手機中框機器人濕式精密打磨開發(fā)與應用*

湯愛軍，諸進才，張建剛，張 鋒，李雪成

（1.深圳市裕展精密科技有限公司，廣東 深圳 518110；2.廣州鐵路職業(yè)技術學院，廣州 510430）

0 引言

打磨是手機金屬中框表面處理重要工序之一，其關系到產(chǎn)品的最終外觀和品質(zhì)。打磨的安全性、效率和良率，也直接決定產(chǎn)品表面處理制程的可行性和成本。目前業(yè)界手機中框、外殼等金屬件打磨，多采用人工干式打磨，除了存在效率不高和良率低等問題，更嚴重的是存在兩大安全隱患：塵肺和塵爆[1-2]。近幾年來，出現(xiàn)了一些新的代替人工干式打磨拋光方式，如磁性研磨、流體拋光和滾筒研磨等，雖然效率高，且不產(chǎn)生干式粉塵，但設備體積大，設備價格高，耗材成本高，導致產(chǎn)品加工成本高。也曾嘗試用機器人代替人工進行打磨拋光[3]，并利用安全水簾柜解決干式粉塵塵爆問題[4]，但仍不是絕對的安全解決方案，因為該方案只是排除了干式粉塵沉積堆積的隱患。

隨著3C產(chǎn)品的更新迭代速度越來越快，產(chǎn)品研發(fā)和制造周期越來越短，且對產(chǎn)品外觀品質(zhì)要求越來越高，而中國作為制造大國，隨著我國人口紅利逐漸消失，人工成本不斷上升，工人難招募，并且工人對于工作環(huán)境的安全性及舒適性要求越來越高。因此，開發(fā)利用機器人代替人工進行精密打磨，并且是絕對安全的濕式打磨，實現(xiàn)打磨全自動化，是手機制造企業(yè)急需解決的問題，也是企業(yè)生產(chǎn)制造模式創(chuàng)新、自動化升級改造的迫切需求[5]。

1 機器人濕式精密打磨系統(tǒng)開發(fā)

圖1所示為一款手機金屬中框，鋁合金材質(zhì)。外側3D面CNC加工后，留下較深的刀紋，需要打磨去除刀紋，降低粗糙度，為后面的拋光制程作準備。

圖1 手機金屬中框示意圖

改善前，該產(chǎn)品為人工打磨。工人用手持式標準氣動風磨機，如圖2所示，配合砂紙，進行手機中框打磨。人工打磨存在如下幾個問題：（1）對工人的打磨技術要求高，良率低，僅約65%；（2）手機中框?qū)儆诖笈可a(chǎn)，人工打磨自動化程度低，工人投入數(shù)量大；（3）人工生產(chǎn)效率低，CT約300 s；（4）打磨存在粉塵、噪聲和振動等，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，勞動強度高，易造成工人職業(yè)病，人員流失率高；（5）更重要的是，人工打磨產(chǎn)生的鋁合金粉塵存在塵爆的工業(yè)安全隱患。因此，急需提出代替人工生產(chǎn)的自動化創(chuàng)新生產(chǎn)方案，并且能杜絕塵爆風險，保證工業(yè)安全。

圖2 手持式氣動風磨機

1.1 自動化執(zhí)行主體設備方案優(yōu)選

目前打磨除了人工，常用的方案還有數(shù)控打磨專用設備，如圖3所示，還有越來越受自動化應用青睞的六軸工業(yè)機器人，如圖4所示。數(shù)控打磨專用設備生產(chǎn)效率較高，但成本投入也較大，產(chǎn)品開發(fā)及成本回收周期長，并且由于產(chǎn)品適應性較差，只適合特定形狀產(chǎn)品大批量的打磨作業(yè)[6-7]。當前手機產(chǎn)品更新?lián)Q代快，且多是少量多樣的柔性生產(chǎn)，所以專用打磨設備難以勝任。

圖3 打磨專用機

圖4 六軸工業(yè)機器人

六軸工業(yè)機器人是標準化模組化自動化的機電一體化設備，可完全模仿人工手工作業(yè)手法實現(xiàn)產(chǎn)品打磨拋光。其屬于彈性自動化設備，柔性好，產(chǎn)品發(fā)生變化設備也可重復利用；甚至制程變化，機器人作為主設備，可搭配其他周邊設備繼續(xù)延用。近年來，越來越多的機器人搭配傳統(tǒng)的各種打磨拋光方式的研究，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應用[8-10]。因此，綜合比較，自動化執(zhí)行主體設備項目組優(yōu)選六軸工業(yè)機器人。

