四通件機器人打磨拋光方案設(shè)計與工藝研究

嚴(yán)楠 陳罡 金超超 齊越

摘要：針對工業(yè)機器人對四通件打磨拋光的特點和工作過程，提出了一種利用工業(yè)機器人對五金產(chǎn)品進(jìn)行打磨拋光方案，研究了機器人力控原理及打磨拋光相關(guān)工藝。采用Solidworks建立虛擬樣機，設(shè)計機器人夾手和定位工裝，構(gòu)建機器人的五金四通件測試平臺，研究其打磨測試參數(shù)及打磨效果。結(jié)果表明，采用240#的砂帶進(jìn)行打磨，砂帶轉(zhuǎn)速變化范圍1000～1250 r/min ，發(fā)泡輪硬度為30，砂帶機的發(fā)泡輪的硬度為40，能夠較好地實現(xiàn)本產(chǎn)品的打磨拋光，該方法為相關(guān)產(chǎn)品的打磨拋光實際應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)參考，有助于提高生產(chǎn)效率，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：機器人;五金產(chǎn)品;打磨拋光工藝

中圖分類號：TP242文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0063-03

Study on Design and Technology of Robot Polishing for Four-way Parts

Yan Nan1，Chen Gang1，Jin Chaochao2，Qi Yue3

（1. Ningbo Polytechnic Mechanical & Electrical Engineering College， Ningbo， Zhejiang 315800， China;2. Ningbo Welllih Robot Technology Limited Company， Ningbo 315480， China;3. Beijing Aerospace Intelligent Manufacturing Technology Development Co.， Ltd.， Beijing 100039， China）

Abstract： According to the characteristics of industrial robot to cross a fine polishing and working process， the solution of the hardware product to make use of industrial robot grinding and polishing was proposed， and the principle of machine manpower control and related process of grinding and polishing were studied. Solidworks was used to establish virtual prototype， design robot clamping and positioning tooling， and the robot hardware four-way parts test platformis built， and its grinding test parameters and grinding effect were studied. The results show that the 240# abrasive belt is used well for grinding， as the range of abrasive belt speed is 1000～1250 r/min， and the hardness of the foaming wheel is 30， and the hardness of the foaming wheel is 40. The method provides theoretical guidance and data reference for the practical application of grinding and polishing of related products， and helps to improve production efficiency and economic benefits of enterprises.

Key words： robot; hardware products; grinding and polishing process

0 引言

我國是世界五金生產(chǎn)大國之一，已經(jīng)成為世界上主要的五金制造和出口大國，具備廣闊的市場和消費潛力。在五金生產(chǎn)過程中，五金產(chǎn)品在產(chǎn)品生產(chǎn)的過程中會有刮傷或是接縫，打磨拋光主要就是把生產(chǎn)或是運輸中工件的損傷層去掉，把這些損傷和接縫打磨光滑，使產(chǎn)品光潔明亮。多數(shù)五金類產(chǎn)品零件對尺寸、形位精度要求并不嚴(yán)格，但對表面粗糙度要求甚高，因而，打磨拋光是影響其產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣的重要加工環(huán)節(jié)。五金產(chǎn)品打磨拋光是一個重復(fù)和繁瑣的工作，而我國此類打磨工藝多數(shù)仍處于人工或半自動化階段[1-3]。此種作業(yè)模式存在諸多不利因素：打磨產(chǎn)生的火花、粉塵及噪聲嚴(yán)重影響人的身心健康;工人無法長時間集中精力從事緊張、重復(fù)的勞動，容易發(fā)生工傷事故;五金產(chǎn)品打磨的位置多為曲面，傳統(tǒng)的人工打磨拋光存在打磨質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低下等特點[4-5];人工打磨質(zhì)量要依照工人經(jīng)驗去判斷好壞，使得打磨質(zhì)量無法得到保證;熟練工的缺失，工效低下且招工困難;人工成本不斷抬高，而且惡劣的工作環(huán)境必須為工人支付更高的薪酬，招工難、招工貴成為了企業(yè)新的難題，傳統(tǒng)人工打磨作業(yè)已經(jīng)解決不了企業(yè)當(dāng)下的生產(chǎn)需求[6-7]。

