淺析重型自動(dòng)化打磨工作站研究與運(yùn)用

李沛海，甘能，周玉濤，王遠(yuǎn)瑾

（中國(guó)船舶重慶長(zhǎng)征重工有限責(zé)任公司，重慶 400083）

在傳統(tǒng)制造行業(yè)，打磨拋光是最基礎(chǔ)的一道工序，它能減少零部件的應(yīng)力集中，提高零件的使用壽命，提升產(chǎn)品外觀質(zhì)量。打磨也能保證產(chǎn)品粗糙度、尺寸精度等技術(shù)要求，能保證零部件的后續(xù)加工生產(chǎn)。但由于受產(chǎn)品自身狀態(tài)和技術(shù)要求限制，大多數(shù)打磨還是采用人工打磨方式，打磨工人手持式電動(dòng)、氣動(dòng)磨削機(jī)、角磨機(jī)等工具進(jìn)行打磨作業(yè)。打磨過(guò)程中，產(chǎn)生大量的粉塵和噪聲，對(duì)環(huán)境和員工均帶來(lái)危害，同時(shí)打磨作業(yè)的人力成本一直很高，且打磨質(zhì)量主要憑借工人技能保證，故生產(chǎn)效率較低，品質(zhì)穩(wěn)定性也較差。為了獲得更好的產(chǎn)品品質(zhì)以及更高的生產(chǎn)效率，傳統(tǒng)的人工焊縫打磨作業(yè)急需革新。

隨著計(jì)算機(jī)、傳感器和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人越來(lái)越多地應(yīng)用到打磨加工系統(tǒng)中，與人工打磨相比，機(jī)器人打磨準(zhǔn)確度更高，磨削量更大，在保證產(chǎn)品的一致性和精度的前提下，能夠有效降低成本。特別是對(duì)于打磨量較大的零部件而言，采用機(jī)器人打磨能極大地提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品制造周期。

目前，城市軌道交通地鐵車輛的關(guān)鍵部件——轉(zhuǎn)向架，其構(gòu)架主要通過(guò)鋼板焊接而成，當(dāng)焊接完成后，焊縫部位留有余高。為保證轉(zhuǎn)向架受力可靠，需對(duì)焊縫進(jìn)行打磨處理，消除應(yīng)力集中，避免構(gòu)架從棱角處開(kāi)裂，從而延長(zhǎng)構(gòu)架的壽命。

為滿足地鐵轉(zhuǎn)向架焊縫打磨，采用機(jī)器人自動(dòng)化打磨，由于設(shè)計(jì)出自動(dòng)化打磨工作站，工作站采用力控打磨裝置，在打磨過(guò)程中通過(guò)對(duì)力和位置同時(shí)進(jìn)行控制，保證打磨的精度；通過(guò)多點(diǎn)尋找、自適應(yīng)循環(huán)等技術(shù)，消除了產(chǎn)品由于焊接變形、組裝誤差、焊縫余高不一致等因素產(chǎn)生的影響。

1 硬件設(shè)備的集成

重型自動(dòng)化打磨工作站主要由多軸機(jī)器人本體、控制器、打磨裝置、變位機(jī)、檢測(cè)工具等組成。為了提升打磨的實(shí)用性，采用了砂帶輪打磨工具和千葉片打磨工具兩種打磨工具，能夠?qū)Σ煌嵌?、大小的焊縫進(jìn)行打磨，其中砂帶輪打磨工具主要對(duì)平焊縫進(jìn)行打磨，而千葉片打磨工具主要針對(duì)角焊縫、弧焊縫進(jìn)行打磨。圖1為重型自動(dòng)化打磨工作站的整體布局圖。

圖1 重型自動(dòng)化打磨工作站整體布局圖

1.1 多軸機(jī)器人

結(jié)合大磨削量需求和打磨工具重量，選擇了額定載荷為210kg的KUKA KR 210多軸機(jī)器人，該機(jī)器人最大作用范圍為2700mm，重復(fù)定位精度為0.06mm，可覆蓋產(chǎn)品尺寸和打磨需求。

