摘要（yào）：拋光是提升（shēng）汽車模具表麵質量的一道重要工序，目前主要采用傳統的方法手工完成，生產效力低，且容易出現人為（wéi）誤（wù）差。因此基於（yú）機器（qì）人的（de）自動化（huà）拋光技術備受廣泛關注，而柔性終端執行器是拋光機器人係（xì）統的關（guān）鍵部件，直接影（yǐng）響拋光效果。根據汽（qì）車模（mó）具的拋光（guāng）特征，設計了基（jī）於（yú）彈簧的柔性終端執行器，建立了機器人柔性拋光係統的虛（xū）擬樣機，並利用adams對其進行了仿真分析。結果表（biǎo）明：該機器人柔性拋光係（xì）統滿足汽車模具表麵拋光要（yào）求，能（néng）自適應跟蹤打磨軌跡，有效補（bǔ）償油石的損耗量，避免了“過拋光”和“少（shǎo）拋光（guāng）”的問題。
 
       關鍵詞：拋磨機器人；模具；柔性終端執行器；虛擬樣機；Adams仿真
  
      1、引言
   
      拋光是模具加工（gōng）過（guò）程的一道關鍵工序，用於去除前道工序的加工痕跡（jì），改善工件表麵質量，並消除局部（bù）的（de）應力集中。目前，國（guó）內外模具拋光以手工拋光（guāng）為主，手工拋光的工作量大、耗時多，且受工人技術影（yǐng）響較大。據統（tǒng）計，在模具生（shēng）產製（zhì）造周期中，有(30。40)％的時間是用在型腔曲麵的拋光上I—I。
 
      為（wéi）了提（tí）高生產效率，自動化柔性拋光技術受到國內外廣（guǎng）泛關注。文獻[21利用磁流變液(Magnetorheological，MR)在磁場中的（de）流變特陛對複雜曲麵工件進行研磨拋光，通過實時控製（zhì）外磁場對磁流變液的剪切屈服應力和局部形狀，達到去除材料的目的。國內名（míng）牌大學科研機構均對（duì）磁流變液柔性拋光進行研究與應用。文獻圈展開了基（jī）於電解電化學技術的組合與複合拋光技術，不僅有效地提高了（le）加工效率，而且工件表麵質量（liàng）出現了（le）顯著提升（shēng）。文獻（xiàn）[41以有機玻璃為研拋加工對象，建立了一（yī）種主被動柔順控製研拋模型，實現了機器人相對恒定的力控製效果（guǒ）。文（wén）獻園以三軸立式加工中心為（wéi）平台，開發出MAF與（yǔ）ELID磨削的新型組（zǔ）合加工及專用工具，並提出該複合技術對複雜（zá）曲（qǔ）麵進行（háng）加工的控製方法。文獻[61對氣囊拋光技術展（zhǎn）開研究（jiū），實現了模具自由曲麵（miàn）的柔性拋光。文獻晰製了數控（kòng）三軸氣囊拋光機床，采用位置／接觸力混（hún）合控製方式，獲（huò）得了較高的（de）加工精度。文（wén）獻【8】對砂帶柔性拋光（guāng）工藝裝備技術進行研究，提（tí）出基於拋（pāo）光力（lì）控製的砂帶柔性磨頭拋光工藝（yì）方（fāng）法，並對其拋光工藝過（guò）程、拋光力控製進（jìn）行研究。文獻嘟釋硬脆材料加工過程中材料去除機理，並預測了CMP技（jì）術的發展和研（yán）究重點。文獻【1q提出了機器人力腔控（kòng）製方法，利用（yòng）三維力，力矩傳感器實時進行打磨（mó）力信（xìn）息的采集、補償與反（fǎn）饋，通過解析力／位函數實現法向偏置補償，取得了較好的效果。盡管柔性拋光技術取得了許（xǔ）多成果，但大多停（tíng）留在理論和試驗階段，手工拋光仍是汽車模具加工領域（yù）的主流。針對機（jī）器（qì）人拋光係統，設計了基於彈簧的柔陛接觸終端執行器，並通過虛擬樣機技術（shù），開展了拋光機器人係統（tǒng）對模具（jù）表麵軌跡變化自適應跟蹤、拋光力（lì）補償等方麵的研（yán）究。
   
       2、柔性（xìng）接（jiē）觸力調節裝置設計（jì）
 
       2．1彀針要求
 
       機器人（rén）柔性拋（pāo）光係統主要包括機器人本體、柔性終端執（zhí）行器（qì）、工件。由於拋（pāo）光係統的機器人本（běn）體一般采用市場上現有產品，其固有特性使該係統（tǒng）很難（nán）滿足模具表麵拋光要求，因此，終端（duān）執行器至關重要。通過對汽（qì）車模具拋光工藝過程的分析，拋光（guāng）機（jī）器人係統應（yīng）滿足以下兩個方（fāng）麵的要求。
 
