打磨拋光機器人關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

湯愛軍，胡艷娥，諸進才，楊波，龍波

（1.富聯(lián)裕展科技（深圳）有限公司，廣東 深圳 518110；2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510430）

0 引言

傳統(tǒng)的人工打磨拋光存在效率低，產(chǎn)品品質(zhì)一致性差，存在塵肺塵爆工業(yè)安全隱患等，并且隨著人力成本的攀升、工人對舒適、安全的工作環(huán)境的追求，利用工業(yè)機器人來代替人工進行打磨拋光應(yīng)用開發(fā)成為近幾年的熱點，并逐步批量應(yīng)用，特別是汽車、五金、衛(wèi)浴、家具等行業(yè)[1-2]。

高工機器人產(chǎn)業(yè)研究所（GGII）2020年打磨拋光機器人調(diào)研報告顯示，打磨拋光機器人2020年銷量5000臺[3]，同比增長21%，并預(yù)測未來年均20%增長，到2025年打磨拋光機器人銷量預(yù)計超過1.3萬臺，市場規(guī)模超過75億元。打磨拋光機器人代替人工進行打磨拋光，已經(jīng)成為表面處理行業(yè)發(fā)展趨勢。但打磨拋光機器人應(yīng)用占比仍比較低，僅約2.95%，還有很大提升發(fā)展空間。

機器人打磨拋光當(dāng)前大多的應(yīng)用是汽車、五金、衛(wèi)浴、家具等高附加價值產(chǎn)品行業(yè)，3C行業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度持續(xù)加快，對少量多樣、快速換線柔性生產(chǎn)制造提出更高要求，但應(yīng)用于3C產(chǎn)品的智能精密打磨拋光機器人系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用鮮有研究。因此，研發(fā)出能適應(yīng)當(dāng)前3C生產(chǎn)特點，高柔性、高精度、高效率，且符合工業(yè)安全的新型智能精密打磨拋光機器人，對3C產(chǎn)品金屬機構(gòu)件制造企業(yè)，顯得尤為重要和必要。

1 智能精密打磨拋光機器人系統(tǒng)概念提出

3C產(chǎn)品更新?lián)Q代速度越來越快，而零件的日益復(fù)雜化和精度要求也不斷提高，對制造企業(yè)的生產(chǎn)提出了更高的要求：自動化、彈性、智能、精密、高效、穩(wěn)定、安全。

課題組依3C產(chǎn)品表面處理自動化應(yīng)用需求特點，設(shè)計開發(fā)的智能精密打磨拋光機器人系統(tǒng)由8大功能模組組成，如圖1所示。主要包括高剛性大負(fù)載高精度打磨拋光機器人、旋轉(zhuǎn)第七軸及雙滑臺直線軸、精密打磨拋光機、帶力控的產(chǎn)品裝夾治具、水循環(huán)裝置、輔助快速調(diào)機裝置及其軟件、打磨拋光耗材自動更換裝置以及防水機罩等。

圖1 智能精密打磨拋光機器人系統(tǒng)組成

2 打磨拋光機器人關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

2.1 高剛性大負(fù)載高精度打磨機器人

工業(yè)機器人是實現(xiàn)智能生產(chǎn)和數(shù)字化工廠的通用基礎(chǔ)，是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。打磨機器人的設(shè)計開發(fā)改善提升是伴隨著新一代打磨拋光應(yīng)用的技術(shù)需求而不斷延展的，精致的產(chǎn)品外觀迫使加工軌跡更加圓潤細(xì)滑，產(chǎn)生了更高的軌跡精度和定位精度的要求；高頻振動的打磨頭，為適應(yīng)不同產(chǎn)品狀況使用的、沉重的多任務(wù)位打磨頭結(jié)構(gòu)，均對加工設(shè)備提出了強硬的剛性與負(fù)載要求；不同的打磨工況，各種打磨環(huán)境的惡劣（水，切削液及材料碎屑等）產(chǎn)生了更高防護能力的要求。

