李占贤，霍炳杰，黄宝旺

（1.河北省工业机器人产业技术研究院，河北 唐山 063210；2.华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210）

0 引言

卫生陶瓷产品是日常生活中不可或缺的物件，陶瓷坯体外表面的优劣直接制约着卫生陶瓷成品的质量，所以要对修坯工序进行严格把控。在卫生陶瓷毛坯工件修坯打磨的过程中会产生大量扬尘，若要人工操作不但危害操作人员身体健康［1］而且效率低，因此现在诸多卫浴生产厂家均在修坯工序中使用在机器人末端［2］安装打磨头的打磨机器人［3－4］来去除陶坯毛刺及余量。这种修坯方式不仅容易使陶坯表面产生“环状”划痕，而且多数打磨机器人使用力传感器采集压力值再反馈于控制系统［5］，只能实现模糊控制［6－7］，并不能时刻保证恒力打磨［8］，这样将会增大加工误差［9］，严重影响卫浴产品质量。

本文设计了一种针对座便器的卫生陶瓷修坯机械手，采用电位器经采集卡采集电压，间接表示手指旋转角度，将角度反馈于控制系统进而准确调整机器人末端实现恒力打磨，降低加工误差。

1 卫生陶瓷修坯机械手结构设计

1.1 机械手工作原理

修坯机械手在进行修坯工作时，会与座便器不同曲率的表面接触。因此在建立手指结构示意图的基础上，结合实际工作环境分别论述修坯机械手的工作原理。

1.1.1 陶瓷坯体单一曲率曲面

卫生陶瓷修坯机械手接触陶瓷坯体单一曲率规则曲面时，左、右手指对称分布于支架中线两侧，其中支架与机器人末端法兰盘固定连接，如图1所示。修坯机械手随机器人机械臂的工作路径靠近座便器坯体表面，当手指的指尖与坯体表面接触处于临界位置时，如图1（a）所示修坯机械手在机械臂的压力下开始下压，左手指开始逆时针旋转，右手指开始顺时针旋转，即左手指和右手指之间的夹角逐渐增大，直至转轴带动电位器旋转到角度预定值，机械臂停止下压并开始执行打磨任务，如图1（b）所示。

图1 机械手接触陶瓷坯体单一曲率曲面

1.1.2 陶瓷坯体多种曲率曲面

卫生陶瓷修坯机械手接触陶瓷坯体多曲率曲面时，左、右手指不规则分布于支架中线两侧，如图2（a）所示。为实现修坯机械手对坯体表面的充分打磨，在机器人系统接收到左、右角度电位器阻值不同时，机械手腕部即法兰盘处以与曲面切线成较小角度（即阻值较小）的手指为基准，机器人系统调节阻值较大的手指，待左、右手指与曲面切线所成角度初次相等（即左、右阻值相等，如图2（b）所示），机械臂开始下压或上抬直至角度达到预定值，整个系统不再调节，修坯机械手开始修坯运动。

1.2 机械手构型设计

修坯机械手左、右两根手指的结构完全一致，下面以一根手指为对象进行说明。单根手指位置结构包括支架、手指、扭转弹簧和角度电位器4部分。手指与支架通过旋转轴连接，轴两端装配轴承用来定位旋转轴，同时降低旋转时的摩擦力。扭转弹簧一端固定在手指上，一端搭放在支架上，手指受到来自机械臂腕部的力，使得手指柔性旋转同时增加表面作用力。为使各组件实现精确安装，现对三维模型修坯机械手中关键部分尺寸进行规定（如表1所示），并使用SolidWorks绘制修坯机械手三维模型，如图3所示。

图2 机械手接触陶瓷坯体多种曲率曲面

表1 修坯机械手三维模型关键尺寸 mm

2 修坯机械手可行性分析

修坯机械手去除座便器表面毛刺的过程较为复杂，所以需要建立模型模拟修坯机械手与座便器接触时的状态，有利于优化结构参数，使得座便器毛刺被均匀去除，座便器表面质量达到最优，误差值最小。

手指与坐便器接触示意图如图4所示。手指与座便器表面接触时受到手指结构形状、旋转角度和打磨材料性质等因素影响，复杂性较高。砂布的弹性模量要比陶瓷坯体的弹性模量小很多，在机器人进行修坯工作时，打磨砂布容易产生较大变形，所以使用有限元分析法对砂布与座便器坯体表面进行接触分析。

图3 修坯机械手三维模型

图4 手指与座便器接触示意图

机械手与座便器接触初始状态模型如图5所示。对修坯机械手和座便器部分曲面进行网格划分，结果如图6所示。初步设定机器人执行修坯动作时机械臂对修坯机械手施加的力为30N，此时得到的修坯机械手变形云图和应力云图如图7所示。由图7可知，修坯机械手在受到下压力与曲面接触时仅发生微小变化，因此选择铝合金作为生产修坯机械手的材料非常合理，机械手与座便器合理接触，正常修坯工作时二者不易受到破损。以上分析验证了本次卫生陶瓷修坯机械手设计的可行性，在规定的作用力下，修坯机械手不仅可以达到理想的修坯效果，而且工作时不易发生形变。

3 手指旋转角度采集与处理

角度采集模块由电位器、NI公司生产的USB-6251和软件LabView组成，LabView具有图形化编程语言和程序框图，便于编辑数据采集［10－12］。在DAQ采集助手中各通道均设定最大输入模拟电压2.5V，采用RSE接线端配置，组装的采集设备如图8所示。运行程序后，角度反馈于计算机，进而调整机器人腕部位姿便于修坯。电位器最大旋转角度为360°，电位器输入电压与输出电压的关系为：

其中：u（t）为输出电压，V；UP为电位器输入电压，V；φ为电位器某时刻旋转角度，（°）；θmax为电位器能够旋转的最大角度，（°）；θ（t）为换算后电位器输出角度，（°）；KP为电位器输入、输出电压确定系数。

图5 机械手与座便器接触初始状态模型

图6 网格划分结果

图7 修坯机械手与座便器接触分析结果

图8 机械手角度采集装置

4 结语

设计了一种适用于座便器坯体表面复杂的修坯机械手，分析了修坯机械手修坯时的工作原理和受力情况，验证了机械手执行修坯操作的可行性。

通过使用LabView选择合理的数据采集控件，并编辑角度采集程序，整理并运行后得到手指旋转角度。修坯机械手的角度采集系统操作简单、设备成本低、数据显示直观，可为机器人实现精确、恒力修坯提供准确数据。

图9 手指旋转角度采集程序框图

图10 手指旋转角度采集界面