采用工業機器人對金屬制件去量打磨的實踐總結

李立秋

（沈陽瑞達機械自動化有限公司，遼寧 沈陽 110000）

一直以來，機械化的加工方式是采用磨床或者打磨專機實現，很難應對類型多變的工件；故此，金屬去量打磨大多是還靠人工完成。人工打磨產生的粉塵對人體健康極為不利。工業機器人作為一種多自由度的應用平臺，因其動作空間的開放性、編程的靈活性以及控制接口的易擴展性，在打磨方面具有廣闊的應用空間，推廣機器人打磨應用將帶來很好的社會效益；機器人打磨實施過程涉及很多工藝因素，對于特定的項目，工藝參數和加工性能需要實踐測試，這要耗費大量的人力、物力和時間。很長一段時間以來，機器人被稱作工業自動化領域的皇冠，而機器人打磨則被稱作“皇冠上的明珠”，可見其工程化難度之高和推廣意義之大。本文總結概括了機器人打磨的關鍵技術要素及其工程化考量，對于機器人打磨項目的實施具有指導意義。

1 機器人打磨的關鍵技術要素及對加工的影響

機器人打磨與通用打磨一樣，影響打磨效率的關鍵要素，包括磨料材質選擇、加工面正壓力設置、加工線速度設置3個方面；設定合適的加工參數，目標是保持磨料的鋒利，以提高磨削速度和提高磨料使用壽命。

1.1 磨料材質的選擇原則

打磨實際是一個工件與磨料一同進行形體消耗的過程。在這個過程中，工件和磨料相互摩擦、刮碰，同時會產生大量的熱；工件和磨料的形體表面均產生脫落，脫落的顆粒和粉末會帶走大量熱量。如果工件和磨料都沒有形成有效的脫落，熱量會快速積累，高溫使工件表面形成氧化層，甚至發生熔融，不僅損傷工件，熔融物質還會填平磨料原本鋒利的凹凸面，使磨料失去磨削能力，進一步惡化加工能力；部分磨料在高溫下會與空氣發生化學反應，進而快速消耗。所以，要保障磨削效率，就必須有效的抑制熱量累積。磨料對工件的去量，從微觀上看，是一個個磨粒對工件的切撕去量；在磨料和工件硬度接近的情況下，磨料不能對工件形成有效的切撕，而工件也不能對磨料形成有效的機械損傷，從宏觀上看，工件和磨料的形體消耗都很小，這不利于熱量的從工件和磨料表面消散；所以，基于加工面溫度抑制的目標，在磨料材質選擇上，要使磨料和工件的硬度不能過于接近。

1.2 加工面正壓力設置

加工面正壓力是指磨料和工件之間貼合面上的擠壓力。在一定范圍，調整加工面正壓力，可以得到以下幾個方面的效果：

增大正壓力，可以增強磨料對工件的切撕深度，進而提高磨削效率。

正壓力過大，因磨粒在工件表面嵌入的更深，將造成更大的接觸面積，磨粒嵌入工件表面的部分，其邊緣與工件形成更大的接觸摩擦面，這就容易造成工件表面高溫熔融；熔融物粘附與磨料上，將使磨料失去鋒刃，迅速造成磨料報廢。這一效應，在銅合金類工件磨削時尤其明顯。

當使用的磨料是百葉盤、百葉輪、砂帶等軟體磨料時，正壓力的增大會使磨料與工件之間有更大的接觸面；這會造成排屑困難，使工件脫落的碎屑彌散在磨料表面，進而因為加工產生的高溫逐漸粘附在磨料上，使磨料快速的失去鋒刃并報廢。

增大正壓力，意味著加工阻力的增大。這就需要更大的驅動電機來帶動磨料進行加工。

根據以上定性的分析，在進行加工測試時，應該按照加工正壓力從小到大的過程進行連續加工測試，比對加工效果以及磨料上碎屑的粘附狀態，在磨料上不產生粘附的情況下盡可能的提高加工正壓力，以獲得更大的磨削效率。

