面向拋光打磨工藝過程的機器人成套系統(tǒng)設(shè)計

曾 輝 崔云從 夏富生

（1.埃夫特智能裝備股份有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.香港中文大學(xué)，香港 99907；3.安徽工程大學(xué)人工智能學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)機器人不再局限于搬運、噴涂及焊接這些簡單重復(fù)的作業(yè)，而是逐漸向著銑削、鉆孔、磨削等精密切削的加工領(lǐng)域進行過渡[1-2]。隨著航空航天、高鐵、大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及交通運輸?shù)刃袠I(yè)高速發(fā)展，裝配環(huán)節(jié)需要大量的磨削、銑削、拋光等精密切削加工的工件，通常傳統(tǒng)的數(shù)控加工中心體積龐大，不方便運輸，無法滿足大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場加工的需求[3]。裝配所需的零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，人工打磨拋光成本很高但加工精度卻不高。因此使用機器人對零部件拋光打磨可以大大降低其表面粗糙度，提高其表面質(zhì)量。該文對機器人拋光打磨工藝及成套系統(tǒng)研制進行更加深入的研究。

1 總體方案設(shè)計

該方案是針對機器人對水龍頭的外表進行拋光打磨工藝過程的成套系統(tǒng)的設(shè)計。使用埃夫特型號為ER50 的機器人，夾取水龍頭工件（見圖1）在砂帶機配合下對60#、180#、400#及800#砂帶進行打磨。

圖1 工件模型

整個系統(tǒng)（見圖2）中使用5 臺砂帶機及2 臺ER50 機器人，放置于2 個除塵房中。在1 號除塵房中，配置了1 臺機器人及3 臺砂帶機，其中2 臺砂帶機進行60#砂帶的打磨工序，第3 臺進行180#砂帶的工件打磨；在2 號除塵房中配置了1 臺機器人及2 臺砂帶機，進行400#及800#砂帶的工件打磨。

圖2 機器人拋光打磨系統(tǒng)

除塵房中都配置了抽風(fēng)除塵系統(tǒng)，收集拋光打磨產(chǎn)生的金屬粉末，控制污染，并實現(xiàn)廢料回收利用。

2 個除塵房中間為工人作業(yè)區(qū)，配置1 臺普通砂帶機和1 名工人，該工人負責(zé)60#、180#砂帶打磨后產(chǎn)品的質(zhì)量檢查及修磨。由于鑄件毛坯的質(zhì)量不穩(wěn)定，不同的工件可能在不同位置存在砂眼、氣孔等鑄造缺陷，為了保證每個工件的表面質(zhì)量[4-5]，該系統(tǒng)采用人工檢測的方法進行質(zhì)量控制及修磨。

1.1 砂帶機設(shè)計

該砂帶機（見圖3 和圖4）使用3 個膠輪及1 個鋁輪，帶動砂帶進行打磨。傳動方式上，該砂帶機使用電機直接拖動驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)（見圖5），從而帶動砂帶運動。

圖3 砂帶機模型

圖4 砂帶機模型（無防塵罩）

圖5 電機直接帶動驅(qū)動輪

為了保證砂帶的張緊力，以及防止砂帶跑偏，設(shè)計了張緊調(diào)偏機構(gòu)（見圖6），通過氣缸頂出，帶動鋁輪撐緊砂帶。氣缸的壓強使用電氣比例閥調(diào)節(jié)，通過PLC 控制比例閥對砂帶張緊力進行在線調(diào)節(jié)，有利于控制磨削力。

圖6 張緊調(diào)偏機構(gòu)

如圖7 所示，上下砂帶輪的伸出長度可調(diào)節(jié)，從而能調(diào)整砂帶輪、砂帶相對機器人的位姿，以避免打磨過程中帶來的機器人與設(shè)備干涉、機器人關(guān)節(jié)限位等問題，滿足打磨工藝需要。

圖7 砂帶輪安裝

此外，張緊調(diào)偏機構(gòu)的安裝位置亦可調(diào)節(jié)（圖8），以配合砂帶輪不同的伸出長度，避免在調(diào)節(jié)砂帶輪伸出長度后出現(xiàn)砂帶長度不適應(yīng)的問題。

圖8 張緊調(diào)偏機構(gòu)安裝

設(shè)計砂帶輪支撐機構(gòu)（圖9），以解決砂帶輪伸出長度過長帶來的剛度不足問題。

圖9 砂帶輪支撐機構(gòu)

