機器人智能修磨的應用研究

張凱 李強 高菲

摘要：雖然目前在科學技術迅猛發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)自動化技術普遍推廣的雙重助力下，機器人修磨鑄鋼件的應用研究取得了一定進步，但是對于某些特殊行業(yè)和用途的零部件，由于它們自身的高尺寸精度要求和低表面粗糙度的設計，決定了機器人修磨鑄鋼件需要進行更深入的研究以滿足目前工程加工中的需求。本文對機器人修磨鑄鋼件的應用進行分析研究，從機器人點焊電極修磨，機器人修磨在民機維修業(yè)的應用，機器人修磨在焊縫中的應用三個方面入手，對現(xiàn)有的機器人修磨鑄鋼件技術進行深入探討，為后續(xù)相關研究打下基礎，具有重要的現(xiàn)實意義和理論研究價值。

關鍵詞：機器人;修磨;鑄鋼件;應用

0? 引言

高速發(fā)展的生產(chǎn)力的催化下，各種精密設備和工具在國民經(jīng)濟的各個行業(yè)中生產(chǎn)或使用的頻率愈發(fā)頻繁，而這些精密設備和工具的生產(chǎn)制造和加工都離不開修磨技術，特別是在航空航天航海等領域中，對零器件的精度、密封性等要求越來越高。但是傳統(tǒng)的手工打磨對工人師傅的技術要求極高，生產(chǎn)效率慢，容易因為人工的疏忽和懈怠導致較大的制造誤差，造成產(chǎn)品質量的參差不齊，并且工作量大，工作環(huán)境差，過大的人工成本投入給企業(yè)帶來經(jīng)濟負擔，因此研究機器人修磨技術可以很好的解決和彌補傳統(tǒng)的手工打磨中存在的問題和缺陷。機器人修磨技術擁有保證保證零件的高尺寸精度和低表面粗糙度，實現(xiàn)批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，但是機器人修磨在制造加工復雜曲面的零件時，必須要做到對磨削量的精確控制，而且由于在機器人修磨中砂帶和接觸輪屬于彈性接觸，這就導致了串聯(lián)工業(yè)機器人的加工為非剛性加工，對于磨削量的精確控制受到多種因素的影響很難實現(xiàn)。因此有必要針對機器人修磨技術開展深入研究，解決現(xiàn)有的一系列技術問題。本文從機器人點焊電極修磨，機器人修磨在民機維修業(yè)的應用，機器人修磨在焊縫中的應用三個方面入手，分別對現(xiàn)有的機器人修磨鑄鋼件技術進行深入探討，為后續(xù)相關研究打下基礎。

1? 機器人點焊電極修磨

機器人點焊電極修磨技術是指當機器人點焊滿足預先設定的焊點數(shù)量之后，機器人通過自動調用修磨程序進行機器人點焊電極修磨工作的技術。首先機器人退出點焊工作，通過把焊鉗電極移動到修磨機的修磨刀頭兩側來實現(xiàn)，隨后機器人夾緊上電極和下電極，使兩個電極和修磨機的雙面刀片做到同時接觸進行修磨工作。機器人點焊電極修磨技術主要應用于汽車制造業(yè)焊裝領域中，通過從機器人點焊電極修磨技術的相關要點，常見問題和解決方案三方面入手深入探討機器人修磨鑄鋼件的應用。

1.1 機器人點焊電極修磨要點

因為在機器人點焊電極修磨工作中主要是利用機器人自動調用修磨程序，調用修磨機工作的，當修磨機的刀頭開始旋轉時，對切削進行時間設置，電極端面上的壓堆變形和表面氧化層都被修掉得到修磨后的新表面。因此在機器人點焊電極修磨工作中電極修磨的質量的高低取決于機器人修磨程序指令的好壞。

所以機器人點焊電極修磨要點中首先要確保電極的位置和角度。應該把固定電極移動到修磨機刀頭處。電極端頭中心在盡可能和刀頭中心對準的同時，也要保證電極端頭中心和刀頭的刀片不能直接接觸，應該保留5-10mm的距離。接下來調整焊鉗，電極的軸線應該盡可能和修磨機刀頭保持垂直。然后對焊鉗可動電極軸進行驅動，在可動電極通過適當移動接近刀頭的同時，讓可動電極的端頭中心和刀頭中心調整至對準。只有上下電極和修磨機刀頭對正和垂直的情況下才能保證電極修磨質量滿足制造加工要求。

