面向拋光打磨工藝過(guò)程的機(jī)器人成套系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾 輝 崔云從 夏富生

（1.埃夫特智能裝備股份有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.香港中文大學(xué)，香港 99907；3.安徽工程大學(xué)人工智能學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人不再局限于搬運(yùn)、噴涂及焊接這些簡(jiǎn)單重復(fù)的作業(yè)，而是逐漸向著銑削、鉆孔、磨削等精密切削的加工領(lǐng)域進(jìn)行過(guò)渡[1-2]。隨著航空航天、高鐵、大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)高速發(fā)展，裝配環(huán)節(jié)需要大量的磨削、銑削、拋光等精密切削加工的工件，通常傳統(tǒng)的數(shù)控加工中心體積龐大，不方便運(yùn)輸，無(wú)法滿足大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)加工的需求[3]。裝配所需的零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，人工打磨拋光成本很高但加工精度卻不高。因此使用機(jī)器人對(duì)零部件拋光打磨可以大大降低其表面粗糙度，提高其表面質(zhì)量。該文對(duì)機(jī)器人拋光打磨工藝及成套系統(tǒng)研制進(jìn)行更加深入的研究。

1 總體方案設(shè)計(jì)

該方案是針對(duì)機(jī)器人對(duì)水龍頭的外表進(jìn)行拋光打磨工藝過(guò)程的成套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使用埃夫特型號(hào)為ER50 的機(jī)器人，夾取水龍頭工件（見(jiàn)圖1）在砂帶機(jī)配合下對(duì)60#、180#、400#及800#砂帶進(jìn)行打磨。

圖1 工件模型

整個(gè)系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）中使用5 臺(tái)砂帶機(jī)及2 臺(tái)ER50 機(jī)器人，放置于2 個(gè)除塵房中。在1 號(hào)除塵房中，配置了1 臺(tái)機(jī)器人及3 臺(tái)砂帶機(jī)，其中2 臺(tái)砂帶機(jī)進(jìn)行60#砂帶的打磨工序，第3 臺(tái)進(jìn)行180#砂帶的工件打磨；在2 號(hào)除塵房中配置了1 臺(tái)機(jī)器人及2 臺(tái)砂帶機(jī)，進(jìn)行400#及800#砂帶的工件打磨。

圖2 機(jī)器人拋光打磨系統(tǒng)

除塵房中都配置了抽風(fēng)除塵系統(tǒng)，收集拋光打磨產(chǎn)生的金屬粉末，控制污染，并實(shí)現(xiàn)廢料回收利用。

2 個(gè)除塵房中間為工人作業(yè)區(qū)，配置1 臺(tái)普通砂帶機(jī)和1 名工人，該工人負(fù)責(zé)60#、180#砂帶打磨后產(chǎn)品的質(zhì)量檢查及修磨。由于鑄件毛坯的質(zhì)量不穩(wěn)定，不同的工件可能在不同位置存在砂眼、氣孔等鑄造缺陷，為了保證每個(gè)工件的表面質(zhì)量[4-5]，該系統(tǒng)采用人工檢測(cè)的方法進(jìn)行質(zhì)量控制及修磨。

1.1 砂帶機(jī)設(shè)計(jì)

該砂帶機(jī)（見(jiàn)圖3 和圖4）使用3 個(gè)膠輪及1 個(gè)鋁輪，帶動(dòng)砂帶進(jìn)行打磨。傳動(dòng)方式上，該砂帶機(jī)使用電機(jī)直接拖動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖5），從而帶動(dòng)砂帶運(yùn)動(dòng)。

圖3 砂帶機(jī)模型

圖4 砂帶機(jī)模型（無(wú)防塵罩）

圖5 電機(jī)直接帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪

為了保證砂帶的張緊力，以及防止砂帶跑偏，設(shè)計(jì)了張緊調(diào)偏機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖6），通過(guò)氣缸頂出，帶動(dòng)鋁輪撐緊砂帶。氣缸的壓強(qiáng)使用電氣比例閥調(diào)節(jié)，通過(guò)PLC 控制比例閥對(duì)砂帶張緊力進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，有利于控制磨削力。

圖6 張緊調(diào)偏機(jī)構(gòu)

