智能精密打磨拋光機器人開發及應用

湯愛軍，黃艷麗，胡艷娥，丘永亮，諸進才，龍 波

（1.富聯裕展科技（深圳）有限公司，廣東深圳 518110；2.廣東工貿職業技術學院機電工程學院，廣州 510550）3.廣州鐵路職業技術學院機電工程學院，廣州 510430；

0 引言

打磨拋光是制造業中一道不可或缺的重要基礎工序，傳統的打磨拋光主要由人工手工作業來完成。由于人工打磨存在效率低、產品品質一致性差，以及塵肺塵爆等工業安全隱患，并且隨著人力成本的攀升、工人對舒適、安全的工作環境的追求，利用工業機器人來代替人工進行打磨拋光應用開發成為近幾年的熱點，并逐步批量應用[1-3]。

目前應用機器人進行打磨拋光的多是汽車、五金、衛浴、家電、家具、新能源等高附加價值產品行業，且多是簡單的用機器人代替人工進行打磨拋光，節省人力，降低工人的勞動強度，這與智能工廠、智能制造的要求還有一定的差距[4]。3C 行業產品的更新換代速度持續加快，客戶對產品質量要求越來越高，也對少量多樣，快速換線柔性生產制造提出更高要求。近年來，在工業4.0，中國制造2025 國家發展戰略實施發展的大背景下，也有不少學者進一步在機器人打磨拋光智能化方向研究，并取得了一定的成果[5-8]，但真正實際應用于3C 產品的智能精密打磨拋光機器人鮮有研究。因此，研發出能適應當前3C產品生產特點，高柔性、高精度、高效率，且符合工業安全的新型智能精密打磨拋光機器人系統[9]，是3C 產品金屬機構件制造企業，提升生產制造自動化、精密化、智能化水平的關鍵。

1 智能精密打磨拋光機器人系統

用戶對3C產品外觀的個性化和高品質的要求越來越高，也間接地對生產制造3C 產品的設備提出了全自動化、高精度、智能化、高柔性、更安全可靠的要求。本課題組在前期在做了大量簡單的用機器人代替人工進行打磨拋光自動化應用開發的基礎上[10-11]，進一步開發關鍵模組軟硬件技術，系統整合成智能化、精密化、工業安全系數高、穩定可靠的全自動化智能精密打磨拋光機器人系統。

如圖1所示，課題組設計開發的智能精密打磨拋光機器人系統，主要由六軸打磨機器人、產品旋轉軸、精密打磨拋光機、力控治具、水循環裝置、自動調機軟件、打磨耗材更換裝置和機罩8 個功能模塊組成。打磨拋光機器人是核心執行主體，特點是高剛性、負載大、精度高；產品旋轉軸能與機器人六軸聯動旋轉，七軸聯動技術可實現復雜精密柔順的打磨軌跡；自主研發的精密打磨拋光機適用于高品質打磨拋光；力控技術是打磨機器人實現智能化的重要因素；水循環裝置為由干式打磨轉變成濕式打磨提供安全保障；快速調機裝置及軟件可幫助實現快速上線導入生產。

圖1 智能精密打磨拋光機器人系統

2 硬件設計

2.1 打磨拋光專用機器人設計

作為制造業皇冠頂端的明珠，其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平重要標志的工業機器人，是彈性打磨拋光核心執行主體。高品質、多任務位高頻振動打磨頭，以及惡劣的打磨粉塵環境，對打磨拋光機器人的軌跡和定位精度、剛性與負載，以及防護能力提出了更高的要求。

普通機器人的五軸是最脆弱之處，因為它多采用同步帶傳動，剛性差，在受持續打磨沖擊力時，容易松動、磨損、甚至斷裂偏位。如圖2所示，課題組經過工程計算分析，綜合比較多種結構剛性強化優化方案，優選了齒輪傳動結構方案，并采用雙軸承強化支撐。對其他軸，也選用剛性更高的進口RV 和行星減速機，來代替傳統機器人常用的諧波減速機，進行打磨機器人整體剛性強化，提升了打磨機器人負載能力和耐用度。

圖2 打磨機器人五軸傳動剛性改善設計

課題組為提升打磨機器人的精度，優選可長時間保持0.3弧分精度的高品質精密減速機，并用激光跟蹤儀對機器人的臂長和原點等各運動參數進行精準標定，如圖3所示。并用軌跡補償優化算法對打磨機器人運動軌跡進行補償，提高它重復定位精度和軌跡精度。