       一方麵，自適應（yīng）曲率變化功能。模具表麵大多為自由曲麵，拋光過程中曲率在不斷變（biàn）化，而機器人的（de）運動是有點來擬合曲線，因此柔性終端執行器應具有跟蹤曲率變化（huà）的特性（xìng）。
 
       另一方麵，拋光接觸力調節功能。在（zài）拋光過程（chéng）中，由於油石的磨損，機器人的結構、位置（zhì）誤差等因素，會造成拋光油石與加工麵的“不接觸”或“過接觸”，而接觸力的大小直接影響到（dào）拋光效（xiào）果。

       除此之外，該柔性終端（duān）執行器還應該具有結構簡單、更換容易、操作方便以及（jí）成本低等特征。
 
       2_2 柔性接蠲力詞筇（qióng）裝置結（jié）槽彀針
 
       通過對汽車模具打磨（mó）工況的綜合分析，設（shè）計了一種基於彈簧的柔性末端拋光執行機構，其結構，如圖l所示。

       1．油石2．調節螺母3．直線軸承（chéng）4周定螺栓5緩衝彈簧6．平衡彈簧7．螺釘8．連接法蘭9．關節軸承（chéng）外圈lO．主軸1 1．關節軸承內圈
 
                                        圖1柔性終端執（zhí）行機構
 
 
       柔（róu）性終端執行器包括球鉸軸承、主軸，平衡彈簧、緩衝彈簧、連接法（fǎ）蘭（lán）、直（zhí）線軸承以及打磨頭等部分（fèn）組成。平衡（héng）彈簧通過彈性力使主軸（zhóu）保持中位，緩衝彈簧確定打磨力的（de）大（dà）小（xiǎo）。工作時，該柔（róu）性終端執行器通過（guò）法蘭（lán）安裝（zhuāng）於機（jī）械手前端，打磨過程中磨頭在對中彈簧彈性（xìng）變形範圍內做偏（piān）轉微動，緩衝彈簧保（bǎo）證了磨頭與工件之間的工作（zuò）壓力（lì）在一（yī）恒定範圍內變化（huà）。該柔性終端執（zhí）行（háng）器主要表現為以（yǐ）下兩個方麵的特征：
 
       (1)自適應柔性跟（gēn）蹤工件表（biǎo）麵。對（duì）中彈簧允許拋光頭沿三個彈簧壓縮的方向偏轉一定的角度，偏轉角度的大小與彈簧的剛度和阻尼值有關，使磨頭（tóu）能有效的自（zì）適應工件表麵形狀；緩衝彈簧使拋光磨頭與被拋麵是柔（róu）性接觸，有效的預防了“不接觸”或“過接觸”，保（bǎo）障（zhàng）了表麵的拋光質（zhì）量。(2)克服了工業機器（qì）人關節剛性較差（chà）的特點。由於存在結構、位置誤差等因素，工業機器人運動精度很（hěn）難達到加工級別，該柔性終端執行器在一定程度上對機器人的運動提供了伺服修正。
 
       2．3平衡彈簧針算
 
       平衡（héng）彈簧采用1200圓周均布，由於工作過（guò）程彈簧壓縮量較小，且設有部分導（dǎo）向杆，因此設計時忽略彈簧的彎曲變形。計算模型，如圖2所示。

                  圖2平衡（héng）彈簧計算模型

    
       設（shè）計最大打磨壓力E為100N，油石與模具之間的摩擦係數廠為0．38。根據：
  
      
  
                                      表1  彈簧參數表（biǎo）
    
      

   
       3、機器人柔性打磨係統虛擬樣機
 
       3．1虛擬樣機（jī）係統建模
   
       根據設計計算結果，用三維軟（ruǎn）件solidworks建立了柔性終端執行器三維（wéi）模型。為了便於仿真、減少約束數，仿真時將（jiāng）模型中部分螺栓、螺母和墊圈等緊固件（jiàn）進行了省略，並進行了（le）部分的結構簡化處理。該柔性打磨係統采（cǎi）用FANUC產品（pǐn）R-2000iB機器人。建立三維虛擬樣機，並保存成（chéng）x-t格式導入到ADAMS中。將沒有相對運動的零部件通過布爾加運算進行合並，將無關運動部件進行簡化處理。通過MaterialType定義合並後的部件材料屬性，並完成運動副添加。為了使仿真與（yǔ）汽車模具打磨的實際工況相一致，在ADAMS中（zhōng）給模型的每個旋轉副和移動副添加摩（mó）擦力，並添（tiān）加了—z方向的重力場。柔性打磨係統虛擬樣機模型，如圖3所示。

                圖3柔性打磨係統（tǒng）虛擬樣機模型

       3．2仿真設置（zhì）
 
       3．2．1接觸定（dìng）義
 
       打（dǎ）磨油石與工件表麵的接觸特性是仿（fǎng）真模擬的關（guān）鍵。應用衝擊函數(Impact)方法定義柔（róu）性末端執行器與工件之間的碰撞力。Impact函數參數設定（dìng），如表（biǎo）2所示（shì）。由於存在緩衝彈簧，碰撞係（xì）統選取為0．1，根據打磨工件表麵質量要求，設置（zhì）打磨滲透深（shēn）度為O．02mm。

