機(jī)器人智能修磨的應(yīng)用研究

張凱 李強(qiáng) 高菲

摘要：雖然目前在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)普遍推廣的雙重助力下，機(jī)器人修磨鑄鋼件的應(yīng)用研究取得了一定進(jìn)步，但是對于某些特殊行業(yè)和用途的零部件，由于它們自身的高尺寸精度要求和低表面粗糙度的設(shè)計(jì)，決定了機(jī)器人修磨鑄鋼件需要進(jìn)行更深入的研究以滿足目前工程加工中的需求。本文對機(jī)器人修磨鑄鋼件的應(yīng)用進(jìn)行分析研究，從機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨，機(jī)器人修磨在民機(jī)維修業(yè)的應(yīng)用，機(jī)器人修磨在焊縫中的應(yīng)用三個方面入手，對現(xiàn)有的機(jī)器人修磨鑄鋼件技術(shù)進(jìn)行深入探討，為后續(xù)相關(guān)研究打下基礎(chǔ)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論研究價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;修磨;鑄鋼件;應(yīng)用

0? 引言

高速發(fā)展的生產(chǎn)力的催化下，各種精密設(shè)備和工具在國民經(jīng)濟(jì)的各個行業(yè)中生產(chǎn)或使用的頻率愈發(fā)頻繁，而這些精密設(shè)備和工具的生產(chǎn)制造和加工都離不開修磨技術(shù)，特別是在航空航天航海等領(lǐng)域中，對零器件的精度、密封性等要求越來越高。但是傳統(tǒng)的手工打磨對工人師傅的技術(shù)要求極高，生產(chǎn)效率慢，容易因?yàn)槿斯さ氖韬龊托傅?dǎo)致較大的制造誤差，造成產(chǎn)品質(zhì)量的參差不齊，并且工作量大，工作環(huán)境差，過大的人工成本投入給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，因此研究機(jī)器人修磨技術(shù)可以很好的解決和彌補(bǔ)傳統(tǒng)的手工打磨中存在的問題和缺陷。機(jī)器人修磨技術(shù)擁有保證保證零件的高尺寸精度和低表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是機(jī)器人修磨在制造加工復(fù)雜曲面的零件時(shí)，必須要做到對磨削量的精確控制，而且由于在機(jī)器人修磨中砂帶和接觸輪屬于彈性接觸，這就導(dǎo)致了串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人的加工為非剛性加工，對于磨削量的精確控制受到多種因素的影響很難實(shí)現(xiàn)。因此有必要針對機(jī)器人修磨技術(shù)開展深入研究，解決現(xiàn)有的一系列技術(shù)問題。本文從機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨，機(jī)器人修磨在民機(jī)維修業(yè)的應(yīng)用，機(jī)器人修磨在焊縫中的應(yīng)用三個方面入手，分別對現(xiàn)有的機(jī)器人修磨鑄鋼件技術(shù)進(jìn)行深入探討，為后續(xù)相關(guān)研究打下基礎(chǔ)。

1? 機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨

機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨技術(shù)是指當(dāng)機(jī)器人點(diǎn)焊滿足預(yù)先設(shè)定的焊點(diǎn)數(shù)量之后，機(jī)器人通過自動調(diào)用修磨程序進(jìn)行機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨工作的技術(shù)。首先機(jī)器人退出點(diǎn)焊工作，通過把焊鉗電極移動到修磨機(jī)的修磨刀頭兩側(cè)來實(shí)現(xiàn)，隨后機(jī)器人夾緊上電極和下電極，使兩個電極和修磨機(jī)的雙面刀片做到同時(shí)接觸進(jìn)行修磨工作。機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨技術(shù)主要應(yīng)用于汽車制造業(yè)焊裝領(lǐng)域中，通過從機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨技術(shù)的相關(guān)要點(diǎn)，常見問題和解決方案三方面入手深入探討機(jī)器人修磨鑄鋼件的應(yīng)用。

1.1 機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨要點(diǎn)

