淺析重型自動化打磨工作站研究與運用

李沛海，甘能，周玉濤，王遠瑾

（中國船舶重慶長征重工有限責任公司，重慶 400083）

在傳統制造行業，打磨拋光是最基礎的一道工序，它能減少零部件的應力集中，提高零件的使用壽命，提升產品外觀質量。打磨也能保證產品粗糙度、尺寸精度等技術要求，能保證零部件的后續加工生產。但由于受產品自身狀態和技術要求限制，大多數打磨還是采用人工打磨方式，打磨工人手持式電動、氣動磨削機、角磨機等工具進行打磨作業。打磨過程中，產生大量的粉塵和噪聲，對環境和員工均帶來危害，同時打磨作業的人力成本一直很高，且打磨質量主要憑借工人技能保證，故生產效率較低，品質穩定性也較差。為了獲得更好的產品品質以及更高的生產效率，傳統的人工焊縫打磨作業急需革新。

隨著計算機、傳感器和控制技術的飛速發展，尤其是網絡技術的快速發展，機器人越來越多地應用到打磨加工系統中，與人工打磨相比，機器人打磨準確度更高，磨削量更大，在保證產品的一致性和精度的前提下，能夠有效降低成本。特別是對于打磨量較大的零部件而言，采用機器人打磨能極大地提高產品生產效率，縮短產品制造周期。

目前，城市軌道交通地鐵車輛的關鍵部件——轉向架，其構架主要通過鋼板焊接而成，當焊接完成后，焊縫部位留有余高。為保證轉向架受力可靠，需對焊縫進行打磨處理，消除應力集中，避免構架從棱角處開裂，從而延長構架的壽命。

為滿足地鐵轉向架焊縫打磨，采用機器人自動化打磨，由于設計出自動化打磨工作站，工作站采用力控打磨裝置，在打磨過程中通過對力和位置同時進行控制，保證打磨的精度；通過多點尋找、自適應循環等技術，消除了產品由于焊接變形、組裝誤差、焊縫余高不一致等因素產生的影響。

1 硬件設備的集成

重型自動化打磨工作站主要由多軸機器人本體、控制器、打磨裝置、變位機、檢測工具等組成。為了提升打磨的實用性，采用了砂帶輪打磨工具和千葉片打磨工具兩種打磨工具，能夠對不同角度、大小的焊縫進行打磨，其中砂帶輪打磨工具主要對平焊縫進行打磨，而千葉片打磨工具主要針對角焊縫、弧焊縫進行打磨。圖1為重型自動化打磨工作站的整體布局圖。

圖1 重型自動化打磨工作站整體布局圖

1.1 多軸機器人

結合大磨削量需求和打磨工具重量，選擇了額定載荷為210kg的KUKA KR 210多軸機器人，該機器人最大作用范圍為2700mm，重復定位精度為0.06mm，可覆蓋產品尺寸和打磨需求。

1.2 檢測裝置

在實際生產中，零部件因組裝誤差、焊接變形等因素易導致打磨質量不能滿足要求，甚至損傷工件，此時，需對這類誤差進行識別和補償。檢測裝置的作用是在打磨前測量工件關鍵點在X、Y、Z三個方向的誤差，通過測量出的誤差補償修正打磨軌跡。

1.3 打磨工具

打磨工具有砂帶輪打磨工具和千葉片打磨工具兩種，由于地鐵構架橫梁組成中存在大量的平直焊縫，選擇砂帶輪打磨工具能保證打磨質量的同時提高打磨效率，而對于角焊縫、環焊縫等不太規則位置的焊縫，選擇千葉片打磨工具能滿足作業需求。打磨工具裝有力位控制位置，可對轉速、下壓力、打磨行程進行控制調節，從而滿足不同打磨工藝參數需求。

1.4 變位機及夾持工裝

根據所需打磨零部件的結構、打磨位置、重量等因素，設計了對應的夾持工裝和變位機。同時，變位機具備和機器人聯動的功能，通過和機器人聯動實現復雜曲面的焊縫打磨。

2 關鍵技術介紹

2.1 多點尋找技術

多點尋找技術主要是通過檢測裝置實現，主要解決打磨前零部件之間的位置誤差。通過多點尋位識別零部件裝夾后的空間位置和所需打磨焊縫位置及磨削余量，作為機器人打磨路徑的輸入，最終達到打磨要求，保證打磨精度。其打磨流程如圖2所示。

圖2 多點尋找流程圖

2.2 自適應循環技術

打磨作業是一項多次往復的磨削過程，自適應循環打磨技術能實現自動循環打磨，直至滿足打磨要求時停止。在打磨過程中，根據檢測裝置初賦值、力位傳感器及機器人空間位置，自動判斷、對比磨削余量，若未達到余量要求值則自動重復打磨，直至余量達標為止。其打磨流程如圖3所示。

圖3 自適應循環打磨流程圖

3 打磨實例與結果

本文以某地鐵構架橫梁組成作為主要打磨對象，該橫梁組成需進行打磨焊縫長度約12500mm，實際生產中，該機器人能完成的打磨焊縫為5900mm，占整個焊縫的47.2%。并與人工打磨進行對比，打磨效率是人工的10倍。圖4為自動化打磨工作站對地鐵橫梁組成和某鋼結構焊縫打磨作業后外觀。

圖4 自動化打磨工作站打磨后打磨部分外觀圖

4 結語

本文系統介紹了重型自動化打磨工作站，通過選擇合適的機器人，打磨工具、檢測裝置等器件對產品及零部件進行大磨削量打磨作業，并在打磨過程中運用多點尋找技術和自適應循環技術，保證打磨的精度和效率。通過實際生產反饋，重型自動化打磨工作站能極大提升效率，降低勞動強度，改善作業環境，為企業創造效益。