用于大中型軸流風(fēng)機(jī)鋁葉片的機(jī)器人打磨系統(tǒng)

劉基照 汪義玲 呂杰森 甘瑞霞

(南方風(fēng)機(jī)股份有限公司)

用于大中型軸流風(fēng)機(jī)鋁葉片的機(jī)器人打磨系統(tǒng)

劉基照 汪義玲 呂杰森 甘瑞霞

(南方風(fēng)機(jī)股份有限公司)

大中型地鐵(隧道)軸流風(fēng)機(jī)的鋁合金葉片在鑄造成型后，表面需經(jīng)打磨拋光才能裝機(jī)使用。而葉片本身尺寸和質(zhì)量比較大，不便于人工打磨。本文介紹一種用機(jī)器人代替人工的機(jī)器人打磨系統(tǒng)。描述了該機(jī)器人打磨系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成、工序過程、工件重復(fù)定位精度、優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方向等內(nèi)容，分析了機(jī)器人打磨系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，最后指出應(yīng)用機(jī)器人來代替人工打磨將成為未來趨勢。

軸流風(fēng)機(jī)；葉片；打磨；機(jī)器人；重復(fù)定位

0 引言

應(yīng)用于地鐵、隧道的通風(fēng)系統(tǒng)中的大中型軸流風(fēng)機(jī)（葉輪直徑不小于1m），一般采用高強(qiáng)度鋁合金材料的葉片（以下簡稱“大中型鋁葉片”）。因為傳統(tǒng)整體焊接鋼制葉輪難以達(dá)到的“葉輪轉(zhuǎn)動慣量小、風(fēng)機(jī)啟動和正反轉(zhuǎn)切換迅速、根據(jù)實際運(yùn)行工況調(diào)整葉片角度”等使用要求。

大中型鋁葉片通常由葉柄、葉面兩部分組成，如圖1所示。其中葉柄用于將該葉片與風(fēng)機(jī)葉輪的中心部分（即輪轂）連接固定，一般與輪轂上的對應(yīng)凹槽有配合要求；葉面負(fù)責(zé)將空氣進(jìn)行壓送、產(chǎn)生氣流，其截面通常為機(jī)翼型。

圖1 大中型鋁葉的外形圖Fig.1 the shapes of the large-and-middle-sized aluminum blades

大中型鋁葉片一般采用壓鑄、重力等模具鑄造進(jìn)行批量化生產(chǎn)，因此制成的工件在分型面處會形成大小不一、堅硬鋒利的飛邊毛刺，葉片表面有或多或少的凹坑或凸點(diǎn)，需要經(jīng)過打磨拋光工序才能安裝在風(fēng)機(jī)上。由于這類葉片的尺寸和質(zhì)量比較大（以本公司產(chǎn)品為例，可達(dá)1 000mm長×350mm寬×120mm厚、凈重達(dá)20kg），以往該工序采用人工完成，屬于一項艱苦的工作。近年來隨著機(jī)器人的應(yīng)用［1］，使該工序變得輕松和高效。

1 人工打磨

人工打磨大中型鋁葉片的常規(guī)做法有兩種：

1）工件固定、人抓工具：打磨工人手持電動砂輪機(jī)、拋光機(jī)等小型工具，在所需打磨的工件表面上來回操作。由于手持的工具不大，與工件接觸面較小，因此打磨效率很低。據(jù)本公司內(nèi)部測算，采用此方法打磨一個大中型鋁葉片工件需要耗時30分鐘左右。因此該方法只適于此類工件打磨前的準(zhǔn)備（如切除較大的飛邊毛刺）、打磨后局部整修（如機(jī)器打磨不到的地方特別是曲率半徑小的凹面打磨）；

2）工具固定、人抓工件：打磨工具較為大型（如電動砂帶機(jī)、固定砂輪機(jī)），并固定安裝，打磨工手持工件，將需要打磨的表面靠在工具磨削部位（如砂帶機(jī)上作高速運(yùn)動的砂帶、砂輪機(jī)上作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的砂輪片等）上來回移動。這種做法由于工具磨削部位與工件接觸面較大、且相對運(yùn)動速度快，因此打磨速度可以比前者高；但工件尺寸大質(zhì)量大，不便于人工抓持；打磨時所產(chǎn)生的磨削力較大，對打磨工人的手、手腕、手臂等部位的振動沖擊也相應(yīng)加大，更易產(chǎn)生疲勞，造成打磨工作難以長時間持續(xù)進(jìn)行。