本文基于現(xiàn)有需求對五金產(chǎn)品四通件進(jìn)行打磨測試，根據(jù)打磨要求進(jìn)行方案設(shè)計，采用Solidworks建立虛擬樣機，并建立機器人的五金四通件測試平臺，研究打磨測試參數(shù)及打磨效果。

1 方案設(shè)計

四通件材料為黃銅，打磨位置如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)有工藝要求，需對表面進(jìn)行打磨拋光，氧化皮打掉，保證產(chǎn)品形狀不變。

針對水龍打磨要求，以六軸機器人為主的機器人研磨拋光實驗平臺，針對打磨工藝進(jìn)行了分析研究，以某企業(yè)生產(chǎn)的五金四通件為例進(jìn)行了打磨加工實驗。四通件機器人打磨系統(tǒng)主要包括：機器人系統(tǒng)、磨削拋光系統(tǒng)、工裝定位系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、儲料倉、工作臺等相關(guān)部分組成，如圖2所示。

為保證打磨效果，系統(tǒng)配備多組拋光砂帶機，機器人可在一個工作臺上完成多步工序，適合大批量、多批次的加工要求，柔性化高;砂帶機采用力控調(diào)節(jié)機構(gòu)，以保持打磨力維持在一個較為恒定合理的范圍;打磨控制系統(tǒng)控制以工控機為核心，控制機器人示教系統(tǒng)、砂帶機系統(tǒng)、工裝夾具定位系統(tǒng)、傳感反饋系統(tǒng)等，砂帶機轉(zhuǎn)速、壓力等可通過采用觸摸屏進(jìn)行控制，方便可靠[8-9]。

2 拋光加工工藝

2.1 機器人打磨力學(xué)模型

針對四通件機器人打磨拋光產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，打磨和拋光等接觸性質(zhì)的作業(yè)任務(wù)對機器人來說具有相對較大的難度，必須在控制位置的同時對機械手和環(huán)境之間的接觸力進(jìn)行控制[10-11]。機器人采用的是位置控制，柔性化差;砂帶機要進(jìn)行磨削，為保證兩者接觸時的安全及壓力的穩(wěn)定，需要力控制的驅(qū)動使系統(tǒng)具有一定的柔性;另一方面為了提高磨削精度，要求砂帶機能夠快速響應(yīng)磨削應(yīng)力的變化，要確保力控制具有一定的精度。

機器人打磨拋光系統(tǒng)主動柔順控制結(jié)構(gòu)主要是力控制，機器人在加工過程中基于力反饋的柔順控制[12-13]。根據(jù)得到當(dāng)前打磨作用力，與給定力比較，通過力控制器得到位置修正量，阻抗控制器執(zhí)行修正后的位置命令，從而實現(xiàn)基于主被動柔順結(jié)構(gòu)的阻抗內(nèi)環(huán)力外環(huán)打磨力控制。采用力/位混合控制技術(shù)，提供力/位兩種控制模式，根據(jù)具體加工工序要求切換控制模式，實現(xiàn)打磨的工藝規(guī)劃和優(yōu)化，保證表面的加工質(zhì)量并提高加工效率。基于外力補償?shù)拇蚰C器人力控框圖如圖3所示。

2.2 拋光加工工藝參數(shù)分析

影響四通件打磨拋光效果的因素主要包括工件材質(zhì)、磨料粒度和性質(zhì)、打磨壓力、打磨工具的速度等[14-15]，關(guān)系如圖4所示。

由圖可知，各打磨拋光參數(shù)與表面質(zhì)量、加工精度、加工效率之間的影響規(guī)律。圖中三角形的左邊是磨粒的直徑、研磨拋光盤材質(zhì)與拋光表面質(zhì)量和粗糙度的關(guān)系;右邊是打磨拋光壓力、拋光盤和工件之間的相對速度與加工精度的關(guān)系。通過頂邊的加工效率可以將左右兩邊的參數(shù)聯(lián)系起來。三角形中點1代表著用較小直徑的磨粒、材質(zhì)較軟的拋光頭，用該種參數(shù)拋光時，工件的加工表面質(zhì)量較高。點1′是由點1引與三角形右邊平行的線交于頂邊得到的，由點1′可知用這種參數(shù)拋光時加工效率較低。點1″是從點1′引與三角形左邊平行的線交于右邊得到的，由點1″可知用該參數(shù)的加工精度高;類似的，三角形中點2代表打磨拋光壓力和相對速度較高時，打磨拋光加工效率較高，但表面質(zhì)量降低，表面粗糙度增大。

