集成工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)打磨生產(chǎn)線的夾具設(shè)計(jì)*

唐林新，吳小禾

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 428436）

集成工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)打磨生產(chǎn)線的夾具設(shè)計(jì)*

唐林新，吳小禾

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 428436）

為克服打磨工作粉塵多、噪聲大的缺陷，將工業(yè)機(jī)器人集成到自動(dòng)打磨生產(chǎn)線中，用于被打磨工件的自動(dòng)上下料。為此設(shè)計(jì)了機(jī)器人夾具、打磨機(jī)夾具、工件料盤(pán)，從而實(shí)現(xiàn)了打磨工作的全自動(dòng)化，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

工業(yè)機(jī)器人；打磨；全自動(dòng)化

打磨是一種用于精密加工、提高零件表面光潔度的重要的機(jī)械加工方法，但是打磨過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵、噪聲、振動(dòng)等對(duì)操作者會(huì)產(chǎn)生不良影響；打磨工序耗時(shí)較長(zhǎng)，單調(diào)的操作容易導(dǎo)致操作工人因精神不集中而發(fā)生事故。另外，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沿海地區(qū)的用工成本越來(lái)越高，企業(yè)面臨巨大的設(shè)備轉(zhuǎn)型升級(jí)的壓力。工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控打磨機(jī)的集成系統(tǒng)可以很好地解決上述矛盾。

1 系統(tǒng)組成及工作過(guò)程

綜合國(guó)內(nèi)外情況可知，常見(jiàn)的將工業(yè)機(jī)器人與打磨工藝結(jié)合的方法是由關(guān)節(jié)型機(jī)器人（五軸或六軸）端部夾持打磨工具（或夾持工件）進(jìn)行打磨[1]。這種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)具有復(fù)雜曲面的工件表面進(jìn)行打磨加工，但是也存在以下明顯的缺點(diǎn)：

（1）由關(guān)節(jié)型機(jī)器人的構(gòu)造可知其剛性較小，定位精度不高[2]，利用關(guān)節(jié)型機(jī)器人直接進(jìn)行加工（無(wú)論機(jī)器人端部夾持工件或工具）會(huì)對(duì)零件的加工精度產(chǎn)生不利的影響；

（2）國(guó)外的全自動(dòng)打磨生產(chǎn)線功能齊全[3]，性能先進(jìn)，但一次性需投入400萬(wàn)以上的資金，對(duì)于國(guó)內(nèi)中小企業(yè)無(wú)力承擔(dān)；

（3）單件生產(chǎn)，通常打磨工時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)于提高效率不利；

（4）控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)打磨曲面對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的操作算法非常復(fù)雜。

基于以上原因，集成工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)打磨生產(chǎn)線由一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人與多臺(tái)數(shù)控打磨機(jī)組成，工業(yè)機(jī)器人負(fù)責(zé)數(shù)控打磨機(jī)工件的裝卸工作，數(shù)控打磨機(jī)負(fù)責(zé)工件的打磨。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)工件的打磨，提高了工作效率；專用的數(shù)控打磨機(jī)其結(jié)構(gòu)剛度、打磨精度和效果都好于前述方案。

系統(tǒng)工作情況如下：

（1）系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，數(shù)控打磨機(jī)未裝夾工件，此時(shí)通過(guò)通訊接口發(fā)信號(hào)至工業(yè)機(jī)器人，由機(jī)器人從料盤(pán)的待加工工件區(qū)取出工件并裝夾在數(shù)控打磨機(jī)的打磨夾具[4]上，裝夾完畢后通知數(shù)控打磨機(jī)可以開(kāi)始打磨；

（2）工件已經(jīng)打磨完畢后打磨機(jī)發(fā)信號(hào)至工業(yè)機(jī)器人，由工業(yè)機(jī)器人將工件從打磨機(jī)夾具上取下放至料盤(pán)已加工工件區(qū)；

（3）當(dāng)料盤(pán)的待加工工件區(qū)工件全部加工完畢后，發(fā)報(bào)警信號(hào)通知工人更換料盤(pán)或結(jié)束工作。

為實(shí)現(xiàn)上述工作過(guò)程，需分別設(shè)計(jì)機(jī)器人夾具、打磨機(jī)夾具、工件料盤(pán)，以實(shí)現(xiàn)打磨工作的全自動(dòng)化進(jìn)行。整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由工業(yè)機(jī)器人、三臺(tái)數(shù)控打磨機(jī)和工件料盤(pán)組成。