如圖7 所示，上下砂帶輪的伸出長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，從而能調(diào)整砂帶輪、砂帶相對(duì)機(jī)器人的位姿，以避免打磨過(guò)程中帶來(lái)的機(jī)器人與設(shè)備干涉、機(jī)器人關(guān)節(jié)限位等問(wèn)題，滿足打磨工藝需要。

圖7 砂帶輪安裝

此外，張緊調(diào)偏機(jī)構(gòu)的安裝位置亦可調(diào)節(jié)（圖8），以配合砂帶輪不同的伸出長(zhǎng)度，避免在調(diào)節(jié)砂帶輪伸出長(zhǎng)度后出現(xiàn)砂帶長(zhǎng)度不適應(yīng)的問(wèn)題。

圖8 張緊調(diào)偏機(jī)構(gòu)安裝

設(shè)計(jì)砂帶輪支撐機(jī)構(gòu)（圖9），以解決砂帶輪伸出長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)帶來(lái)的剛度不足問(wèn)題。

圖9 砂帶輪支撐機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)磨削力的恒力控制，設(shè)計(jì)了滑動(dòng)打磨平臺(tái)，搭建力反饋系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用了滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)（圖10），令平臺(tái)能在機(jī)架上滑動(dòng)，并使用氣缸為滑動(dòng)打磨平臺(tái)施加向前的推力。在滑動(dòng)平臺(tái)氣缸的氣源供應(yīng)上，使用電氣比例閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，使用PLC 進(jìn)行控制，提高力反饋控制的精度和響應(yīng)速度。

圖10 滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)

1.2 夾具及工作及上下料滑臺(tái)設(shè)計(jì)

針對(duì)打磨的水龍頭工件，設(shè)計(jì)了夾具（圖11），利用氣缸實(shí)現(xiàn)工件的夾緊，在結(jié)構(gòu)方面，即滿足了打磨位姿的需要，也避免了夾具與其他設(shè)備的干涉。

圖11 夾具圖示

設(shè)計(jì)了上下料滑臺(tái)如圖12，每個(gè)除塵房使用2 個(gè)，實(shí)現(xiàn)毛坯的流入和成品的流出。2 個(gè)滑臺(tái)輪流作業(yè)，以避免機(jī)器人進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

圖12 上下料滑臺(tái)圖示

2 氣路與電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)氣路主要是對(duì)力反饋（力平衡）氣缸和砂帶張緊氣缸的壓力及動(dòng)作進(jìn)行控制，為了降低成本，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，分時(shí)共享電氣比例閥的氣路設(shè)計(jì)。

拋光打磨項(xiàng)目電氣控制部分以PLC 為控制核心結(jié)合機(jī)器人I/O 信號(hào)和外部信號(hào)來(lái)控制一系列的電動(dòng)機(jī)和氣動(dòng)電磁閥啟動(dòng)與停止，形成一個(gè)穩(wěn)定、有序的運(yùn)行系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有“自動(dòng)運(yùn)行”和“手動(dòng)調(diào)試”2 種工作模式，這2 種工作模式都是根據(jù)操作面板的選項(xiàng)來(lái)確定。系統(tǒng)的控制流程圖如圖13 所示。

圖13 系統(tǒng)的控制流程圖

“自動(dòng)運(yùn)行”模式：選定“自動(dòng)運(yùn)行”模式，自動(dòng)運(yùn)行指示燈被點(diǎn)亮并閃爍，機(jī)器人根據(jù)技術(shù)員使用示教盒示教的一系列定點(diǎn)來(lái)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定的定點(diǎn)后就通過(guò)輸入/輸出口給可編程邏輯控制器（下文稱“PLC”）發(fā)出“夾具加緊”、“1 號(hào)電機(jī)啟動(dòng)”、“1 號(hào)電機(jī)停止且2 號(hào)電機(jī)啟動(dòng)”、“2 號(hào)電機(jī)停止且3 號(hào)電機(jī)啟動(dòng)”、“結(jié)束信號(hào)”等一系列的請(qǐng)求信號(hào)，PLC 接收到請(qǐng)求信號(hào)后根據(jù)前后優(yōu)先級(jí)分別響應(yīng)。該模式下，配合操作面板上的控制按鈕，就可以形成“工人上料”—“機(jī)器人定點(diǎn)夾起工件”—“啟動(dòng)與停止打磨機(jī)”—“機(jī)器人打磨”—“定位滑臺(tái)伸出與收縮”—“工人卸料”的一個(gè)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程。