為了實現(xiàn)磨削力的恒力控制，設(shè)計了滑動打磨平臺，搭建力反饋系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用了滑塊導(dǎo)軌機構(gòu)（圖10），令平臺能在機架上滑動，并使用氣缸為滑動打磨平臺施加向前的推力。在滑動平臺氣缸的氣源供應(yīng)上，使用電氣比例閥進行壓力調(diào)節(jié)，使用PLC 進行控制，提高力反饋控制的精度和響應(yīng)速度。

圖10 滑塊導(dǎo)軌機構(gòu)

1.2 夾具及工作及上下料滑臺設(shè)計

針對打磨的水龍頭工件，設(shè)計了夾具（圖11），利用氣缸實現(xiàn)工件的夾緊，在結(jié)構(gòu)方面，即滿足了打磨位姿的需要，也避免了夾具與其他設(shè)備的干涉。

圖11 夾具圖示

設(shè)計了上下料滑臺如圖12，每個除塵房使用2 個，實現(xiàn)毛坯的流入和成品的流出。2 個滑臺輪流作業(yè)，以避免機器人進入待機狀態(tài)。

圖12 上下料滑臺圖示

2 氣路與電控系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計氣路主要是對力反饋（力平衡）氣缸和砂帶張緊氣缸的壓力及動作進行控制，為了降低成本，結(jié)合現(xiàn)場實際使用情況，分時共享電氣比例閥的氣路設(shè)計。

拋光打磨項目電氣控制部分以PLC 為控制核心結(jié)合機器人I/O 信號和外部信號來控制一系列的電動機和氣動電磁閥啟動與停止，形成一個穩(wěn)定、有序的運行系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有“自動運行”和“手動調(diào)試”2 種工作模式，這2 種工作模式都是根據(jù)操作面板的選項來確定。系統(tǒng)的控制流程圖如圖13 所示。

圖13 系統(tǒng)的控制流程圖

“自動運行”模式：選定“自動運行”模式，自動運行指示燈被點亮并閃爍，機器人根據(jù)技術(shù)員使用示教盒示教的一系列定點來運動，到達指定的定點后就通過輸入/輸出口給可編程邏輯控制器（下文稱“PLC”）發(fā)出“夾具加緊”、“1 號電機啟動”、“1 號電機停止且2 號電機啟動”、“2 號電機停止且3 號電機啟動”、“結(jié)束信號”等一系列的請求信號，PLC 接收到請求信號后根據(jù)前后優(yōu)先級分別響應(yīng)。該模式下，配合操作面板上的控制按鈕，就可以形成“工人上料”—“機器人定點夾起工件”—“啟動與停止打磨機”—“機器人打磨”—“定位滑臺伸出與收縮”—“工人卸料”的一個自動運行過程。

隨著打磨工件數(shù)量的遞增，掛在打磨機上的砂帶的損耗程度也會越來越嚴重，因此為了延長打磨砂帶的使用壽命保證磨削量和提高工作效率，該系統(tǒng)采用2 種方法來達到此目的。第一，PLC 需要根據(jù)指定完成打磨工件的數(shù)量控制變頻器來調(diào)節(jié)電動機的低、中、高3 檔的轉(zhuǎn)速。第二，運用程序調(diào)節(jié)控制力反饋力度的比例伺服閥的張開度，來調(diào)節(jié)力反饋氣缸的氣壓。

“手動調(diào)試”模式：“手動調(diào)試”模式是在技術(shù)員示教與調(diào)試或者現(xiàn)場出現(xiàn)緊急急停的情況之下來使用。觸摸屏上顯示的所有操作按鈕和數(shù)據(jù)顯示器都跟PLC 的內(nèi)部地址一一對應(yīng)，因此，每操作面板上的每個虛擬按鈕都會對程序產(chǎn)生影響，從而對控制對象進行相應(yīng)地控制。

3 除塵方案設(shè)計

單臺砂帶機使用試驗中的簡易除塵系統(tǒng)（不帶風(fēng)機）如圖14 所示，通過軟風(fēng)管連接匯總到除塵房除塵通風(fēng)口（注：根據(jù)房間除塵的需要，單機簡易除塵系統(tǒng)有修改的可能）。

圖14 除塵示意圖

除塵房使用鐵皮通風(fēng)管道，接入廠區(qū)的除塵系統(tǒng)，使用導(dǎo)風(fēng)板進行風(fēng)流導(dǎo)向，提高除塵效果。存在部分粗粉，無法抽走（預(yù)計主要降落在砂帶機集塵盒上），需要工人定期進房內(nèi)清掃。