圖3 激光跟蹤儀標定和軌跡補償

打磨應用環境惡劣，有打磨粉塵和打磨液，因此對打磨機器人的防塵防水性能提出更高要求，課題組通優選防護能力更強的三唇油封，創新雙重密封和迷宮設計，并給機器人通低壓壓縮空氣，有效防止粉塵、油污、打磨液等侵入，防護等級達到IP67，對機器人起到有效的防護，保證機器人的穩定性。圖3所示的課題組開發的其中一款型號為A1200 的打磨專用機器人，最大負載高達12 kg，重復定位和軌跡精度分別達到±0.02 mm和±0.15 mm，IP67 的防護等級，相比市場上其他品牌同等型號機器人有加強優勢，能很好地滿足打磨拋光這一特殊應用需求。

2.2 精密打磨機

傳統人工打磨，多采用如圖4（a）所示的手持式氣動風磨機，人體工學塑膠外殼，精度差，振動大，Z向跳動誤差大于或等于0.5 mm，噪聲大，噪聲大于或等于80 dB，采用仿形夾具固定于機器人六軸，進行打磨，在稍長時間的打磨振動下極易松動，因此它不適用于機器人自動精密打磨。

課題組通過氣動馬達軸動平衡優化設計，振動頻率仿真分析，提升各關鍵零件加工和組裝精度等，優化設計開發了型號為SA5011 的精密打磨機，如圖4（b）所示，主要性能參數：打磨底盤Z向震動跳動小于±0.1 mm；安裝面平面度0.02 mm；上下面平行度0.1 mm；整機高度公差±0.1 mm；摩擦阻力小，低氣壓0.2 MPa 即可起動，轉動順暢，轉速高達12 000 r∕min；振動小，噪聲小于或等于70 dB；銷釘定位±0.02 mm，拆裝方便；底盤采用魔術勾，可快速貼換不同型號砂紙；具有一定的打磨粉塵和打磨液防護功能，使用壽命達6 個月以上，很好地滿足機器人智能精密打磨拋光應用。

圖4 精密打磨機與手工打磨機對比

2.3 水循環裝置

傳統手工打磨，屬于干式打磨，打磨產生大量有害粉塵，惡劣的粉塵、振動和噪聲環境，使工人極易患塵肺等職業病。如鎂鋁合金等易燃易爆粉塵，在密閉空間的揚塵濃度達到一定程度，并意外遇到引爆火源的情況下，即會產生塵爆和二次爆炸，存在嚴重的工業安全隱患[11]。為消除打磨拋光存在的塵肺和塵爆工業安全隱患，課題組在研發了安全水簾柜的基礎上[12]，進一步研發絕對安全的濕式打磨拋光技術。

本文中驗證開發濕式打磨方案，即驗證開發在濕式打磨中能保持耐用度的水性砂紙，搭配自主研發的水循環裝置，如圖5所示，在打磨時持續噴淋打磨液，實現濕式打磨。打磨液的持續噴淋從源頭上杜絕了打磨干式粉塵的產生，也就消除了塵爆發生的必要條件，實現了絕對的工業安全，車間的工作環境也得到改善。該水循環裝置能實現過濾粉塵顆粒由大到小的3 級逐級過濾：30 μm、10 μm 以及5 μm，打磨屑和雜質得到有效過濾，而且對打磨面持續沖刷的打磨液，還具有降低打磨區溫度、潤滑、防氧化等作用，提高了打磨品質。

圖5 濕式打磨及水循環裝置

3 軟件設計

3.1 智能化打磨拋光控制技術

智能化是機器人技術發展的重要特點和趨勢，機器人是智能制造領域中重要的信息采集、分析并執行的設備，是智能制造的基礎，也是實現工業自動化、數字化、智能化的保障。而傳感器技術是機器人智能化的先決條件[13]。本文中所開發的適用于3C 產品智能化打磨拋光機器人歷程如圖6所示，由原來的簡單自動化機器人打磨替代人工打磨開發，到研發加入更多傳感技術，包括力控、打磨液位感應器、機臺噪聲、振動，收集各實時數據，智能監測和評判打磨拋光過程，確保執行正確的打磨拋光參數，對異常零部件及時通過聲光報警，并融入機器人故障預測與健康管理技術（Robot Prognostics &Health Management，PHM），實施診斷預判關鍵模組健康狀態及運行趨勢，主動性進行維護保養或更換，減少意外異常停機，確保正常生產時機臺的穩定性。

圖6 智能精密打磨拋光機器人開發歷程

對打磨拋光過程工藝驗證優化和參數化，開發打磨拋光前后產品視覺檢測技術，包括用高精度線掃相機檢測外觀刀紋、粗糙度、碰刮傷等不良缺陷程度和位置信息，以及高精度面陣相機通過打磨前后檢測對比打磨移除量。依產品來料缺陷不同和打磨品質要求進行參數化優選，自動選擇優化的打磨參數和規劃打磨程序，包括選擇搭配不同砂紙的打磨頭、軌跡規劃、壓力、角度、速度、時間、次數、噴水量等；依缺陷位置信息，實現點到點的針對性的高效打磨；依移除量和不良缺陷的變化，動態優化調整打磨工藝參數，并預測提醒打磨砂紙的使用壽命，實現智能、精密、高效、穩定、安全的機器人打磨拋光[14-15]。