因?yàn)樵跈C(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨工作中主要是利用機(jī)器人自動調(diào)用修磨程序，調(diào)用修磨機(jī)工作的，當(dāng)修磨機(jī)的刀頭開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，對切削進(jìn)行時(shí)間設(shè)置，電極端面上的壓堆變形和表面氧化層都被修掉得到修磨后的新表面。因此在機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨工作中電極修磨的質(zhì)量的高低取決于機(jī)器人修磨程序指令的好壞。

所以機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨要點(diǎn)中首先要確保電極的位置和角度。應(yīng)該把固定電極移動到修磨機(jī)刀頭處。電極端頭中心在盡可能和刀頭中心對準(zhǔn)的同時(shí)，也要保證電極端頭中心和刀頭的刀片不能直接接觸，應(yīng)該保留5-10mm的距離。接下來調(diào)整焊鉗，電極的軸線應(yīng)該盡可能和修磨機(jī)刀頭保持垂直。然后對焊鉗可動電極軸進(jìn)行驅(qū)動，在可動電極通過適當(dāng)移動接近刀頭的同時(shí)，讓可動電極的端頭中心和刀頭中心調(diào)整至對準(zhǔn)。只有上下電極和修磨機(jī)刀頭對正和垂直的情況下才能保證電極修磨質(zhì)量滿足制造加工要求。

機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨要點(diǎn)中其次要確保上下電極夾緊時(shí)對修磨機(jī)刀頭的加壓力要適當(dāng)，不然加壓力過小會導(dǎo)致機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨的修磨效果不好，更為嚴(yán)重時(shí)還會導(dǎo)致電極在刀頭上振動;加壓力過大會導(dǎo)致機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨的修磨機(jī)旋轉(zhuǎn)阻力增加，造成旋轉(zhuǎn)緩慢甚至停轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，與此同時(shí)加壓力過大也會對刀片造成損傷。機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨要點(diǎn)中最后要確保修磨時(shí)間合適。機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨中一般都是控制修磨時(shí)間而不是直接控制修磨機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。修磨機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)可以間接通過修磨機(jī)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行大致?lián)Q計(jì)算得到。

1.2 機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨常見問題

機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨常見問題包括有電極端面未修磨、電極端面修偏、修磨機(jī)刀片損壞和塞屑等四種。其中電極端面未修磨是指在機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨后在圓錐表面修磨出新表面，或者端面修磨不符合要求甚至于根本沒有修磨到的情況。電極端面修偏通常情況下是由于電極中心和修磨機(jī)刀頭中心的對正出現(xiàn)了問題。修磨機(jī)刀片損壞這一問題通常發(fā)生于多刃刀頭的刀片中，對于單刃刀頭的刀片不常見。塞屑是指修磨機(jī)的刀頭在經(jīng)過多次修磨加工后，有時(shí)候會發(fā)生被切削掉的電極銅屑掉落到刀頭的排屑孔中并堵塞的情況，塞屑問題會進(jìn)一步引發(fā)電極端頭和修磨刀片的接觸不良問題，影響到電極修磨質(zhì)量。

1.3 機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨解決方案

針對上述四種在機(jī)器人點(diǎn)焊電極修磨中常出現(xiàn)的問題分別提出對應(yīng)的解決方案如下：第一，電極端面未修磨問題通過對電極端面在焊接中的壓堆進(jìn)行調(diào)整實(shí)驗(yàn)和及時(shí)處理便可以得到改善和緩解;對修磨時(shí)上下電極加壓力不足進(jìn)行調(diào)整實(shí)驗(yàn)和及時(shí)處理也可以改善和緩解電極端面未修磨問題。第二，電極端面修偏問題通過示教調(diào)整機(jī)器人修磨時(shí)的姿態(tài)，對電和刀頭不對中，不垂直問題進(jìn)行修正后便可以解決這一修偏問題。第三，修磨機(jī)刀片損壞問題通常是采取保證電極的位置和角度，預(yù)先轉(zhuǎn)動修磨機(jī)，加壓力時(shí)不過大也不過小等措施進(jìn)行解決的。第四，塞屑問題可以在已經(jīng)明確修磨時(shí)間后，把總修磨時(shí)間分為兩次進(jìn)行修磨來改善，這樣可以保證切削掉的切屑不會太長太多，可以兩次修磨之間刀頭的空轉(zhuǎn)過程中把切屑甩出。

