鑄件自動打磨工藝中的機器人的應用

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0 引言

現代工藝當中對于一些金屬鑄件表面光潔度要求不斷提升,而小型的金屬鑄件,例如水龍頭等產品又是人們日常生活中不可或缺的部分,其表面質量會直接關系到最終的成品性能。對于廣大生產企業和技術人員來說,如何提升打磨工藝水平改進表面粗糙度就成為了至關重要的問題。

1 鑄件自動打磨機器人系統原理

自動化的打磨系統配置包括機器人、夾具、輸送系統、除塵系統和排屑系統。

1.1 機器人工作原理 傳統的機器打磨加工設備包括普通磨床、專用磨床、數控磨床等不同類型,但工件本身在剛度、柔性方面存在差異,且不同技術方案下的通用程度、工作空間和成本等也會有所不同。但缺陷都在于人工工藝流程導致的效率低下問題十分顯著。

機器人系統主要包括機器人整體、柔性電主軸、刀具、激光檢測系統等構成,其中機器人為自動化系統當中的主要主體性設備,位于打磨工裝的兩側,通過機器人機械臂抓取過程對工件進行打磨,打磨完畢之后也可以進行統計。在這一過程當中機器人的動作始終貫穿于不同的生產步驟環節,不同的軸都會使用伺服電機驅動,動作的精準程度明顯比人力工作更加突出,且重復定位的精度較高,反應靈敏度高。該機器人在設計時的重點和難點在于如何在固定工件時進行優化,因為工件的每一個面都要進行打磨,為了保障工作效率,原則上我們如果能夠直接在一次裝夾后就完成打磨過程,就可以大幅提升工作效率。對此,可以考慮設計一種特殊的液壓工裝方法,在機械臂上配置相應的視覺掃描與監測系統。相比于人工裝夾過程,一方面可以減少定位誤差引起的打磨質量缺陷,另一方面減少拆卸式的工作消耗。機器人系統在自動更換夾具時也不需要對油管進行拆卸,整個過程操作簡單。而在打磨剛性的設計方面,為了實現對輸送系統的保護,我們也設計了相應的液壓升降系統,讓打磨前的工件高度得到提升確保剛性。以此為基礎進行打磨參數的調節,配合柔性電主軸系統,整個生產系統的使用周期可以得到明顯提升,不會因為工件差異等非技術因素導致的損失或其它誤差。對于刀具的打磨過程而言,不會對電主軸產生損傷,打磨質量有所保障[1]。

1.2 輸送系統 輸送系統包括液壓升降臺與輥道組成,共同形成一個閉環循環系統,工件在同一位置上件,然后輸送系統可以一直維持自動化運轉。在傳統設計方案中采取的是兩名技術人員分別負責上件和下料,但是經過技術改進后的雙層輥道可以實現單人操作,上下件時間與機器人的工作結構保持統一。

1.3 除塵系統功能 除塵系統主要是因為打磨過程會產生的大量灰塵、金屬屑而設置的系統,整個系統包括除塵器、風機、控制柜等,風管在內部連接后可以控制風速,讓除塵設備的過濾面積滿足相應要求,主體設備會被安裝在車間的外部區域,整體打磨環境得到有效凈化。

1.4 排屑系統功能 在金屬屑或是灰塵被清理之后,我們需要對其進行收集和整體處理,通過磁性排屑系統的設計讓設備能夠延伸到打磨區域的下部,通過自動輸送的方式將廢料全部轉移至斗車之內,內部的打磨廢料收集過程更加便捷而有效,整個設備的連續運行卻不會受到嚴重影響。

1.5 系統運作過程 系統運作過程為升降臺上件、液壓夾具夾緊工件、打磨工位夾具落下、激光檢測、打磨、夾具滾動返回升降臺、下件。從動作和功能的角度而言,每個循環周期只需要短短的3-4分鐘,而人工打磨的時間往往需要10分鐘左右,無論是在工作效率還是在工作誤差方面都能維持較好的水準。在使用此類系統之后,生產效率大規模提升,產品的外觀質量也得到了提高,實現了今后生產的綠色化和智能化[2]。

2 機器人的系統設計

2.1 工藝流程與砂帶機設計 小型鑄件的打磨過程中對于尺寸的精度要求并不高,反而對工件打磨質量要求較高,因此我們需要合理設計打磨工藝流程,模擬人工打磨來進行相關的作業。機器人的打磨系統方案可以基于被動力控砂帶機結構進行設定,砂帶機基座通過地腳螺釘設置在地面上,電動機、被動力調整機構和張緊力調整機構則被安裝至主支撐板之上,通過兩組被動力調整結構的導軌在基座上保持運動,進行驅動控制。在一般生產過程當中我們會使用三相異步電動機,功率由工作發熱量決定,運算轉速與頻率成正比,即:

其中n為每分鐘的運轉速度,f為電源頻率,s為轉差率,p為磁極對數。例如圖1。

圖1 張緊力的調節結構

為了保持砂帶和工件在打磨過程中的接觸頻率,我們可以設計張緊力調整結構,包括調偏輪、氣缸、導軌組組成,以調節張緊力氣缸壓力的大小來改變砂帶的接觸剛度,適應打磨過程中的實際需求。在正常工作的過程當中,砂帶在張緊力調整機構氣缸收回時安裝,在氣缸伸出后保持張緊狀態,在控制柜的作用下完成驅動。此外砂帶可以在帶輪之間進行運動,機械臂將工件靠近砂帶時就可以進行切削和打磨過程[3]。

2.2 末端工具設計 砂帶控制只包含固定水平方向的一維力控制,而末端力控制可以更加靈活保障良好的響應速度而優化打磨過程。對此我們可以考慮將機器人主體與工具法蘭、末端法蘭、力矩傳感器等進行連接設計自動打磨系統。自動打磨系統由兩個部分組成,一部分是機器人和力傳感器為核心的主動力控制部分,另一部分則是被動力控砂帶機結構的被動力控制部分,以主動被動配合協調的方式輔助打磨環節。

3 結語

機器人的應用目的是為了改進人工打磨環境惡劣、效率低、產品均一性較差的技術缺陷,而本次研究也針對面向金屬鑄件的機器人技術進行了分析和討論,提出了機器人系統及其工作原理,包括以砂帶速度、機器人、工件表面為設計要求的主被動力控制方案,旨在對未來的技術進行改進,實現更精確而穩定的機器人打磨控制,為今后的打磨過程提供技術支持。