機(jī)器人自動(dòng)打磨系統(tǒng)在機(jī)車(chē)大型構(gòu)件的應(yīng)用

尹保亮　任科生

摘 要：針對(duì)大型鋼構(gòu)件焊縫自動(dòng)打磨這個(gè)車(chē)體制造工藝的薄弱環(huán)節(jié)，本文分析了司機(jī)室焊縫自動(dòng)打磨工藝需求，探討了離線編程、激光測(cè)量及力控裝置等組成自動(dòng)打磨系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并以機(jī)車(chē)車(chē)體司機(jī)室為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了外表焊縫自動(dòng)化打磨和高質(zhì)量光滑表面，為大型構(gòu)件焊縫打磨自動(dòng)化的發(fā)展提供實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；自動(dòng)打磨系統(tǒng)；機(jī)車(chē)大型構(gòu)件

引言

目前，我國(guó)機(jī)車(chē)車(chē)體焊接技術(shù)日趨成熟，已逐步實(shí)施自動(dòng)化生產(chǎn)，而焊縫打磨主要以原始的手工打磨為主，但其已無(wú)法滿足制造生產(chǎn)效率和加工精度的提升要求。隨著機(jī)器人與信息技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)適用車(chē)體的自動(dòng)打磨系統(tǒng)代替人工，是時(shí)代發(fā)展潮流。本文以機(jī)車(chē)車(chē)體司機(jī)室大型結(jié)構(gòu)件焊縫自動(dòng)打磨為研究對(duì)象，通過(guò)研究機(jī)器人自動(dòng)打磨等相關(guān)核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)司機(jī)室外表焊縫自動(dòng)打磨和高質(zhì)量光滑表面。

1 司機(jī)室焊縫自動(dòng)打磨工藝需求

司機(jī)室是機(jī)車(chē)車(chē)體重要部件，外形尺寸為3085*3098*2590（mm），外表為三維復(fù)雜曲面，重量約2噸，是大型鋼結(jié)構(gòu)件。長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)焊縫因振動(dòng)易產(chǎn)生疲勞裂紋，去除焊縫余高使焊縫表面平整光滑，既能消除應(yīng)力集中的影響，防止在棱角處產(chǎn)生裂紋，也能為涂裝和裝配等后道工序提供更好的表面質(zhì)量和外觀質(zhì)量。

司機(jī)室尺寸大、打磨部位多，傳統(tǒng)的磨拋數(shù)控機(jī)床受到嚴(yán)重的范圍限制，無(wú)法直接應(yīng)用于焊縫打磨，目前主要采用人工打磨方式，但存在噪音、火花與粉塵、安全防護(hù)困難、成本高、效率低、加工質(zhì)量不可控等問(wèn)題，因此需要一套高生產(chǎn)率、高質(zhì)量和高穩(wěn)定性的焊縫自動(dòng)打磨系統(tǒng)。

2 自動(dòng)打磨系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)思路

（1）由于機(jī)車(chē)司機(jī)室為不便夾持、移動(dòng)，因此本研究選用工具型自動(dòng)打磨系統(tǒng)，即工件不動(dòng)，打磨系統(tǒng)移動(dòng)的模式。

（2）考慮工程化應(yīng)用的效率與效益，應(yīng)減少編程時(shí)間，應(yīng)避免空打磨和打磨量太少浪費(fèi)時(shí)間，避免打磨量太大對(duì)設(shè)備造成損失等問(wèn)題。

（3）基于以上所述，自動(dòng)化自動(dòng)打磨系統(tǒng)（如圖1、2）主要由機(jī)器人本體、打磨工具系統(tǒng)、力控制器、工裝夾具以及總控制柜等裝置組成，總控制柜的總系統(tǒng)分別調(diào)控機(jī)器人和各個(gè)子控制系統(tǒng)，機(jī)器人分別從刀庫(kù)調(diào)用各種打磨工具，在激光測(cè)量系統(tǒng)和力控系統(tǒng)的配合下，根據(jù)離線編程完成工件各個(gè)部位的不同打磨工序，該系統(tǒng)既能應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜形狀的焊縫，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)均勻打磨，提高被加工表面質(zhì)量一致性。

該系統(tǒng)主要配置如下所述：

（1）機(jī)器人KUKA210-2700：工作軌跡范圍保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡完全覆蓋產(chǎn)品打磨的表面；

（2）工裝臺(tái)及夾具：實(shí)現(xiàn)工件定位；

（3）軌道：用于承載機(jī)器人等設(shè)備長(zhǎng)度方向移動(dòng)；

（4）激光測(cè)量系統(tǒng)：檢測(cè)焊縫，為加工軌跡提供數(shù)據(jù)；

（5）打磨裝置：電主軸（動(dòng)力單元）、打磨工具；

（6）實(shí)時(shí)力控系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)打磨力自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證打磨力穩(wěn)定輸出。