3.2 自動快速調機技術

打磨軌跡精度也是影響打磨質量關鍵因素之一，直接影響打磨移除量的一致性、均勻性。打磨拋光機器人的Work和Tool坐標的準確度、打磨起始點位置度，將直接影響打磨軌跡精度。傳統的校正方法，常用3D設計模型進行測量理論Work和Tool坐標系，目視輔助錫鋼片等示教，并不斷通過依打磨效果進行修正優化，這過程非常費時，效率低，長達2 h，精度也差。

課題組自主研發多種快速調機技術，來快速校正Work 和Tool坐標系統，及打磨起始點壓力，包括設計開發輔助校正治具，采用探頭、千分表、力控等，搭配自動校正軟件程序實現。例如探頭方案，如圖7所示，其校準原理是選用探測精度為1 μm 雷尼紹探頭LP2，先后安裝于機器人第六軸和周邊固定位置，配合自動校正程序，先自動找準探頭位置，然后自動校準產品Work坐標系，再自動校準打磨工具Tool坐標系，即完成打磨拋光機器人的坐標系校正。課題組還設計開發了Off-line Simulation 離線編程仿真軟件，快速編程，仿真模擬確認，調試周期0.5 h以內，相比傳統人工調教，效率大大提升了3倍。

圖7 探頭方案快速調機

4 實踐應用效果分析

課題組在幾個關鍵軟硬件技術設計開發的基礎上，系統整合成自動化程度更高、更精密、更智能的打磨拋光機器人系統。目前該系統已經廣泛應用于公司生產的手機、平板電腦、筆記本電腦和臺式電腦等的金屬件（不銹鋼或鋁合金）外觀面的打磨拋光。如圖8所示，為所研發的智能精密打磨機器人應用于B 產品濕式打磨的場景，B 產品是一款手機金屬中框，打磨面是外側3D面，前制程是CNC 加工，表面粗糙度約Ra1.57，需要用智能精密打磨拋光機器人去除CNC 加工后的刀紋，降低粗糙度，提升光潔度，為后制程拋光至鏡面作準備。

圖8 智能精密打磨機器人濕式打磨應用

該產品中在導入智能精密打磨拋光機器人前，是人工使用手持式氣動風磨機，配合普通干式砂紙進行打磨。由于人工手工打磨作業，動作手法和打磨力度不一致，打磨軌跡也不柔順，導致品質一致性差，良率低僅約65%，效率低，CT 長達300 s。課題組開發導入以A1200打磨專用機器人為核心的智能精密打磨系統后，通過實驗驗證得出B 產品手機中框自動濕式打磨各種優化的工藝參數及水平，并在生產過程中持續智能優化。相比改善前的人工手工干式打磨，智能精密打磨拋光機器人系統進行濕式打磨，平均約180 s即可完成打磨，移除量高達10 μm，粗糙度高效降至Ra0.05，一次良率提升了30%，達到95%，生產效率也大幅提升了66%。并且打磨過程持續噴淋打磨液的濕式打磨，從源頭上即時濕化了打磨產生的粉塵，消除了塵肺職業危害和塵爆工業安全隱患，打磨拋光車間環境得到了凈化，而快速調機技術的應用，大大縮短了新機臺上線導入生產的調試時間，產生了良好的經濟效益和社會效益。

5 結束語

針對當前3C 產品自動化設備全自動化、高精密化、智能化、高柔性、更安全可靠的要求，課題組提出了智能精密打磨拋光機器人概念，并對幾個關鍵軟硬件技術，包括高剛性大負載高精度六軸打磨拋光專用機器人，精密打磨機，水循環裝置及濕式打磨拋光工藝，智能化打磨拋光控制技術，自動快速調機技術的研發基礎上，系統整合成智能精密打磨拋光機器人系統，實現智能、精密、高效、穩定、安全的打磨，已經大量應用于公司3C產品金屬件外觀表面打磨拋光，相比傳統人工手工作業，濕式打磨在大幅提升了良率和效率的同時，消除了塵肺職業危害和塵爆工業安全隱患。該智能設備設計開發，并批量應用，對公司實施智能工廠，智能制造轉型升級，產生了創新引領作用，也推動了打磨拋光行業由自動化朝著智能化方向發展，具有良好的經濟效益和社會效益。