2.3 砂帶機選型

四通件砂帶磨削是彈性磨削彈性來自于接觸輪及砂帶自身磨削時接觸輪發(fā)生的彈性變形，磨削弧度增大，同時參與磨粒的增多，從而提高了磨削效率，難以像砂輪磨削那樣通過光磨達(dá)到控制尺寸的目的。由于組成砂帶的基材、黏結(jié)劑都具有一定的彈性，而接觸多數(shù)采用具有彈性的橡膠制作，所以砂帶磨削除具有砂輪同樣的滑擦、耕犁和切削作用外，還有磨粒對工件表面的擠壓，工件表面塑性變形、冷硬層變化和表面撕裂及熱塑性流動的綜合作用。因此，砂帶磨削同時具有磨削、研磨、拋光的多重作用，因而加工表面質(zhì)量好。而彈性磨削又便接觸長度增大，整個砂帶磨耗比砂輪小得多。四通件和砂帶接觸壓力和砂帶的張力越大，材料的去除率越高。相關(guān)參數(shù)滿足如下關(guān)系[16]：

式中：Fz為張緊力;k 為張緊系數(shù);αρ為磨削深度; Ff 砂帶主動輪牽引力; vs 為砂帶線速度;B 為砂帶寬度。

根據(jù)式（1），四通件在打磨拋光過程中，磨削的越深，砂帶的張緊力就越大;砂帶機的驅(qū)動拉力越大、轉(zhuǎn)速越快，張緊力越大;砂帶越寬，張緊力越大。因此要提高四通件打磨的材料去除率，應(yīng)選擇較寬的砂帶，同時合理地提高砂帶轉(zhuǎn)速，選擇功率更大的電機對砂帶進(jìn)行驅(qū)動。根據(jù)本產(chǎn)品打磨拋光要求，選取某國產(chǎn)砂帶機相關(guān)參數(shù)如表1所示。

3 實驗

如圖5所示，四通件機器人打磨系統(tǒng)以某國產(chǎn)負(fù)載20 kg工業(yè)機器人為打磨本體，采用氣動夾手夾持工件，工件放置在初始定位工裝上，為保證全方位的對四通件在拋過程中位置可達(dá)，磨拋過程中工件要進(jìn)行變位，配合機器人打磨。為保證打磨效果，采用雙層砂帶機，型號為240#砂帶。

為保證打磨效果，采用氣動夾手對工件進(jìn)行加持，考慮對不同位置打磨，機器人分兩次對四通件進(jìn)行夾持定位，實現(xiàn)自動抓取。定位方式如圖6所示。

四通件打磨拋光主要過程如下：首先經(jīng)過粗磨，去除工件表面在鑄造時產(chǎn)生的接縫凸起;然后通過精磨去除余量;利用粒度中等的砂帶對四通件粗拋加工，降低工件表面粗糙度;在經(jīng)過細(xì)粒度的砂帶對工件進(jìn)行精加工，滿足四通件最終的表面粗糙度要求。打磨效果如圖7所示。

根據(jù)實驗結(jié)果，對輪子和砂帶改進(jìn)之后打磨的效果會更好，示教過程中在優(yōu)化機器人磨拋力度和軌跡方面也更能保證工件各個位置得一致性;經(jīng)過測試，砂帶機的發(fā)泡輪的硬度為40，采用240#的砂帶進(jìn)行打磨，砂帶機轉(zhuǎn)速為800 r/min ，機器人速度 MOVL為400 m/min ，四通件打磨拋光效果較好。選取發(fā)泡輪得硬度為30，耗材選取3 M 砂帶337DC 、A300、A160、A65和 SCSFN尼龍砂帶，四道砂帶打磨保證四通件表面打磨拋光質(zhì)量較好。4結(jié)束語