2? 機(jī)器人修磨在民機(jī)維修業(yè)的應(yīng)用

通過從航空領(lǐng)域內(nèi)的機(jī)器人修磨應(yīng)用入手，對機(jī)器人修磨鑄鋼件的應(yīng)用進(jìn)行深入探討。在航空領(lǐng)域內(nèi)，飛機(jī)的渦輪發(fā)動機(jī)葉片工作環(huán)境惡劣，長期處于高溫、高壓和高速轉(zhuǎn)動的工作環(huán)境中，導(dǎo)致飛機(jī)的渦輪發(fā)動機(jī)葉片極易出現(xiàn)損傷。通過借助于先進(jìn)的修理技術(shù)進(jìn)行渦輪發(fā)動機(jī)葉片的缺陷和損傷修復(fù)，可以延長葉片的使用壽命和增強(qiáng)葉片的可靠性，進(jìn)一步減少葉片更換的頻率，對于航空公司而言這是一筆可觀的經(jīng)濟(jì)收益。目前在國內(nèi)，航空公司進(jìn)行葉片維修時(shí)采取的方法通常都是人工手動打磨修復(fù)，但是人工手動打磨修復(fù)的修復(fù)精度差并且工作效率十分低。因此通過研發(fā)自動打磨修復(fù)機(jī)器人并應(yīng)用到民機(jī)維修業(yè)中，通過機(jī)器人的自適應(yīng)打磨加工方法有助于解決上述問題。

現(xiàn)有的自動化修磨設(shè)備主要分為機(jī)床打磨和機(jī)器人打磨兩種。其中機(jī)床打磨雖然效率高，但是其通用性不強(qiáng)，并且價(jià)格昂貴。而機(jī)器人打磨不僅有著高程度的自動化，強(qiáng)的可控性，并且易于拓展，通用性強(qiáng)，在制造加工成本上更為便宜，相比較之下，自動化修磨設(shè)備中機(jī)器人修磨的可行性更高。在民機(jī)維修業(yè)中機(jī)器人修磨設(shè)備包括有以下幾個組成部分，分別是：機(jī)器人、傳感器固定座、力傳感器、固定底座、電動打磨機(jī)和位移傳感器。

在進(jìn)行民機(jī)維修業(yè)中使用機(jī)器人修磨設(shè)備來打磨飛機(jī)零部件時(shí)，為了滿足飛機(jī)零部件打磨的質(zhì)量要求需要明確以下幾點(diǎn)。首先由于機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合性、高非線性等特點(diǎn)，所以機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)和外界環(huán)境之間的接觸問題處理起來十分復(fù)雜，要考慮到這種和外界環(huán)境之間的接觸會導(dǎo)致機(jī)器人的自由度減少，與此同時(shí)這種和外界環(huán)境之間的接觸還會給機(jī)器人帶來反作用力，甚至當(dāng)這種反作用力過大時(shí)，機(jī)器人和被加工的零部件都會發(fā)生損壞?；谏鲜鲈?，民機(jī)維修業(yè)中使用的機(jī)器人修磨設(shè)備必須對接觸環(huán)境具有順從能力，而這種對接觸環(huán)境具有順從能力被稱為機(jī)器人的柔順控制技術(shù)。機(jī)器人的良好的柔順控制技術(shù)有助于機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在特定接觸環(huán)境下對力高度的控制準(zhǔn)確性。

