思想应用到丝杠传动机构的控制上，可以得出“进退法丝杠传动机构控制”算法。
6 结语
综上所述，机器人抛光机控制系统的出现，对于抛光机工作效率的提升有着极大的帮助。因此，为了进一步完善机器人抛光机控制系统的运行，我们就需要熟知机器人抛光机控制系统的结构，并采取有效措施做好维护，以为抛光机的工作带来帮助。
参考文献
[1] 李成群、贠超、王留呆、彭伟、齐立哲.PLC在机器人柔性抛光机床中的应用[J].制造业自动化.2007（29）.
[2] 何竞择、贠超、张栋、付波.抛光机器人示教控制系统设计[J].2011（33）.