集成工業(yè)機器人的自動打磨生產(chǎn)線的夾具設計*

唐林新，吳小禾

（中山火炬職業(yè)技術學院，廣東中山 428436）

集成工業(yè)機器人的自動打磨生產(chǎn)線的夾具設計*

唐林新，吳小禾

（中山火炬職業(yè)技術學院，廣東中山 428436）

為克服打磨工作粉塵多、噪聲大的缺陷，將工業(yè)機器人集成到自動打磨生產(chǎn)線中，用于被打磨工件的自動上下料。為此設計了機器人夾具、打磨機夾具、工件料盤，從而實現(xiàn)了打磨工作的全自動化，完全達到了設計目的。

工業(yè)機器人；打磨；全自動化

打磨是一種用于精密加工、提高零件表面光潔度的重要的機械加工方法，但是打磨過程中產(chǎn)生的粉塵、噪聲、振動等對操作者會產(chǎn)生不良影響；打磨工序耗時較長，單調(diào)的操作容易導致操作工人因精神不集中而發(fā)生事故。另外，隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展，沿海地區(qū)的用工成本越來越高，企業(yè)面臨巨大的設備轉(zhuǎn)型升級的壓力。工業(yè)機器人與數(shù)控打磨機的集成系統(tǒng)可以很好地解決上述矛盾。

1 系統(tǒng)組成及工作過程

綜合國內(nèi)外情況可知，常見的將工業(yè)機器人與打磨工藝結合的方法是由關節(jié)型機器人（五軸或六軸）端部夾持打磨工具（或夾持工件）進行打磨[1]。這種方法可以實現(xiàn)對具有復雜曲面的工件表面進行打磨加工，但是也存在以下明顯的缺點：

（1）由關節(jié)型機器人的構造可知其剛性較小，定位精度不高[2]，利用關節(jié)型機器人直接進行加工（無論機器人端部夾持工件或工具）會對零件的加工精度產(chǎn)生不利的影響；

（2）國外的全自動打磨生產(chǎn)線功能齊全[3]，性能先進，但一次性需投入400萬以上的資金，對于國內(nèi)中小企業(yè)無力承擔；

（3）單件生產(chǎn)，通常打磨工時較長，對于提高效率不利；

（4）控制復雜，實現(xiàn)打磨曲面對各個關節(jié)的操作算法非常復雜。

基于以上原因，集成工業(yè)機器人的自動打磨生產(chǎn)線由一臺工業(yè)機器人與多臺數(shù)控打磨機組成，工業(yè)機器人負責數(shù)控打磨機工件的裝卸工作，數(shù)控打磨機負責工件的打磨。此方案的優(yōu)點在于可以同時實現(xiàn)多個工件的打磨，提高了工作效率；專用的數(shù)控打磨機其結構剛度、打磨精度和效果都好于前述方案。

系統(tǒng)工作情況如下：

（1）系統(tǒng)剛啟動時，數(shù)控打磨機未裝夾工件，此時通過通訊接口發(fā)信號至工業(yè)機器人，由機器人從料盤的待加工工件區(qū)取出工件并裝夾在數(shù)控打磨機的打磨夾具[4]上，裝夾完畢后通知數(shù)控打磨機可以開始打磨；

（2）工件已經(jīng)打磨完畢后打磨機發(fā)信號至工業(yè)機器人，由工業(yè)機器人將工件從打磨機夾具上取下放至料盤已加工工件區(qū)；

（3）當料盤的待加工工件區(qū)工件全部加工完畢后，發(fā)報警信號通知工人更換料盤或結束工作。

為實現(xiàn)上述工作過程，需分別設計機器人夾具、打磨機夾具、工件料盤，以實現(xiàn)打磨工作的全自動化進行。整個系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由工業(yè)機器人、三臺數(shù)控打磨機和工件料盤組成。

