机器人打磨干货分享 | 机器人打磨中的压力控制

浮动恒力打磨工具

恒力浮动打磨工具有两个重要特点，分别是恒力和浮动。首先，我们解释一下两个问题：

1、什么是恒力？机器人打磨为什么需要恒力？

首先我们来讨论一下恒力。恒力一直指的是恒定的打磨压力。打磨过程中，有几个重要的参数，分别是磨具的形状、硬度，旋转的速度，磨具压在工件上的压力，磨具相对工件移动的速度等。当打磨工作，由机器人（机械臂）代替人工时，首先要考虑的是机械臂怎么来控制打磨工具和工件之间的打磨压力。只有控制好打磨压力，才能保证工艺稳定，保证切削量、粗糙度等质量参数在控制范围之内。机器人是六轴联动位置执行机构，无法精确控制打磨时候的压力，因此需要辅助机构，来提供恒压力。

磨具受力分析

图一解释了打磨力方向。打磨力一般都是法向力，不管机器人空间位置怎么移动，磨具和工件的接触都是垂直接触的。打磨用磨具一般都是圆形的，装在一个电动或气动的旋转轴上。如果是利用圆形磨具的端面打磨，那旋转轴是轴向受力；如果利用圆形磨具的圆周面打磨，那旋转轴是径向受力。

2、什么是浮动？机器人打磨为什么需要浮动？

接下来我们再来讨论一下浮动。上文提到机器人是六轴联动位置执行机构，六个轴是串联的。这样的串联机构的位置精度，比常见的CNC机床机构要低一些。一般用重复定位精度和绝对位置精度来衡量，机器人的一般的重复定位精度为0.02mm, 绝对定位精度为0.5mm。机器人的打磨特点请参考图2。

机器人的精度及其打磨特点对比

除此之外工件整体尺寸误差，铸造件的尺寸误差比机加工后的零件要大。被去除的材料，比如机加工后的毛刺，毛边，铸造后的合模线、飞边，都大小不一致。还有，机器人工作站的工件装夹工具也会有尺寸误差。这些误差累加起来，都会影响磨具和被打磨工件的接触。要么过切，要么接触不上。浮动就是解决这个问题，让磨具始终和被打磨工件保持接触。

浮动的作用

综合以上对恒力和浮动的分析，我们可以看到，要想让机器人代替人工去做一些打磨应用，就需要在机器人和打磨工具之间，有一个恒力浮动机构。这个恒力浮动机构，可以弥补综合位置误差，保证打磨工具和被打磨工件保持接触，并保证接触力是按照打磨工艺要求的压力，从而保证打磨工艺稳定。

ATI机器人浮动毛刺清理工具

ATI根据机器人的打磨特点，开发了恒力浮动机构和打磨主轴一体的机器人专用打磨工具。所提供的恒力浮动工具有两大类：径向浮动打磨工具和轴向浮动打磨工具。动力主轴是采用气动马达。

1、径向浮动打磨工具

径向浮动工具上配合的磨具或刀头，主要是径向受力，利用圆周面打磨或切削。根据功率和转速的不同，有图3所示系列。

径向浮动工具系列

径向浮动工具原理

2、轴向浮动打磨工具

轴向浮动工具上配合的磨具或刀头，主要是轴向受力，利用圆端面打磨或切削。根据功率和转速的不同，有以下系列产品。

轴向浮动打磨工具系列

轴向浮动工具的原理

另外轴向浮动机构，还有闭环的伺服控制。可以实时传出数据，更精确，但成本要高一些。大部分的去毛刺应用，开环的浮动机构就够用了。

3、六维力传感器

ATI还提供一种六维力和力矩传感器，这种传感器装在机器人末端和打磨工具之间，实时提供接触力的数据给机器人控制器，然后通过闭环控制的方法，控制机器人末端抬高或者压低，抬高即减小压力，压低是增加压力，从而实现恒力接触。以下图为力矩传感器应用原理。

F/T 力/力矩传感器：

输出六个数值Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz 给机器人控制器。

机器人控制器计算后，通过移动机器人，从而改变机器人工具和工件的接触力。

力是位置的函数。

恒力和浮动其实是相生相伴的两个概念，恒力接触就是通过浮动来实现的。上面讲到的恒力浮动打磨工具，是通过独立的浮动机构来实现浮动的。而装了力传感器的机器人的浮动是通过机械臂自身的移动来实现的。需要说明的是，要想力传感器很好用于打磨，除了硬件以外，需要装相关的软件包到机器人的控制系统里。

综合以上所述，如果用把机器人用于打磨，可以使用ATI独立的恒力浮动打磨工具，也可以使用ATI六维力传感器，使得机器人能感知到力的大小，通过闭环反馈的方式，让机器人机构实现恒力浮动打磨。图11是一个简单对比图。

方案对比

两种方式各有利弊，有不同的应用场景。独立的恒力浮动打磨工具，恒力、浮动、旋转主轴集成在一起，再与机器人集成的时候，操作简单，经济适用，适合去毛刺等轻负载应用。力传感器，需要后台的软件包支持，适合特殊的应用场合。