另外，必須指出，即使不考慮加工效率，加工的正壓力也不可以過小。這是因為，正壓力過小，隨著使用時間的延長，磨料的磨粒也存在鈍化，對工件的切撕效應會逐漸降低。適當的正壓力可以是磨粒的晶體發生破裂，形成新的鋒利面，有利于保持磨料的磨削能力。

1.3 加工線速度

加工線速度是指磨料與工件接觸部分的線速度。加工線速度的提高，會帶來以下的效果：

當磨削深度不變（磨削面單位面積正壓力維持恒定），更大的加工線速度意味著單位時間內通過工件被加工位置磨粒數量的增加，這將提高磨削效率。

加工線速度的提高，磨粒對于工件表面的沖擊效果逐漸的明顯，在達到某個臨界值后，會形成絕熱剪切，工件材質的應變率迅速提高，導致磨削效率的階躍性提高，并且磨削阻力斷崖式下降，這一效應與高速銑削相似。

加工速度過高，百葉盤、百葉片等圓形旋轉類磨料的高速旋轉會產生非常大的離心力，有可能造成磨料葉片從磨料基體上脫落，損壞磨料，甚至造成事故。所以，加工速度的上限值，還要參考磨具自身的設計參數，不要超過其設計極限。同時，加工線速度過高，會加速工件表面的熱累積，造成工件局部氧化甚至熔融，損壞工件表面狀態，甚至損害磨具。

2 使用加工壓力便于調整的設計方式

根據第1.2節描述，加工壓力是一個重要參數。但在方案評估階段，通常會選出幾種磨料作為備選，配方不同的磨粒，破裂壓力不同；所以很難立即確定加工壓力應該有多大，這需要在工藝測試時進行調整。由此可知，加工壓力可調會對項目實施具有很大的意義，然而工藝測試完畢后，加工壓力應該近似是恒定的。

實現打磨近似恒壓力，可以使用多自由度力傳感器配合機器人的力控制功能實現，也可以使用主軸浮動裝置實現。

采用多自由度力傳感器配合機器人的力控制功能，可以在加工時預先設定好壓力的大小，并可以在調試時靈活的選定壓力控制的方向，以提供更大的調試靈活性；但是一旦壓力控制方向被確定，其是唯一的，機器人不支持在加工運行時任意更換力控制方向：這也意味著，加工時磨具相對于工件被磨削面的姿態要基本固定不變。所以，這種方式只給調試提供了便利，卻不能給生產提供便利。另外，在工件待加工面出現快速變向的的情況時，機器人的力控制功能并不理想；所以如果使用機器人力空置功能，在調試時，應當盡量避免加工姿態的快速變化。

采用主軸浮動裝置提供恒壓力，通常采用將電主軸嵌入到一個法蘭內部，在法蘭內部的一個或多個方向采用氣動活塞頂推主軸的方式實現。當主軸上的工具受到外力，主軸在氣動活塞的可移動范圍內相對于法蘭的姿態發生變化，進而對工件過高的表面進行避讓，避免主軸負載過大而堵轉。主軸相對于工件表面所提供的壓力，可以通過調整氣動活塞的供氣壓力來實現。

對比可知，使用機器人力控制的方式，更容易摸索適合的工藝參數；而采用主軸浮動的方式，在工程實施時調試方面更簡單；在機械結構設計合理的情況下，使用主軸浮動方式的綜合實施效果并不低于采用機器人力控制功能的情況。

3 打磨驅動電機的選擇

根據第1.3節的描述，我們可以得出一個結論：磨料與工件貼合面的的線速度過低會影響加工效率；過高會造成工件損傷甚至損害磨具。所以，為了工藝調整的需要，驅動電機應選擇高速變頻電機，在一個寬的范圍內實現良好的調速性能；考慮到在任何可能的設定轉速，電機都是帶負荷工作，電機扭矩不能降低。由此可知，電機和匹配的變頻器，應具備V/F特性，在調速的同時，保持電機最大可輸出扭矩近似不變。能在很寬的范圍提供恒扭矩輸出的電機，通常是電主軸。電主軸的冷卻方式，分為水冷和風冷；風冷需要不斷的消耗壓縮空氣，壓縮空氣能效比很差，并且其制冷能力遠不如水冷。所以，應優選水冷的電主軸。在功率上，在大多數情況下，當機器人負載約為200kg，電機功率選擇12～18kW，轉速選擇5000～12000rpm，是一個適合機器人磨削的測試范圍；當然這還要考慮磨具樣式、磨具尺寸、磨具和工件的接觸面積大小、磨削正壓力設置等具體工況。