圖1 集成工業(yè)機器人的自動打磨生產(chǎn)線

2 機器人夾具

機器人夾具用于將工件從工件料盤取出裝夾于打磨機夾具上或?qū)⒐ぜ拇蚰C夾具上取下放至工件料盤。其結構形狀分別見圖2、圖3。在圖3的爆炸視圖中，從上至下依次為：末端執(zhí)行器－氣缸連接法蘭，用于連接末端執(zhí)行器和氣缸；氣缸，用于工件裝入打磨機夾具時將工件推出；4只沉頭螺栓，用于將氣缸和氣缸－彈性夾法蘭連接至末端執(zhí)行器－氣缸連接法蘭；彈性夾，用金屬彈性材料制成，當彈性夾三只彈性爪伸入工件內(nèi)孔后，依靠徑向變形產(chǎn)生的摩擦力固定工件；推板，與氣缸缸桿相連，利用氣動力將工件從彈性爪上推出至打磨機夾具；最后是有內(nèi)孔的工件。

3 打磨機夾具

圖2 機器人夾具總裝圖

圖3 機器人夾具爆炸視圖

圖4 打磨機總裝圖

打磨機結構見圖4，打磨機為雙碟打磨機，可分別實現(xiàn)粗磨和精磨。打磨機上裝有Z向和X向數(shù)控滑臺，可實現(xiàn)Z軸方向和X軸方向的直線運動。X向數(shù)控滑臺裝有打磨機夾具組件，其可實現(xiàn)繞Y軸方向的旋轉(zhuǎn)運動和氣動三爪繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)運動。為保證防塵效果，兩只驅(qū)動電機都位于打磨機夾具組件內(nèi)部。

打磨機夾具（見圖5）主要由氣動三爪、旋轉(zhuǎn)接頭、兩只步進電機、同步帶、齒輪對和夾具殼體組成。氣動三爪用于與工件內(nèi)孔配合，利用氣動力使三爪徑向移動夾緊工件；旋轉(zhuǎn)接頭[5]用于連接氣動三爪和同步帶，使氣動三爪在旋轉(zhuǎn)時壓縮空氣依然能進入氣動三爪；同步帶用與連接步進電機和旋轉(zhuǎn)接頭，實現(xiàn)步進電機驅(qū)動氣動三爪旋轉(zhuǎn)；齒輪對與另一只步進電機用于使整個打磨機夾具繞Y軸旋轉(zhuǎn)，配合Z向和X向的直線運動共同完成工件打磨。

圖5 打磨機夾具圖

4 工件料盤

圖6 工件料盤

工件料盤如圖6所示，其材質(zhì)為塑料，用于放置待加工與已加工工件。每個工件位的尺寸形狀與工件的尺寸形狀相配合，確保工件在工件盤上的準確定位，如此才能實現(xiàn)機器人夾具準確的進行工件的取出與放入。

5 結語

設計了機器人夾具、打磨機夾具及工件料盤，用于實現(xiàn)工件打磨的全自動化。集成工業(yè)機器人的自動打磨生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)并取得了良好的銷售業(yè)績，證明了本方案的合理與可行。

［1］姚立權.打磨機器人機電系統(tǒng)設計與研究［D］.沈陽：東北大學，2007.

［2］李占賢，陳杰，楊志杰，等.關節(jié)型機器人示教機構平衡設計與優(yōu)化［J］.機械工程師，2010（9）：30-32.

［3］譚福生，葛景國.力控制技術在機器人打磨中的應用及系統(tǒng)實現(xiàn)［J］.上海電氣技術，2008（12）：35-40.

［4］朱耀祥.現(xiàn)代夾具設計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［5］SMC（中國）有限公司.現(xiàn)代實用氣動技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

The Fixture Design of Automatic Grinding Line for Integrated Industrial Robot

TANG Lin-xin，WU Xiao-he
（Zhongshan Torch Polytechnic，Zhongshan528436，China）

In order to overcome dust and noise in the grinding process，the industrial robot was integrated to the automatic grinding line，it can realize automatic load and unload of workpiece.The robot fixture，grinding machine fixture，work piece tray were designed for the full automatic grinding work and the design purpose was achieved completely.

industrial robot；grinding work；full automation

TP242.2

B

1009－9492(2014)07－0012－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.004

唐林新，男，1970年生，湖南洞口人，博士，工程師。研究領域：機電一體化，工業(yè)機器人技術。

(編輯：阮 毅)

*中山市科技攻關項目（編號：20123A401）

2014－05－15