課題組通過一系列的改善設(shè)計來實現(xiàn)打磨拋光機器人剛性強化，例如，五軸，傳統(tǒng)機器人結(jié)構(gòu)多采用皮帶傳動結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示，該結(jié)構(gòu)剛性差，撞擊時容易偏位，皮帶易磨損斷裂，使用壽命短。課題組經(jīng)過工程仿真分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用全齒輪傳動結(jié)構(gòu)，搭配雙軸承結(jié)構(gòu)，進行剛性強化，提升機器人壽命和耐久性，如圖2（b）所示。其他措施還包括選用進口高剛性RV和行星減速機科學(xué)組合方案，代替普通機器人常用的諧波減速機方案等。

圖2 打磨機器人五軸傳動剛性改善設(shè)計

通過迷宮設(shè)計、定制三唇油封、雙層密封保護、機器人內(nèi)部正壓排氣防水功能等方案，實現(xiàn)打磨機器人達到IP67防護等級，確保打磨粉塵環(huán)境，對機器人的有效防護。課題組選用高精度減速機，用激光跟蹤儀標(biāo)定機器人參數(shù)，并通過優(yōu)化算法進行軌跡補償，提升打磨拋光機器人軌跡精度和重復(fù)定位精度。

2.2 七軸聯(lián)動技術(shù)

在產(chǎn)品打磨過程中，轉(zhuǎn)角3D曲面打磨是難點，如果打磨軌跡不順暢，軌跡精度不高，將產(chǎn)生未見光、過拋以及交接紋等不良。因此，如何有效解決轉(zhuǎn)角曲面打磨是打磨拋光機器人關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)打磨，六軸機器人即可實現(xiàn)，但機器人需要帶動打磨頭繞產(chǎn)品一圈，動作范圍大，有些打磨機器人方案也增加了產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)第七軸，但屬于寸動不聯(lián)動，因此3D面打磨不連續(xù)，軌跡精度差。

課題組經(jīng)過大量實驗驗證和工程分析，創(chuàng)新性提出了七軸聯(lián)動打磨技術(shù)，即利用六軸打磨拋光機器人與產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)第七軸，進行打磨軌跡聯(lián)動，實現(xiàn)柔順高軌跡精度的轉(zhuǎn)角曲面打磨，此時，六軸工業(yè)機器人打磨時，可保持一個固定舒服的姿態(tài)，3D面打磨貼合度更高，動作更柔順，高效，并避開了奇異點及機械限位等問題，并提高了打磨質(zhì)量和調(diào)試方便性。傳統(tǒng)六軸機器人與七軸聯(lián)動機器人打磨對比示意圖，如圖3所示。通過比較實驗，七軸聯(lián)動打磨相比傳統(tǒng)六軸機器人打磨，打磨效率提升約20%，良率提升約5%。

圖3 七軸聯(lián)動打磨圖示

2.3 力控技術(shù)

打磨拋光壓力是產(chǎn)品拋光品質(zhì)和效率的重要影響因素之一，也是智能化的一個重要因素[4，5]。人工手工拋光，可憑人手的感覺控制拋光壓力，但不均勻，無法做到精準(zhǔn)控制，因此產(chǎn)品品質(zhì)差，良率低。課題組設(shè)計開發(fā)了與機器人搭配的六維力控裝置，實現(xiàn)機器人打磨拋光壓力的自動檢測和控制補償，使每個產(chǎn)品打磨拋光過程壓力變化基本一致，確保產(chǎn)品打磨品質(zhì)一致性。