本次實驗針對四通件設(shè)計了打磨拋光方案，研究并分析了其打磨工藝，根據(jù)打磨拋光實驗得到結(jié)論如下。

（1） 砂帶轉(zhuǎn)速太高，會造成過磨過拋，致使表面質(zhì)量下降;轉(zhuǎn)速太低，會減慢加工效率。實驗中，在其他打磨環(huán)境相同的情況下，砂帶轉(zhuǎn)速的變化范圍為1000～1 250 r/min，性能良好，打磨效果滿足要求。

（2）根據(jù)實際打磨效果，可以實現(xiàn)四通件打磨的位置可達(dá)。驗證了所選機器人及打磨方案的合理性，整個機器人研磨拋光實驗平臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，驗證了工藝的合理性，測試效果良好。

（3）該打磨拋光設(shè)備可滿足多批次、大批量生產(chǎn)模式，柔性化程度高，自動化程度高，打磨效率高，穩(wěn)定性可靠，減少用人及相關(guān)設(shè)備維護成本，可提高企業(yè)經(jīng)濟效益，并可為相關(guān)產(chǎn)品的實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Li J，ZhangT，LiuX，etal.A Survey of Robotic Polishing[C]//2018IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics（ROBIO）.IEEE，2018.

[2] 王田苗，陶永.我國工業(yè)機器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機械工程學(xué)報，2014，50（9）：1-13.

[3] 楊燕彬.簡述現(xiàn)代打磨拋光機器人的特點及發(fā)展趨勢[J].工程技術(shù)（文摘版），2016（6）：269.

[4] 林少丹.工業(yè)機器人自動磨拋仿真控制的研究[J].長春工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，15（1）：109.

[5] 楊軍，熊亮，張躍華，等.工業(yè)機器人在精鑄件澆口及飛邊打磨中的應(yīng)用[J].金屬加工（ 熱加工），2015（23）：13-15.

[6] 金磊，胡澤啟，劉華明，等.機器人在零件清理打磨中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J].機床與液壓，2017，45（15）：4.

[7] 張鵬.全自動打磨拋光工業(yè)機器人系統(tǒng)研發(fā)[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2018.

[8] 周營平.機器人打磨拋光智能控制系統(tǒng)研究與開發(fā)探討[J].工業(yè)設(shè)計，2017（4）：161-162.

[9] 王淼，楊宜民，李凱格，等.拋光打磨機器人智能控制系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2015（12）：94-96.

[10] 高培陽.基于力傳感器的工業(yè)機器人恒力磨拋系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2019.

[11] Lan C C，Wang J H ，Chen Y H.A compliant constant-forcemechanism for adaptive robot end-effector operations[C]//Ro?botics and Automation （ICRA），2010 IEEE International Confer?ence on IEEE，2010.

[12] Chen Y.，Lan C. An Adjustable Constant-Force Mechanism forAdaptive End-Effector Operations[J]. Journal of Mechanical De?sign，2012（3）：1-9.

[13] 許家忠，鄭學(xué)海，周洵.復(fù)合材料打磨機器人的主動柔順控制[J].電機與控制學(xué)報，2019，23（12）：151-158.

[14] XU P，CHEUNG C F，WANG C J，et al. Novel hybrid robot andits processes for precision polishing of freeform surfaces[J].Pre?cision Engineering，2020（64）：53-62.

[15] Phan H G，KanaS，Campolo D. Instrumentation of a grinding toolfor capturing dynamic interactions with the workpiece[C]//2017IEEE International Conference on Cybernetics and IntelligentSystems （CIS） and IEEE Conference on Robotics，Automationand Mechatronics （RAM），2017.

[16] 黃琴. 基于工業(yè)機器人的水龍頭打磨拋光系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2016.

第一作者簡介：嚴(yán)楠（1987-），男，碩士研究生，工程師，研究領(lǐng)域為機器人、先進(jìn)制造技術(shù)。

（編輯：刁少華）