1.2 檢測(cè)裝置

在實(shí)際生產(chǎn)中，零部件因組裝誤差、焊接變形等因素易導(dǎo)致打磨質(zhì)量不能滿足要求，甚至損傷工件，此時(shí)，需對(duì)這類誤差進(jìn)行識(shí)別和補(bǔ)償。檢測(cè)裝置的作用是在打磨前測(cè)量工件關(guān)鍵點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向的誤差，通過(guò)測(cè)量出的誤差補(bǔ)償修正打磨軌跡。

1.3 打磨工具

打磨工具有砂帶輪打磨工具和千葉片打磨工具兩種，由于地鐵構(gòu)架橫梁組成中存在大量的平直焊縫，選擇砂帶輪打磨工具能保證打磨質(zhì)量的同時(shí)提高打磨效率，而對(duì)于角焊縫、環(huán)焊縫等不太規(guī)則位置的焊縫，選擇千葉片打磨工具能滿足作業(yè)需求。打磨工具裝有力位控制位置，可對(duì)轉(zhuǎn)速、下壓力、打磨行程進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，從而滿足不同打磨工藝參數(shù)需求。

1.4 變位機(jī)及夾持工裝

根據(jù)所需打磨零部件的結(jié)構(gòu)、打磨位置、重量等因素，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的夾持工裝和變位機(jī)。同時(shí)，變位機(jī)具備和機(jī)器人聯(lián)動(dòng)的功能，通過(guò)和機(jī)器人聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的焊縫打磨。

2 關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1 多點(diǎn)尋找技術(shù)

多點(diǎn)尋找技術(shù)主要是通過(guò)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)，主要解決打磨前零部件之間的位置誤差。通過(guò)多點(diǎn)尋位識(shí)別零部件裝夾后的空間位置和所需打磨焊縫位置及磨削余量，作為機(jī)器人打磨路徑的輸入，最終達(dá)到打磨要求，保證打磨精度。其打磨流程如圖2所示。

圖2 多點(diǎn)尋找流程圖

2.2 自適應(yīng)循環(huán)技術(shù)

打磨作業(yè)是一項(xiàng)多次往復(fù)的磨削過(guò)程，自適應(yīng)循環(huán)打磨技術(shù)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)打磨，直至滿足打磨要求時(shí)停止。在打磨過(guò)程中，根據(jù)檢測(cè)裝置初賦值、力位傳感器及機(jī)器人空間位置，自動(dòng)判斷、對(duì)比磨削余量，若未達(dá)到余量要求值則自動(dòng)重復(fù)打磨，直至余量達(dá)標(biāo)為止。其打磨流程如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)循環(huán)打磨流程圖

3 打磨實(shí)例與結(jié)果

本文以某地鐵構(gòu)架橫梁組成作為主要打磨對(duì)象，該橫梁組成需進(jìn)行打磨焊縫長(zhǎng)度約12500mm，實(shí)際生產(chǎn)中，該機(jī)器人能完成的打磨焊縫為5900mm，占整個(gè)焊縫的47.2%。并與人工打磨進(jìn)行對(duì)比，打磨效率是人工的10倍。圖4為自動(dòng)化打磨工作站對(duì)地鐵橫梁組成和某鋼結(jié)構(gòu)焊縫打磨作業(yè)后外觀。

圖4 自動(dòng)化打磨工作站打磨后打磨部分外觀圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)介紹了重型自動(dòng)化打磨工作站，通過(guò)選擇合適的機(jī)器人，打磨工具、檢測(cè)裝置等器件對(duì)產(chǎn)品及零部件進(jìn)行大磨削量打磨作業(yè)，并在打磨過(guò)程中運(yùn)用多點(diǎn)尋找技術(shù)和自適應(yīng)循環(huán)技術(shù)，保證打磨的精度和效率。通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)反饋，重型自動(dòng)化打磨工作站能極大提升效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境，為企業(yè)創(chuàng)造效益。