機器人點焊電極修磨要點中其次要確保上下電極夾緊時對修磨機刀頭的加壓力要適當，不然加壓力過小會導致機器人點焊電極修磨的修磨效果不好，更為嚴重時還會導致電極在刀頭上振動;加壓力過大會導致機器人點焊電極修磨的修磨機旋轉阻力增加，造成旋轉緩慢甚至停轉的現(xiàn)象，與此同時加壓力過大也會對刀片造成損傷。機器人點焊電極修磨要點中最后要確保修磨時間合適。機器人點焊電極修磨中一般都是控制修磨時間而不是直接控制修磨機的轉數(shù)。修磨機的轉數(shù)可以間接通過修磨機設備參數(shù)進行大致?lián)Q計算得到。

1.2 機器人點焊電極修磨常見問題

機器人點焊電極修磨常見問題包括有電極端面未修磨、電極端面修偏、修磨機刀片損壞和塞屑等四種。其中電極端面未修磨是指在機器人點焊電極修磨后在圓錐表面修磨出新表面，或者端面修磨不符合要求甚至于根本沒有修磨到的情況。電極端面修偏通常情況下是由于電極中心和修磨機刀頭中心的對正出現(xiàn)了問題。修磨機刀片損壞這一問題通常發(fā)生于多刃刀頭的刀片中，對于單刃刀頭的刀片不常見。塞屑是指修磨機的刀頭在經(jīng)過多次修磨加工后，有時候會發(fā)生被切削掉的電極銅屑掉落到刀頭的排屑孔中并堵塞的情況，塞屑問題會進一步引發(fā)電極端頭和修磨刀片的接觸不良問題，影響到電極修磨質量。

1.3 機器人點焊電極修磨解決方案

針對上述四種在機器人點焊電極修磨中常出現(xiàn)的問題分別提出對應的解決方案如下：第一，電極端面未修磨問題通過對電極端面在焊接中的壓堆進行調整實驗和及時處理便可以得到改善和緩解;對修磨時上下電極加壓力不足進行調整實驗和及時處理也可以改善和緩解電極端面未修磨問題。第二，電極端面修偏問題通過示教調整機器人修磨時的姿態(tài)，對電和刀頭不對中，不垂直問題進行修正后便可以解決這一修偏問題。第三，修磨機刀片損壞問題通常是采取保證電極的位置和角度，預先轉動修磨機，加壓力時不過大也不過小等措施進行解決的。第四，塞屑問題可以在已經(jīng)明確修磨時間后，把總修磨時間分為兩次進行修磨來改善，這樣可以保證切削掉的切屑不會太長太多，可以兩次修磨之間刀頭的空轉過程中把切屑甩出。

2? 機器人修磨在民機維修業(yè)的應用

通過從航空領域內的機器人修磨應用入手，對機器人修磨鑄鋼件的應用進行深入探討。在航空領域內，飛機的渦輪發(fā)動機葉片工作環(huán)境惡劣，長期處于高溫、高壓和高速轉動的工作環(huán)境中，導致飛機的渦輪發(fā)動機葉片極易出現(xiàn)損傷。通過借助于先進的修理技術進行渦輪發(fā)動機葉片的缺陷和損傷修復，可以延長葉片的使用壽命和增強葉片的可靠性，進一步減少葉片更換的頻率，對于航空公司而言這是一筆可觀的經(jīng)濟收益。目前在國內，航空公司進行葉片維修時采取的方法通常都是人工手動打磨修復，但是人工手動打磨修復的修復精度差并且工作效率十分低。因此通過研發(fā)自動打磨修復機器人并應用到民機維修業(yè)中，通過機器人的自適應打磨加工方法有助于解決上述問題。

現(xiàn)有的自動化修磨設備主要分為機床打磨和機器人打磨兩種。其中機床打磨雖然效率高，但是其通用性不強，并且價格昂貴。而機器人打磨不僅有著高程度的自動化，強的可控性，并且易于拓展，通用性強，在制造加工成本上更為便宜，相比較之下，自動化修磨設備中機器人修磨的可行性更高。在民機維修業(yè)中機器人修磨設備包括有以下幾個組成部分，分別是：機器人、傳感器固定座、力傳感器、固定底座、電動打磨機和位移傳感器。