4 實驗方案

僅針對型號T1T656 水龍頭，操作流程如下。

開啟設(shè)備總開關(guān)，大約需要 5min 完成機器人系統(tǒng)啟動；1、2 號滑臺滑到除塵房外，工人將工件擺到1、2 號滑臺上，每個滑臺12 個，共24 個，預(yù)計耗時3min，擺置完成機器人完成啟動。

開啟系統(tǒng)作業(yè)開關(guān)，自動化打磨開始，機器人自動夾取1 號滑臺工件，進行工件打磨，每個水龍頭耗時220s，將耗時44min 完成1 號滑臺工件打磨。

機器人自動夾取2 號滑臺工件開始打磨，1 號滑臺滑出除塵房，工人取下1 號滑臺上的12 個工件置于轉(zhuǎn)運筐里，重新擺上12 個毛坯件，點擊滑臺驅(qū)動按鈕使1 號滑臺進入除塵房中，換件預(yù)計耗時2min，44min 后機器人打磨完2 號滑臺上的工件。

機器人自動夾取1 號滑臺工件開始打磨，2 號滑臺滑出除塵房，工人為1 號滑臺換件，換件完成點擊滑臺按鈕驅(qū)使2 號滑臺進入除塵房，換件預(yù)計耗時2min，44min 后機器人打磨完1 號滑臺上的工件。

重復(fù)上述步驟5）6）。

注：初步實驗顯示，該打磨系統(tǒng)中60mm 寬的砂帶（長4.9m）可打磨工件約100 個（數(shù)量仍可增加，具體數(shù)量待實驗確認），90mm 寬的砂帶（長4.9m）可打磨工件約200 個（具體數(shù)量待實驗確認）。

在循環(huán)步驟7）共3 次，操作者須按下?lián)Q帶暫停作業(yè)按鈕，系統(tǒng)暫停打磨工作，操作者進入除塵房更換60mm×60mm 寬砂帶（預(yù)計耗時3min），回到除塵房外，按下恢復(fù)打磨作業(yè)按鈕，機器人繼續(xù)打磨。

步驟7）再循環(huán)4 次，操作者須按下?lián)Q帶暫停作業(yè)按鈕，系統(tǒng)暫停打磨工作，操作者進入除塵房更換60mm×60mm 寬砂帶及60mm×90mm 寬砂帶（預(yù)計耗時共6min），回到除塵房外，按下回復(fù)打磨作業(yè)按鈕，機器人繼續(xù)打磨。

重復(fù)循環(huán)步驟7）至9）。

每天工作結(jié)束后，停機掃除砂帶機下方集塵盒上的銅粉（部分將無法被風(fēng)機抽走）。

5 客戶需求

每個滑臺每次放工件12 個（3×4），一天內(nèi)可放多次。每天將1、2 號滑臺共承放的384 個工件打磨16 次。

型號T1T656 水龍頭產(chǎn)量大于12000 個/月，取13000 個/月，以每個滑臺放置工件12 個，每天打磨16 次1、2 號滑臺共承放數(shù)量的工件（單純打磨時間為1408min），單套打磨系統(tǒng)日產(chǎn)量384 個/d（產(chǎn)量為11520 個/月），需要約34d完成。

型號T1T656 水龍頭產(chǎn)量約12000+個/月，取13000 個/月，以每個滑臺放置工件10 個，每天打磨18 次1、2 號滑臺共承放數(shù)量的工件（單純打磨時間為22h），單套打磨系統(tǒng)日產(chǎn)量360 個/d（30d 月產(chǎn)量為10800 個/月），需要約37d完成。工序時間分析見表1。

根據(jù)表1 分析可知，該方案單日剩余停機和意外處理時間較長，部分砂帶使用程度達到初步實驗的安全臨界值。拋磨設(shè)備現(xiàn)場照片工作狀態(tài)如圖15 所示。

表1 工序時間分析

圖15 拋磨設(shè)備現(xiàn)場照片

6 結(jié)論

目前，該套面向打磨拋光工藝的機器人成套集成系統(tǒng)運用的場合還有一定的局限性，因為砂帶機結(jié)構(gòu)和自身設(shè)計的緣故，可能會導(dǎo)致上下砂帶輪的伸出長度與理論的伸長長度產(chǎn)生偏差，影響砂帶相對機器人的位姿，在打磨過程中，會使機器人與設(shè)備發(fā)生干涉。砂帶進行拋光磨削剛性不足，也會影響被打磨工件的表面加工質(zhì)量和加工精度。因此，可以進一步完善和改進機器人拋光打磨工藝研究及成套系統(tǒng)，讓設(shè)計成果在磨削拋光的切削加工領(lǐng)域大放異彩。