隨著打磨工件數(shù)量的遞增，掛在打磨機(jī)上的砂帶的損耗程度也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，因此為了延長(zhǎng)打磨砂帶的使用壽命保證磨削量和提高工作效率，該系統(tǒng)采用2 種方法來(lái)達(dá)到此目的。第一，PLC 需要根據(jù)指定完成打磨工件的數(shù)量控制變頻器來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的低、中、高3 檔的轉(zhuǎn)速。第二，運(yùn)用程序調(diào)節(jié)控制力反饋力度的比例伺服閥的張開(kāi)度，來(lái)調(diào)節(jié)力反饋氣缸的氣壓。

“手動(dòng)調(diào)試”模式：“手動(dòng)調(diào)試”模式是在技術(shù)員示教與調(diào)試或者現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)緊急急停的情況之下來(lái)使用。觸摸屏上顯示的所有操作按鈕和數(shù)據(jù)顯示器都跟PLC 的內(nèi)部地址一一對(duì)應(yīng)，因此，每操作面板上的每個(gè)虛擬按鈕都會(huì)對(duì)程序產(chǎn)生影響，從而對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行相應(yīng)地控制。

3 除塵方案設(shè)計(jì)

單臺(tái)砂帶機(jī)使用試驗(yàn)中的簡(jiǎn)易除塵系統(tǒng)（不帶風(fēng)機(jī)）如圖14 所示，通過(guò)軟風(fēng)管連接匯總到除塵房除塵通風(fēng)口（注：根據(jù)房間除塵的需要，單機(jī)簡(jiǎn)易除塵系統(tǒng)有修改的可能）。

圖14 除塵示意圖

除塵房使用鐵皮通風(fēng)管道，接入廠區(qū)的除塵系統(tǒng)，使用導(dǎo)風(fēng)板進(jìn)行風(fēng)流導(dǎo)向，提高除塵效果。存在部分粗粉，無(wú)法抽走（預(yù)計(jì)主要降落在砂帶機(jī)集塵盒上），需要工人定期進(jìn)房?jī)?nèi)清掃。

4 實(shí)驗(yàn)方案

僅針對(duì)型號(hào)T1T656 水龍頭，操作流程如下。

開(kāi)啟設(shè)備總開(kāi)關(guān)，大約需要 5min 完成機(jī)器人系統(tǒng)啟動(dòng)；1、2 號(hào)滑臺(tái)滑到除塵房外，工人將工件擺到1、2 號(hào)滑臺(tái)上，每個(gè)滑臺(tái)12 個(gè)，共24 個(gè)，預(yù)計(jì)耗時(shí)3min，擺置完成機(jī)器人完成啟動(dòng)。

開(kāi)啟系統(tǒng)作業(yè)開(kāi)關(guān)，自動(dòng)化打磨開(kāi)始，機(jī)器人自動(dòng)夾取1 號(hào)滑臺(tái)工件，進(jìn)行工件打磨，每個(gè)水龍頭耗時(shí)220s，將耗時(shí)44min 完成1 號(hào)滑臺(tái)工件打磨。

機(jī)器人自動(dòng)夾取2 號(hào)滑臺(tái)工件開(kāi)始打磨，1 號(hào)滑臺(tái)滑出除塵房，工人取下1 號(hào)滑臺(tái)上的12 個(gè)工件置于轉(zhuǎn)運(yùn)筐里，重新擺上12 個(gè)毛坯件，點(diǎn)擊滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)按鈕使1 號(hào)滑臺(tái)進(jìn)入除塵房中，換件預(yù)計(jì)耗時(shí)2min，44min 后機(jī)器人打磨完2 號(hào)滑臺(tái)上的工件。

機(jī)器人自動(dòng)夾取1 號(hào)滑臺(tái)工件開(kāi)始打磨，2 號(hào)滑臺(tái)滑出除塵房，工人為1 號(hào)滑臺(tái)換件，換件完成點(diǎn)擊滑臺(tái)按鈕驅(qū)使2 號(hào)滑臺(tái)進(jìn)入除塵房，換件預(yù)計(jì)耗時(shí)2min，44min 后機(jī)器人打磨完1 號(hào)滑臺(tái)上的工件。