在進行民機維修業(yè)中使用機器人修磨設備來打磨飛機零部件時，為了滿足飛機零部件打磨的質量要求需要明確以下幾點。首先由于機器人的機械系統(tǒng)具有強耦合性、高非線性等特點，所以機器人的機械系統(tǒng)和外界環(huán)境之間的接觸問題處理起來十分復雜，要考慮到這種和外界環(huán)境之間的接觸會導致機器人的自由度減少，與此同時這種和外界環(huán)境之間的接觸還會給機器人帶來反作用力，甚至當這種反作用力過大時，機器人和被加工的零部件都會發(fā)生損壞。基于上述原因，民機維修業(yè)中使用的機器人修磨設備必須對接觸環(huán)境具有順從能力，而這種對接觸環(huán)境具有順從能力被稱為機器人的柔順控制技術。機器人的良好的柔順控制技術有助于機器人實現(xiàn)在特定接觸環(huán)境下對力高度的控制準確性。

為了解決機器人的柔順控制技術這一難題，目前學術界的解決方案分為被動柔順控制和主動柔順控制兩種。其中被動柔順控制借助于一些可以實現(xiàn)吸收或儲存能量的機械器件，如彈簧、阻尼等，來實現(xiàn)機器人在工作環(huán)境中的能量存儲和釋放。但是被動柔順控制存在無法根除機器人的高剛度與高柔順性之間的矛盾，適用能力差，自身不具有控制能力，無法讓機器本身產(chǎn)生對力的反應動作等諸多問題。其中機器人主動柔順控制是一種通過力控制技術實現(xiàn)零件打磨的機器人，它可以對一系列數(shù)據(jù)進行捕獲和分析，然后進行對飛機零部件的拋光和打磨工作，并且主動柔順控制技術下的機器人修磨質量符合加工要求。

3? 機器人修磨在焊縫中的應用

通過從焊接行業(yè)內的機器人焊縫修磨應用入手，對機器人修磨鑄鋼件的應用進行深入探討。焊縫自動修磨系統(tǒng)的組成包括有機器人系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、焊縫自動修磨系統(tǒng)三大部分，其中的執(zhí)行機構為機器人系統(tǒng)，并且機器人系統(tǒng)在激光掃描系統(tǒng)的配合下完成內、外焊縫軌跡的掃描工作，接下來焊縫自動修磨系統(tǒng)會對掃描出的焊縫軌跡進行修磨，修磨工作完成后，激光掃描系統(tǒng)掃描并且上傳剩余焊縫的高度和寬度數(shù)據(jù)。焊接行業(yè)內的機器人焊縫修磨技術在具體的實際操作過程中分為兩大步驟，分別是尋找焊縫和自動修磨。

其中的尋找焊縫具體流程為：運管小車把鋼管運送到修磨崗位，然后機器人接收到鋼管到位信號后，開始沿設定好的路徑進行運動，通過傳感器感應判斷是否到管端，如果到管端后機器人停止運動，掃描儀進行焊縫的掃描檢測檢測。其中的自動修磨具體流程為：在上一步驟找到焊縫之后，掃描儀通過程序預先設置好的路徑進行掃描，并對掃描到的數(shù)據(jù)進行記錄。在掃描儀完成掃描記錄工作之后，機器人進行旋轉切換磨頭，開始修磨焊縫的工作，在機器人焊縫修磨中機器人會按照掃描儀掃描出的數(shù)據(jù)進行自動修磨。最后會使用掃描儀進行再次掃描焊縫，這一步驟的目的是對焊縫數(shù)據(jù)進行記錄來判斷修磨后的焊縫數(shù)據(jù)是否滿足工藝要求。

焊接行業(yè)內的機器人焊縫自動修磨系統(tǒng)的應用，不僅對裝備自動化水平、裝備智能化水平進行了大幅度的提升，與此同時也極大的降低了操作人員的勞動強度，提升了修磨的自動化水平，減少了人為因素的干預，得到了更加準確的底層數(shù)據(jù)。

4? 結語

隨著各種精密設備和工具在國民經(jīng)濟的各個行業(yè)中生產(chǎn)或使用的頻率愈發(fā)頻繁，在這些精密設備和工具的生產(chǎn)制造和加工中使用最為廣泛且頻繁的修磨技術得到了眾多研究者的重視。但是傳統(tǒng)的修磨技術因為生產(chǎn)效率慢，容易因為人工的疏忽和懈怠導致較大的制造誤差，造成產(chǎn)品質量的參差不齊，并且工作量大，工作環(huán)境差，過大的人工成本投入給企業(yè)帶來經(jīng)濟負擔等缺點無法滿足日益增長的生產(chǎn)要求，所以進行機器人修磨鑄鋼件相關研究具有重要的現(xiàn)實意義和理論研究價值。機器人修磨技術有助于提升裝備自動化水平和裝備智能化水平，減少人為因素的干預，解決現(xiàn)有技術中存在的問題。

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