圖1 集成工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)打磨生產(chǎn)線

2 機(jī)器人夾具

機(jī)器人夾具用于將工件從工件料盤(pán)取出裝夾于打磨機(jī)夾具上或?qū)⒐ぜ拇蚰C(jī)夾具上取下放至工件料盤(pán)。其結(jié)構(gòu)形狀分別見(jiàn)圖2、圖3。在圖3的爆炸視圖中，從上至下依次為：末端執(zhí)行器－氣缸連接法蘭，用于連接末端執(zhí)行器和氣缸；氣缸，用于工件裝入打磨機(jī)夾具時(shí)將工件推出；4只沉頭螺栓，用于將氣缸和氣缸－彈性?shī)A法蘭連接至末端執(zhí)行器－氣缸連接法蘭；彈性?shī)A，用金屬?gòu)椥圆牧现瞥桑?dāng)彈性?shī)A三只彈性爪伸入工件內(nèi)孔后，依靠徑向變形產(chǎn)生的摩擦力固定工件；推板，與氣缸缸桿相連，利用氣動(dòng)力將工件從彈性爪上推出至打磨機(jī)夾具；最后是有內(nèi)孔的工件。

3 打磨機(jī)夾具

圖2 機(jī)器人夾具總裝圖

圖3 機(jī)器人夾具爆炸視圖

圖4 打磨機(jī)總裝圖

打磨機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，打磨機(jī)為雙碟打磨機(jī)，可分別實(shí)現(xiàn)粗磨和精磨。打磨機(jī)上裝有Z向和X向數(shù)控滑臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)Z軸方向和X軸方向的直線運(yùn)動(dòng)。X向數(shù)控滑臺(tái)裝有打磨機(jī)夾具組件，其可實(shí)現(xiàn)繞Y軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和氣動(dòng)三爪繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為保證防塵效果，兩只驅(qū)動(dòng)電機(jī)都位于打磨機(jī)夾具組件內(nèi)部。

打磨機(jī)夾具（見(jiàn)圖5）主要由氣動(dòng)三爪、旋轉(zhuǎn)接頭、兩只步進(jìn)電機(jī)、同步帶、齒輪對(duì)和夾具殼體組成。氣動(dòng)三爪用于與工件內(nèi)孔配合，利用氣動(dòng)力使三爪徑向移動(dòng)夾緊工件；旋轉(zhuǎn)接頭[5]用于連接氣動(dòng)三爪和同步帶，使氣動(dòng)三爪在旋轉(zhuǎn)時(shí)壓縮空氣依然能進(jìn)入氣動(dòng)三爪；同步帶用與連接步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)接頭，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)三爪旋轉(zhuǎn)；齒輪對(duì)與另一只步進(jìn)電機(jī)用于使整個(gè)打磨機(jī)夾具繞Y軸旋轉(zhuǎn)，配合Z向和X向的直線運(yùn)動(dòng)共同完成工件打磨。

圖5 打磨機(jī)夾具圖

4 工件料盤(pán)

圖6 工件料盤(pán)

工件料盤(pán)如圖6所示，其材質(zhì)為塑料，用于放置待加工與已加工工件。每個(gè)工件位的尺寸形狀與工件的尺寸形狀相配合，確保工件在工件盤(pán)上的準(zhǔn)確定位，如此才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人夾具準(zhǔn)確的進(jìn)行工件的取出與放入。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了機(jī)器人夾具、打磨機(jī)夾具及工件料盤(pán)，用于實(shí)現(xiàn)工件打磨的全自動(dòng)化。集成工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)打磨生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)并取得了良好的銷售業(yè)績(jī)，證明了本方案的合理與可行。

［1］姚立權(quán).打磨機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［D］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2007.

［2］李占賢，陳杰，楊志杰，等.關(guān)節(jié)型機(jī)器人示教機(jī)構(gòu)平衡設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.機(jī)械工程師，2010（9）：30-32.

［3］譚福生，葛景國(guó).力控制技術(shù)在機(jī)器人打磨中的應(yīng)用及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］.上海電氣技術(shù)，2008（12）：35-40.

［4］朱耀祥.現(xiàn)代夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［5］SMC（中國(guó)）有限公司.現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

The Fixture Design of Automatic Grinding Line for Integrated Industrial Robot

TANG Lin-xin，WU Xiao-he
（Zhongshan Torch Polytechnic，Zhongshan528436，China）

In order to overcome dust and noise in the grinding process，the industrial robot was integrated to the automatic grinding line，it can realize automatic load and unload of workpiece.The robot fixture，grinding machine fixture，work piece tray were designed for the full automatic grinding work and the design purpose was achieved completely.

industrial robot；grinding work；full automation

TP242.2

B

1009－9492(2014)07－0012－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.004

唐林新，男，1970年生，湖南洞口人，博士，工程師。研究領(lǐng)域：機(jī)電一體化，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。

(編輯：阮 毅)

*中山市科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：20123A401）

2014－05－15