為了解決機(jī)器人的柔順控制技術(shù)這一難題，目前學(xué)術(shù)界的解決方案分為被動柔順控制和主動柔順控制兩種。其中被動柔順控制借助于一些可以實(shí)現(xiàn)吸收或儲存能量的機(jī)械器件，如彈簧、阻尼等，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在工作環(huán)境中的能量存儲和釋放。但是被動柔順控制存在無法根除機(jī)器人的高剛度與高柔順性之間的矛盾，適用能力差，自身不具有控制能力，無法讓機(jī)器本身產(chǎn)生對力的反應(yīng)動作等諸多問題。其中機(jī)器人主動柔順控制是一種通過力控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)零件打磨的機(jī)器人，它可以對一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲和分析，然后進(jìn)行對飛機(jī)零部件的拋光和打磨工作，并且主動柔順控制技術(shù)下的機(jī)器人修磨質(zhì)量符合加工要求。

3? 機(jī)器人修磨在焊縫中的應(yīng)用

通過從焊接行業(yè)內(nèi)的機(jī)器人焊縫修磨應(yīng)用入手，對機(jī)器人修磨鑄鋼件的應(yīng)用進(jìn)行深入探討。焊縫自動修磨系統(tǒng)的組成包括有機(jī)器人系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、焊縫自動修磨系統(tǒng)三大部分，其中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)器人系統(tǒng)，并且機(jī)器人系統(tǒng)在激光掃描系統(tǒng)的配合下完成內(nèi)、外焊縫軌跡的掃描工作，接下來焊縫自動修磨系統(tǒng)會對掃描出的焊縫軌跡進(jìn)行修磨，修磨工作完成后，激光掃描系統(tǒng)掃描并且上傳剩余焊縫的高度和寬度數(shù)據(jù)。焊接行業(yè)內(nèi)的機(jī)器人焊縫修磨技術(shù)在具體的實(shí)際操作過程中分為兩大步驟，分別是尋找焊縫和自動修磨。

其中的尋找焊縫具體流程為：運(yùn)管小車把鋼管運(yùn)送到修磨崗位，然后機(jī)器人接收到鋼管到位信號后，開始沿設(shè)定好的路徑進(jìn)行運(yùn)動，通過傳感器感應(yīng)判斷是否到管端，如果到管端后機(jī)器人停止運(yùn)動，掃描儀進(jìn)行焊縫的掃描檢測檢測。其中的自動修磨具體流程為：在上一步驟找到焊縫之后，掃描儀通過程序預(yù)先設(shè)置好的路徑進(jìn)行掃描，并對掃描到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。在掃描儀完成掃描記錄工作之后，機(jī)器人進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切換磨頭，開始修磨焊縫的工作，在機(jī)器人焊縫修磨中機(jī)器人會按照掃描儀掃描出的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動修磨。最后會使用掃描儀進(jìn)行再次掃描焊縫，這一步驟的目的是對焊縫數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄來判斷修磨后的焊縫數(shù)據(jù)是否滿足工藝要求。

焊接行業(yè)內(nèi)的機(jī)器人焊縫自動修磨系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅對裝備自動化水平、裝備智能化水平進(jìn)行了大幅度的提升，與此同時(shí)也極大的降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，提升了修磨的自動化水平，減少了人為因素的干預(yù)，得到了更加準(zhǔn)確的底層數(shù)據(jù)。

4? 結(jié)語

隨著各種精密設(shè)備和工具在國民經(jīng)濟(jì)的各個行業(yè)中生產(chǎn)或使用的頻率愈發(fā)頻繁，在這些精密設(shè)備和工具的生產(chǎn)制造和加工中使用最為廣泛且頻繁的修磨技術(shù)得到了眾多研究者的重視。但是傳統(tǒng)的修磨技術(shù)因?yàn)樯a(chǎn)效率慢，容易因?yàn)槿斯さ氖韬龊托傅?dǎo)致較大的制造誤差，造成產(chǎn)品質(zhì)量的參差不齊，并且工作量大，工作環(huán)境差，過大的人工成本投入給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)等缺點(diǎn)無法滿足日益增長的生產(chǎn)要求，所以進(jìn)行機(jī)器人修磨鑄鋼件相關(guān)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論研究價(jià)值。機(jī)器人修磨技術(shù)有助于提升裝備自動化水平和裝備智能化水平，減少人為因素的干預(yù)，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

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