3機(jī)車(chē)司機(jī)室焊縫打磨試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

運(yùn)用上文所述焊縫打磨系統(tǒng)方案實(shí)際打磨某型機(jī)車(chē)司機(jī)室外表焊縫，以檢驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)打磨。

3.2試驗(yàn)過(guò)程

司機(jī)室外部焊縫打磨流程是工件工具裝夾-工件工具定位-打磨路徑編程-自動(dòng)打磨-檢測(cè)-工件卸載，其中加工路徑編程及自動(dòng)打磨是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.2.1焊縫打磨路徑離線編程

由于機(jī)車(chē)司機(jī)室焊縫較多，并且很多是圓弧和曲線，如果采用示教再現(xiàn)的方法，工作量大、效率低，工程運(yùn)用不現(xiàn)實(shí)，因此選用離線編程。首先，將工件的3D數(shù)據(jù)模型載入編程軟件；然后，通過(guò)工裝夾具進(jìn)行工件定位，使機(jī)器人明確工件及工具的坐標(biāo)系位置；最后，通過(guò)編程軟件自動(dòng)生成打磨運(yùn)動(dòng)路徑。

3.2.2機(jī)器人自動(dòng)打磨

3.2.2.1焊縫實(shí)時(shí)識(shí)別

利用激光測(cè)量系統(tǒng)對(duì)焊縫部位進(jìn)行掃描檢測(cè)，實(shí)時(shí)“觀察測(cè)量監(jiān)控”焊縫的幾何形狀、尺寸、位置、加工余量，并實(shí)時(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算，獲得焊縫的相對(duì)外形尺寸誤差，對(duì)路徑進(jìn)行糾偏和修正，邊打磨邊自動(dòng)補(bǔ)償各種誤差，確保焊縫打磨平整效果。

3.2.2.2焊縫打磨力控制

與在焊接及噴涂等作業(yè)時(shí)只需控制機(jī)器人的軌跡和姿態(tài)不同，在打磨過(guò)程中，機(jī)器人會(huì)與工件緊密接觸，因此打磨時(shí)機(jī)器人控制模式應(yīng)及時(shí)從位置軌跡控制轉(zhuǎn)換為力控制狀態(tài)。此時(shí)打磨工具和工件接觸面法向力是否保持恒定決定了打磨的精度和均一性，因此要求機(jī)器人應(yīng)具有接觸力的感知和控制能力，消除機(jī)器人因運(yùn)動(dòng)、受力和剛度問(wèn)題產(chǎn)生的抖動(dòng)現(xiàn)象。

本試驗(yàn)采用力矩進(jìn)給控制方式，與待加工表面保持平穩(wěn)的力接觸。從而對(duì)焊縫余高進(jìn)行去除。在打磨過(guò)程中，控制接觸力使其大小控制在設(shè)定值。通過(guò)力控裝置，與系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，對(duì)打磨作業(yè)過(guò)程中的打磨力機(jī)型自動(dòng)調(diào)節(jié)，使打磨力的穩(wěn)定輸出，保證打磨平穩(wěn)性與表面質(zhì)量（如圖3）。

3.3試驗(yàn)結(jié)果

（1）焊縫變形、錯(cuò)位、焊縫超寬、焊縫超高等焊接缺陷均能夠較好的處理（如圖4），但咬邊、內(nèi)陷等缺陷不能處理。

（2）焊縫余高基本去除，尺寸偏差小于0.2mm；表面平整光滑，粗糙度小于Ra25。

（3）焊縫打磨完成率99%，效率約為人工打磨2倍。

4結(jié)論

機(jī)器人自動(dòng)打磨系統(tǒng)通過(guò)離線編程、激光測(cè)量、力控系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)集成，把人力從繁瑣的機(jī)器人示教及繁重的人工打磨作業(yè)中解脫出來(lái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)高效穩(wěn)定生產(chǎn)，達(dá)到司機(jī)室大型構(gòu)件復(fù)雜表面焊縫去余高的加工要求，滿足軌道交通等高附加值產(chǎn)業(yè)對(duì)外觀形象的高要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡建勇.新型機(jī)器人自動(dòng)打磨工藝探析.鑄造裝備，2012（12）.

[2]王云生，王軍.汽車(chē)制造業(yè)中自動(dòng)拋光系統(tǒng)的研究[J].客車(chē)技術(shù)，2016（03）：12-16.

[3]徐蛟.基于機(jī)器人自動(dòng)打磨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2017，16（04）：89-90.