課題組設(shè)計開發(fā)的六維傳感器M8123，安裝于產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)第七軸，中空結(jié)構(gòu)，方便走線氣路，密封防水設(shè)計，如圖4所示。力感主要參數(shù)為：Fx/Fy/Fz最大負(fù)載400 N，精度±1N；Mx/My/Mz最大負(fù)載20 N·m，精度±0.05 N·m，防護等級IP67，過載保護能力為量程的10倍，適用打磨振動粉塵環(huán)境。力控架構(gòu)及控制原理，如圖5所示，在有安裝Real-time實時系統(tǒng)之控制器環(huán)境下，力傳感器受力狀況通過EtherCAT方式與打磨拋光機器人控制系統(tǒng)進行通訊，由機器人控制軟件實現(xiàn)PID優(yōu)化算法，控制6個通道力回饋計算（Fx/Fy/Fz/Mx/My/Mz），適應(yīng)性閉環(huán)控制。課題組開發(fā)自動校正設(shè)定響應(yīng)系數(shù)（k）和材質(zhì)系數(shù)（s）程序，在控制軟件內(nèi)部自動生成穩(wěn)定響應(yīng)最優(yōu)的PID model，無需人為單獨調(diào)整PID參數(shù)（比例增益P、積分常數(shù)Ti、微分常數(shù)Td），使用操作方便快捷準(zhǔn)確。通過控制軟件和參數(shù)優(yōu)化，并實驗驗證，得到打磨機器人力控精度：直線打磨±1.5 N，圓弧打磨±2.5 N。相比傳統(tǒng)的走軌跡精度來保證打磨質(zhì)量的打磨機器人，課題組研發(fā)出了力控補償壓力的新型控制方式，打磨機器人調(diào)機更加方便、操作更加簡單、打磨質(zhì)量更加穩(wěn)定、還具有大數(shù)據(jù)分析處理功能[6-8]。

圖4 力感安裝示意圖

圖5 力控PID控制模式

3 應(yīng)用

在幾個關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)成功的基礎(chǔ)上，課題組系統(tǒng)整合成智能精密打磨拋光機器人系統(tǒng)，并應(yīng)用于公司3C產(chǎn)品的金屬件的打磨拋光，如手機外殼、邊框等。如圖6所示，為智能精密打磨機器人應(yīng)用于B產(chǎn)品的打磨場景，B產(chǎn)品是一款手機金屬中框，為鋁合金材質(zhì)，外側(cè)3D面CNC加工后，留下較深的刀紋，需要打磨去除刀紋，降低粗糙度，為后面的拋光制程作準(zhǔn)備。

圖6 智能精密打磨機器人濕式打磨應(yīng)用

改善前，該產(chǎn)品為人工打磨。工人用手持式標(biāo)準(zhǔn)氣動風(fēng)磨機，配合砂紙，進行手機中框外側(cè)小3D面打磨。人工打磨作業(yè)手法不一致，產(chǎn)品品質(zhì)一致性差，良率低，僅約65%，效率低，CT約300 s。改善后，采用以A1200款打磨機器人為核心的手機中框自動濕式智能精密打磨系統(tǒng)進行打磨，通過實驗驗證，優(yōu)化得到了適用于鋁合金手機中框濕式打磨的各種工藝參數(shù)及水平，可高效實現(xiàn)10 μm的移除量，粗糙度由Ra1.57降至Ra0.05打磨拋光效果，CT由300 s降至180 s，生產(chǎn)效率提升了66%，一次良率也提升了30%，一次良率達到95%。濕式打磨，從源頭上杜絕了干式粉塵的產(chǎn)生，消除了人工打磨存在的塵肺和塵爆工業(yè)安全隱患，凈化了作業(yè)車間環(huán)境，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

4 結(jié)語

針對3C產(chǎn)品少量多樣、柔性生產(chǎn)、智能制造的生產(chǎn)需求特點，提出了智能精密打磨拋光機器人概念，著重研究了高剛性大負(fù)載高精度六軸打磨拋光機器人、七軸聯(lián)動技術(shù)、力控技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并系統(tǒng)整合成智能精密打磨拋光機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)濕式打磨拋光，實現(xiàn)智能、精密、高效和安全的打磨。

開發(fā)的打磨拋光系列機器人，相比國內(nèi)外大多品牌相類型號機器人，在最大負(fù)載、精度、防護等級等方面均有一定的優(yōu)勢，更好滿足打磨拋光應(yīng)用需求。例如：A1200款機器人（臂長1200 mm），如圖3所示，最大負(fù)載可達12 kg，重復(fù)定位精度達±0.02 mm，軌跡精度達±0.15 mm，防護等級達IP67。