顯然，人工打磨此類工件存在如下弊端：1）工人勞動強(qiáng)度大，對人健康傷害大；2）打磨質(zhì)量不穩(wěn)定：受打磨工的個人技能、精神狀態(tài)等因素影響較大，容易出現(xiàn)紋路不整齊、磨削深淺不均、打磨遺漏等現(xiàn)象；3）生產(chǎn)效率低下。

2 機(jī)器人打磨

2.1 機(jī)器人打磨系統(tǒng)的選用和條件

1）由于此類工件需要打磨的面積較大，為實現(xiàn)高效打磨，選取類似“工具固定、人抓工件”的人工打磨做法，將大型打磨工具固定安裝，機(jī)器人抓取工件，并選擇比人力量大得多的機(jī)器人、打磨能力更強(qiáng)大（包括磨削面更寬、轉(zhuǎn)速更高）的工具；

2）機(jī)器人應(yīng)有多個關(guān)節(jié)，末端裝有氣動或電動的工件抓手，能如同人手一樣抓著工件在某一空間范圍內(nèi)到達(dá)各指定位置、實現(xiàn)不同的角度變換；

3）為滿足批量快速打磨要求，系統(tǒng)應(yīng)有一定的工件重復(fù)定位精度，同類的工件可以直接調(diào)用相同的程序，避免因更換工件而需重復(fù)編程的現(xiàn)象；

4）系統(tǒng)應(yīng)配置必要的人工智能，以識別工件的個體差別。例如大中型鋁葉片在鑄造成型時雖采用同一模具、同一工藝參數(shù)，但由于受自身冷卻快慢、后續(xù)熱處理、搬運(yùn)等的影響，不同工件之間的扭曲程度或多或少地存在差異。如不能根據(jù)此差異自行修正既定的打磨程序，將會導(dǎo)致打磨出來的表面深淺不均、打磨中斷等；因此可考慮在系統(tǒng)中配置壓力傳感器［2］，使機(jī)器人能如打磨工人一樣感知工件表面與工具磨削部位之間的接觸狀況，從而使打磨過程能持續(xù)有效地進(jìn)行；

5）系統(tǒng)布置上應(yīng)實現(xiàn)人與機(jī)器人之間的隔離（以確保人的安全）、人與打磨環(huán)境的隔離（以使人遠(yuǎn)離粉塵和噪聲）。

2.2 機(jī)器人打磨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

下圖2是一種適用于大中型鋁葉片打磨的機(jī)器人系統(tǒng)。本系統(tǒng)的機(jī)器人本體（圖中序號3）采用6軸肘節(jié)式結(jié)構(gòu)，負(fù)載能力應(yīng)大于所需抓取的工件質(zhì)量、工件抓手的質(zhì)量和打磨所產(chǎn)生的力之和，并取一定的安全系數(shù)（本案例負(fù)載量建議為30kgf或以上）；其第一軸（即將機(jī)器人本體固定在其基座的軸）的旋轉(zhuǎn)角度建議± 185°、第六軸（安裝工件抓手所在的軸）為±360°或無限旋轉(zhuǎn)設(shè)計，以便于覆蓋較大范圍的工作區(qū)域和保證打磨所需的角度。機(jī)器人裝有碰撞保護(hù)開關(guān)和接觸傳感器，且能防止電纜、氣管在手臂上纏繞。

圖2 機(jī)器人打磨系統(tǒng)圖Fig.2 the composition of a robot polishing system

圖2中序號4砂帶機(jī)為主要的打磨工具（圖2中為兩套，配置不同粒度的砂帶，分別實現(xiàn)粗、細(xì)加工），其磨輪作為機(jī)器人的外部軸，速度和壓力由機(jī)器人控制；砂帶機(jī)上裝有壓力傳感裝置，當(dāng)工件壓在砂帶上時，壓力傳感裝置將信號傳送給系統(tǒng)控制柜（圖2中序號6）?？刂乒駮鶕?jù)得到的信號，命令機(jī)器人增加或減少工件對砂帶的壓力，以獲得一致性的打磨效果。

圖2中序號5打磨間為封閉的板房結(jié)構(gòu)，可通過用鋼制膨脹螺栓直接安裝在車間地面上，四周板壁、屋頂由內(nèi)部鋼架和帶隔音材料的彩鋼板等組成，板壁上開有工件送進(jìn)窗、工件送出窗、外部觀察窗和檢修門。上述的機(jī)器人和砂帶機(jī)均安裝在打磨間內(nèi)，打磨時操作人員不需進(jìn)入打磨間，使打磨作業(yè)與操作人員分離，確保人員安全、隔絕噪聲的外傳；打磨產(chǎn)生的粉塵通過管道引到打磨間外的集塵裝置（圖2中序號7）進(jìn)行收集，從而隔絕粉塵與人員的直接接觸。