                                         表2  仿（fǎng）真參數
    
      

       3．2．2運動軌跡
 
       柔（róu）性打磨係統驅動采（cǎi）用一般點驅動模式，通過step函數設定機器人末端軌跡，而柔性（xìng）終端執行器為隨動機（jī）構。Step函數形式（shì）為step(x，孫ho，‰h1)，計算公式為：
  
      
  
      
  
 
       4、結果分析
 
       4．1彈簧力學特性分析
 
       設定運動仿（fǎng）真時間為12s，步（bù）長為120，進行運（yùn）動模擬，仿真（zhēn）結果，如圖4所示。平衡（héng）彈簧力學特性變化過程，如圖4(a)所示。初始運動階段彈（dàn）簧受到較大的衝擊，彈簧3受力最大（dà），達（dá）到1．2N。運動穩定（dìng）階段，彈簧力（lì）隨（suí）著末端執行器運動軌跡方向的改變進行周期性變化（huà）。由於（yú）打磨工件為（wéi）平（píng）麵，平衡彈簧力的變化範圍（wéi）均較小。平衡彈簧變形量變化情況，如圖4(b)所（suǒ）示。從圖4(b)可以看出柔性終端執行器在工作（zuò）過程中，彈簧同時存在壓縮和拉伸，最大壓縮量為2．9mm，最大拉伸量為3．6mm。
 

                                    圖4平衡彈簧仿真（zhēn）結果

       緩（huǎn）衝（chōng）彈簧在打（dǎ）磨過程（chéng）中彈性力和變形量的變化（huà）情況，如（rú）圖5所示（shì）。由圖5(a)可以看出最大彈性力為34N，彈性不斷的振蕩是由於在打磨過程中柔性終端執行器主（zhǔ）軸（zhóu）在不斷的改變角度，致（zhì）使磨頭與工件（jiàn）表麵摩擦發生改變的（de）結果。由圖5(b)可知，緩衝彈簧變形量幅值為1．8mm，並且長時間處（chù）於（yú）壓縮狀態，因此打磨過程的（de）接觸力主要有緩衝彈（dàn）簧提供，這在一定程度上減少機械臂所承受的負載，降低（dī）了打磨過程中的“過磨損”。
 

                                     圖5緩衝彈簧仿真結果

       4．2拋光運動特（tè）性分析參考（kǎo）文獻
 
       4．2．1打磨（mó）軌跡跟蹤（zōng）[1]劉廣保，趙吉賓，田風（fēng）傑．基於力控製的機器人研（yán）拋工藝（yì）研究[J]製造柔性打磨係統工（gōng）作過（guò）程中機器人末端軌跡和柔性末端軌跡（jì）技術與機床，2015(2)：119—123，130．的對比圖，如圖6所示。由於（yú）該虛（xū）擬樣機係統采（cǎi）用機器人末端的點驅動，柔性（xìng）末端執行器對軌（guǐ）跡的跟蹤情況之間影響到打磨效果，從圖中可以看出二者軌跡重合度較高，通過（guò）參數對比（bǐ），最（zuì）大位置誤差為1．15mm。

                                        圖6軌跡跟蹤
    

       4．2．2打（dǎ）磨力（lì）補（bǔ）償
 
       仿真計算時，機器人末端軌跡保持不變，通（tōng）過改變油石厚（hòu）度來模擬（nǐ）不（bú）同磨損情況下打磨力變化，獲得打磨力平均值和油石磨損量之間的關係，如表3所示。
 
                        表3油石磨損與（yǔ）打磨力變化關係
    
      

  
       由表3可（kě）知，隨著油石的（de）不斷}肖耗，打磨（mó）力在逐漸下降，當油石磨損到最大量32mm時，打磨力為13．6N，與沒有磨損時打磨力相差0．43N，打磨力（lì）滿足打（dǎ）磨要求。
 
       5、結（jié）論
 
       (1)通過對汽車模具打磨工況的（de）綜合分（fèn）析，設計了一種基於彈簧的柔|生拋光末端執行機構，該機構可實現打磨油石與T件之間的柔性接觸。
 
       (2)柔性打磨係統（tǒng）末端執行機構能夠實現對預（yù）定運動軌跡的跟蹤，最大位置誤差為1．15mm，在誤差允許範圍內（nèi）。
 
       (3)通過對油石不同磨損情況的（de）模擬，打磨力最大（dà）相差0．43N，彈簧（huáng）係統能對打磨力進行有（yǒu）效的補償，滿足（zú）汽車模具表麵打磨要求。這裏的研究結果對汽（qì）車模（mó）具（jù）自（zì）動化柔|生拋光係（xì）統（tǒng）設計（jì）具有重要的參考價值。