4 機器人攜持目標的確定

機器人挾持的目標，要根據工件/工具的重量、來料形式做劃分，目標是降低設備引進的綜合成本。可以按照以下原則確定。

4.1 大尺寸工件

大尺寸工件，在打磨加工時，雖然打磨的力不一定很大，但轉換到工件中心，打磨造成的扭矩可能很大。這要求工件的固定有很大的力。如果機器人攜持工件，則機器人必然要有很大的負載，進而提高成本。所以，對于大尺寸工件，一般采用工件固定、機器人攜持工具的形式加工。

4.2 需要多種工具進行加工的工件

多種工具加工，如果仍然采用工件固定、機器人攜持工具的方式，在加工過程中，機器人必然要經常的更換工具，這會降低生產效率；同時，機器人自動更換工具，就必須要配備工具庫以及自動換槍盤或者自動更換工具柄，將增加成本。所以，對于非大型工件，以采用機器人攜持工件的形式作為首選。

5 工件異形的應對策略

金屬去量打磨所面對的工件，其待加工部位會不可避免的存在形體差異，這個差異可能是因于待去除的表面毛刺、凸起，也可能因于基體。通常，因于基體造成的表面形體差異是不需要采用打磨的方式去除的，因為這在經濟性方面非常不劃算；但是，機器人在攜帶磨具行進過程中，要對工件基體的表面凸起進行避讓。另外，工件表面需要打磨去除的毛刺、凸起，加工量大小不一；在磨削能力不變的情況下，大的去量必然要放慢加工速度，否則會造成驅動電機堵轉，甚至工具損壞。所以，機器人有必要能夠根據工件表面狀態自適應的做出應對。對此，常用的應對方法是相對位置偏差檢測和機器人自動調速。

5.1 采用相對位置偏差應對工件基體差異

大型鑄件實際形體與標準模型存在差異是常見現象。這種工件，大多只要求把鑄造分模線、披鋒打磨光整。但是工件的偏差，會造成機器人行進軌跡與工件發生干涉；或者出現披鋒毛刺脫離了加工軌跡的情況。在這種情況下，可以使用機器人攜帶傳感器預先測量工件加工軌跡上的高度偏差，將此偏差加入到機器人作為坐標偏移量，對機器人的軌跡進行預先調整。這種方式的缺點在于，對于加工軌跡上有圓弧過渡的部分，難于擬合出匹配的軌跡，打磨后的產品經常需要人工二次修磨。

5.2 采用機器人自動調速應對待去除的大毛刺凸起

機器人都可以通過外部信號調整速度倍率。在打磨時遇到大的毛刺凸起，行進受到阻礙，打磨驅動電機的負載加大，電流加大?？梢詮闹鬏S驅動變頻器中將該電流值讀出來，作為調速條件。因反饋和機器人變速本身存在延遲，在實踐中，按照電流大小設計出線性減速函數并沒有太大意義，一旦調整不及時反而會造成電機堵轉，形成故障停機。一種簡單可行的控制策略是：檢測到電機電流超過正常加工電流的50%時，直接將機器人的行進速度一次性降低到正常速度的15%～25%；如果電流在1秒后仍然不能回到正常范圍，機器人的行進速度再次降低到正常速度的3%～5%。在電流回到正常范圍后，經過10s以上的低速運行，可以按照每秒將機器人速度倍率提升5%的方式，逐漸提高行進速度；提速過程中一旦發生電機電流超過正常運行電流，說明障礙物仍未越過，此時應立即再次將速度倍率降低到加速前的值。

6 結語

本文從磨削過程分析、磨料選擇方向、磨削參數設定和調整方向、打磨驅動選型、機器人攜持目標的確定、工件異形對策等方面，總結了采用機器人實現金屬制件去量打磨的工程經驗，對于機器人金屬打磨項目的工程實施具有指導意義。