圖2中序號1工件箱用于裝待打磨的工件（圖2中為兩套，可裝工件的具體數(shù)量取決于工件箱的容量），并安裝在電動滑臺上，可在程序的控制下自動進(jìn)出打磨間；圖中序號2出件輸送帶用于將打磨后的工件自動運(yùn)出打磨間，以便人員在外部收集。

2.3 本系統(tǒng)的工作過程

1）裝入工件：人工將待打磨的一批工件裝入打磨間外的空工件箱；

2）交換件箱：打磨間的工件送進(jìn)窗遮擋打開，已裝件的工件箱通過滑臺送入打磨間，同時另一空的工件箱從打磨間滑出（準(zhǔn)備裝件），工件送進(jìn)窗遮擋關(guān)閉；

3）抓件打磨：機(jī)器人從工件箱中順次抓取其中某一工件，靠至砂帶機(jī)的砂帶上打磨，完成后把工件放在出件輸送帶上，此時工件送出窗遮擋打開，輸送帶啟動，將已打磨的工件送出，然后輸送帶停止，工件送出窗遮擋關(guān)閉；

4）整箱完成：機(jī)器人繼續(xù)抓取工件箱下一個工件，重復(fù)3）的工作，直到完成整個工件箱工件的打磨；

5）循環(huán)作業(yè)：工件箱切換，機(jī)器人重復(fù)3）、4）。

整個打磨過程按預(yù)先設(shè)定的程序自動進(jìn)行，當(dāng)發(fā)生缺料中斷或設(shè)備故障時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警。

2.4 工件重復(fù)定位精度

為獲得批量工件打磨所需的重復(fù)定位精度，在本系統(tǒng)中主要通過控制如下幾個部分的精度進(jìn)行：

1）工件在工件箱中的定位。如圖3所示，工件箱內(nèi)設(shè)有定位板，一般設(shè)上下兩塊，每塊板上開有與工件某一位置的葉面截面形狀一致的孔洞。當(dāng)工件被插入該孔洞中時，其在工件箱內(nèi)的位置就固定了。

圖3 工件在工件箱中的定位圖Fig.3 the location of the works in the workpiece box

2）工件箱與機(jī)器人之間的定位。由于工件箱固定在滑臺上，滑臺末端設(shè)有到位停止開關(guān)，其與機(jī)器人的安裝底座之間的位置是固定的，因此，工件箱隨滑臺運(yùn)動到位后，與機(jī)器人之間的相對位置也固定了。

3）工件用于機(jī)器人抓取的部位。如圖3所示，大中型鋁葉的葉柄部位主要形狀為圓柱形，由于日后要與葉輪的輪轂上對應(yīng)的安裝凹槽配合，一般需經(jīng)車削加工，外形尺寸比較精確、統(tǒng)一，因此被用作機(jī)器人抓手的夾持部位：

a）機(jī)器人與打磨工具間的定位。由于兩者均固定安裝，所以位置固定；

b）機(jī)器人本身的精度。各軸的重復(fù)定位精度建議在±0.15mm之內(nèi)。

2.5 本系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方向

實踐表明該系統(tǒng)可完全摒棄人工打磨的弊端，并表現(xiàn)出如下的明顯優(yōu)勢。

1）可大幅度降低工人的勞動強(qiáng)度、技能要求和工種危害。在本系統(tǒng)中，打磨工人通常只是負(fù)責(zé)工件定期裝卸、砂帶定期更換、停機(jī)時磨出粉塵的清理等簡單、低強(qiáng)度工作。打磨工作則由機(jī)器人按照既定的程序完成，打磨時所產(chǎn)生的粉塵、噪聲被封閉在打磨間內(nèi)，有效實現(xiàn)了人與惡劣環(huán)境的隔離。

2）可獲得穩(wěn)定的打磨質(zhì)量。如圖4所示，經(jīng)過機(jī)器人打磨的表面紋路整齊、深淺均勻，且同類規(guī)格的工件均采用同一程序完成，所獲得的打磨效果都是統(tǒng)一的。

圖4 機(jī)器人打磨的效果圖Fig.4 the polishing effect using the robot system

3）可大幅度提高打磨效率。由于機(jī)器人的動作比人迅速、允許的磨削力大，比相對較快的“工具固定、人抓工件”方式的人工打磨仍可縮短打磨時間一半或以上，一般5分鐘左右即可完成一個工件的打磨。且由于系統(tǒng)可不停地工作，總體效率可比人工提高3～5倍；