重復(fù)上述步驟5）6）。

注：初步實(shí)驗(yàn)顯示，該打磨系統(tǒng)中60mm 寬的砂帶（長(zhǎng)4.9m）可打磨工件約100 個(gè)（數(shù)量仍可增加，具體數(shù)量待實(shí)驗(yàn)確認(rèn)），90mm 寬的砂帶（長(zhǎng)4.9m）可打磨工件約200 個(gè)（具體數(shù)量待實(shí)驗(yàn)確認(rèn)）。

在循環(huán)步驟7）共3 次，操作者須按下?lián)Q帶暫停作業(yè)按鈕，系統(tǒng)暫停打磨工作，操作者進(jìn)入除塵房更換60mm×60mm 寬砂帶（預(yù)計(jì)耗時(shí)3min），回到除塵房外，按下恢復(fù)打磨作業(yè)按鈕，機(jī)器人繼續(xù)打磨。

步驟7）再循環(huán)4 次，操作者須按下?lián)Q帶暫停作業(yè)按鈕，系統(tǒng)暫停打磨工作，操作者進(jìn)入除塵房更換60mm×60mm 寬砂帶及60mm×90mm 寬砂帶（預(yù)計(jì)耗時(shí)共6min），回到除塵房外，按下回復(fù)打磨作業(yè)按鈕，機(jī)器人繼續(xù)打磨。

重復(fù)循環(huán)步驟7）至9）。

每天工作結(jié)束后，停機(jī)掃除砂帶機(jī)下方集塵盒上的銅粉（部分將無(wú)法被風(fēng)機(jī)抽走）。

5 客戶需求

每個(gè)滑臺(tái)每次放工件12 個(gè)（3×4），一天內(nèi)可放多次。每天將1、2 號(hào)滑臺(tái)共承放的384 個(gè)工件打磨16 次。

型號(hào)T1T656 水龍頭產(chǎn)量大于12000 個(gè)/月，取13000 個(gè)/月，以每個(gè)滑臺(tái)放置工件12 個(gè)，每天打磨16 次1、2 號(hào)滑臺(tái)共承放數(shù)量的工件（單純打磨時(shí)間為1408min），單套打磨系統(tǒng)日產(chǎn)量384 個(gè)/d（產(chǎn)量為11520 個(gè)/月），需要約34d完成。

型號(hào)T1T656 水龍頭產(chǎn)量約12000+個(gè)/月，取13000 個(gè)/月，以每個(gè)滑臺(tái)放置工件10 個(gè)，每天打磨18 次1、2 號(hào)滑臺(tái)共承放數(shù)量的工件（單純打磨時(shí)間為22h），單套打磨系統(tǒng)日產(chǎn)量360 個(gè)/d（30d 月產(chǎn)量為10800 個(gè)/月），需要約37d完成。工序時(shí)間分析見(jiàn)表1。

根據(jù)表1 分析可知，該方案單日剩余停機(jī)和意外處理時(shí)間較長(zhǎng)，部分砂帶使用程度達(dá)到初步實(shí)驗(yàn)的安全臨界值。拋磨設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)照片工作狀態(tài)如圖15 所示。

表1 工序時(shí)間分析

圖15 拋磨設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)照片

6 結(jié)論

目前，該套面向打磨拋光工藝的機(jī)器人成套集成系統(tǒng)運(yùn)用的場(chǎng)合還有一定的局限性，因?yàn)樯皫C(jī)結(jié)構(gòu)和自身設(shè)計(jì)的緣故，可能會(huì)導(dǎo)致上下砂帶輪的伸出長(zhǎng)度與理論的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度產(chǎn)生偏差，影響砂帶相對(duì)機(jī)器人的位姿，在打磨過(guò)程中，會(huì)使機(jī)器人與設(shè)備發(fā)生干涉。砂帶進(jìn)行拋光磨削剛性不足，也會(huì)影響被打磨工件的表面加工質(zhì)量和加工精度。因此，可以進(jìn)一步完善和改進(jìn)機(jī)器人拋光打磨工藝研究及成套系統(tǒng)，讓設(shè)計(jì)成果在磨削拋光的切削加工領(lǐng)域大放異彩。