另外，通過更換工件箱、抓手等工裝夾具，本系統(tǒng)還可以應(yīng)用于其它類型和材料工件的打磨，例如鋁合金輪轂、小型鋁合金葉片、鋼制焊接構(gòu)件和銅制品等。

當(dāng)然，本系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)，例如：

1）不太適合以前未打磨的、單件小批工件的快速打磨。對于不同的工件類型，機(jī)器人打磨需要預(yù)先設(shè)置不同的程序，而編程本身需要一定的技巧和時間，對于單件小批量工件，機(jī)器人打磨會比人工打磨費(fèi)時，因此不建議采用此系統(tǒng)，除非原來已有程序或考慮到日后還有這些工件的加工。

2）對待打磨工件有一定要求。例如同類工件的個體差異不能太大,一般需打磨部位的偏差應(yīng)在10mm以內(nèi)；較大的飛邊毛刺需要預(yù)先通過人工敲掉、切割等方式去除，否則會影響工件在工件箱的定位和砂帶的使用壽命，且目前這些部位采用人工處理相對簡單快速。

3）某些部位打磨不到：由于砂帶比較寬和磨輪直徑的影響，難以打磨工件表面曲率半徑比較小的凹面、或葉柄附近抓手與工件間距較小的部位等。

但是這些缺點(diǎn)主要基于本系統(tǒng)而言，不能代表機(jī)器人打磨系統(tǒng)的共性，且隨著配置的改變或技術(shù)進(jìn)步，這些缺點(diǎn)是可以克服的，例如：

1）目前已出現(xiàn)了很多簡單快速的編程方法，例如離線編程、拖動示教［3］等，可實現(xiàn)編程工作的簡化；

2）在本系統(tǒng)中增加其它型式的工具如電動切割機(jī)、固定砂輪機(jī)、指狀銑刀等，可以進(jìn)行更大范圍、更多種類的加工，包括自動切除較大飛邊毛刺、清理加工各種小孔洞等；

3）給機(jī)器人配備視覺系統(tǒng)［4］，可大為降低工件定位的要求；

4）上下件也采用機(jī)器人，可進(jìn)一步將本系統(tǒng)改造為全自動無人值守打磨生產(chǎn)線。

3 結(jié)論

由于打磨拋光注重的是工件打磨后的外觀，而非工件的尺寸精度，因此相對于焊接、裝配等工序而言，本工序?qū)C(jī)器人的要求并不高。目前國內(nèi)外很多機(jī)器人制造廠家如德國KUKA、日本FANUC、瑞典ABB、沈陽新松、廣州數(shù)控等公司的產(chǎn)品都可用于大中型鋁葉的打磨。同時由于機(jī)器人的視覺、力傳感、聲音識別等智能技術(shù)的日益成熟，打磨工具及輔助設(shè)備的自動化、互聯(lián)通訊等能力不斷提升，客觀上促進(jìn)了機(jī)器人系統(tǒng)在各種打磨中的應(yīng)用可行性不斷加大、成本不斷下降、效率不斷提高。

綜上所述，采用機(jī)器人打磨大中型鋁葉片不僅可行，而且與人工打磨的相比好處很多，值得在風(fēng)機(jī)制造行業(yè)中推廣。

［1］張紅霞.國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢研究[J].電子世界，2013(12):5，7.

［2］張慶偉，韓利利，徐方，等.基于打磨機(jī)器人的力/位混合控制策略研究[J].化工自動化及儀表，2012，39(7):884-887.

［3］孔文秀，趙寧.機(jī)器人示教臂系統(tǒng)的示教實現(xiàn)[J].機(jī)械與電子，2015(10):76-80.

［4］賈東永，黃強(qiáng)，田野，等.基于視覺前饋和視覺反饋的仿人機(jī)器人抓取操作[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2009(11):983-987.

Application of a Robot System to the Polishing of Aluminum Blades of Large-and-middle-sized Axial Fans

Ji-zhao Liu Yi-ling Wang Jie-sen LvRui-xia Gan
(Nanfang Ventilator Co.,Ltd)

Aluminum blades of large and medium sized metro axial fans should be polished before assembly.Since the aluminum blades have a large size and heavy weight,it is difficult to polish them by hand.In this paper,a robot polishing system is introduced.The system composition,working process,resetting accuracy,advantages,disadvantages,and improvements of the robot system are discussed.The analysis of the present status of the robot polishing system confirms that the wide application of robot systems will become a trend in the future.

axial fan;blade;polish;robot;resetting accuracy

TH432.1;TK05

：1006-8155-(2017)01-0082-04

ADOI：10.16492/j.fjjs.2017.01.0012

2016-07-17 廣東 佛山 528225