本文按實際工況、負載及打磨動作范圍，選擇公司自主研制的A1200六軸工業(yè)機器人，如圖4所示。機器人最大負載：10 kg；臂長：1200 mm；重復定位精度：±0.02 mm；適用于打磨拋光、上下料、搬運、裝配等。

1.2 精密打磨機設計

目前市場上的氣動打磨工具多為人工手工打磨機，如圖2所示。該產(chǎn)品塑料外殼，精度差，難于精準固定，安裝后由于打磨振動易松動，因此不適用于機器人自動精密打磨。本文優(yōu)化設計開發(fā)適用于機器人自動打磨精密氣動打磨機，如圖5所示。主要改善設計包括：（1）外形結構定位安裝面精度；（2）氣動馬達偏心軸動平衡和振動頻率分析；（3）減小摩擦阻力；（4）減小噪聲；（5）防水改善設計。

圖5 自制精密氣動打磨機

其中氣動馬達偏心軸動平衡和振動頻率分析是重點，本文利用ANSYS進行頻率分析[11]，圖6～9所示為模擬仿真結果，結果顯示馬達偏心軸XYZ方向的共振頻率約7500 Hz，不在該產(chǎn)品打磨常用的打磨速度600～1200 r/min對應的10～20 Hz頻段之間，所以可以確認偏心軸設計可行。

圖6 偏心軸仿真分析坐標定義

圖7 X方向頻率

圖8 Y方向頻率

圖9 Z方向頻率

最終項目組設計開發(fā)的精密氣動打磨機，打磨機安裝面平面度0.02 mm，打磨底盤Z向震動跳動小于±0.1 mm，整機高度公差±0.1 mm，上下面平行度0.1 mm；氣動馬達轉(zhuǎn)動順暢，最小起動氣壓為0.2 MPa，最高轉(zhuǎn)速可達12000 r/min，無異音，還具有一定的防塵防水功能。經(jīng)測試驗證，達到機器人精密打磨使用要求，平均壽命達6個月以上。

1.3 打磨頭安裝方向優(yōu)選設計

依打磨動作軌跡要求及機器人動作原理集成打磨頭，其通常有兩種安裝方式：（1）打磨機搓動方向垂直于機器人六軸，如圖10所示；（2）打磨機搓動方向平行于機器人六軸，如圖11所示。

圖10 打磨機搓動方向垂直于機器人六軸

圖11 打磨機搓動方向平行于機器人六軸

集成打磨頭安裝方式一的優(yōu)勢是可利用機器人六軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)整個產(chǎn)品連續(xù)打磨。不足之處是打磨力產(chǎn)生的力矩較大，對機器人五軸組件，包括減速機、軸承、馬達等，存在的損傷風險加大。而安裝方式二的優(yōu)勢是不存在打磨力對五軸組件損傷風險。缺點是單純靠機器人，無法實現(xiàn)產(chǎn)品整圈周面的連續(xù)打磨。本文創(chuàng)新地設計開發(fā)了一種可用于產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)的第七軸，搭配六軸機器人實現(xiàn)七軸聯(lián)動。該方案既實現(xiàn)了產(chǎn)品整圈周面連續(xù)打磨，又避免了打磨力矩對機器人五軸組件損傷的風險。并且本方案所采用的高精度旋轉(zhuǎn)軸與機器人配合可實現(xiàn)精密打磨，機器人僅需要做打磨所需的搖擺和前后搓動動作，相比方案一僅靠機器人走打磨軌跡，更精密，更有利于產(chǎn)品高品質(zhì)打磨。

1.4 打磨粉塵工業(yè)安全防患消除創(chuàng)新解決方案

當前人工打磨多采用干式打磨，打磨會產(chǎn)生粉塵，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，對工人存在塵肺等職業(yè)病危害。而且像鎂鋁合金等易燃易爆粉塵，如果密閉空間堆積和揚塵濃度達到一定程度，遇到火源的情況下，即可能會產(chǎn)生塵爆和二次爆炸。塵爆發(fā)生的3個必要條件是在密閉空間一定濃度的干式易燃易爆粉塵、氧氣和起火點。氧氣天然存在，起火點是意外因素，而人工打磨干式飄浮粉塵的產(chǎn)生，是塵爆工業(yè)安全的最危險的安全隱患。消除粉塵工業(yè)安全隱患，常用的方法是粉塵收集打磨臺[6,12]或安全水簾柜[4]，這些方案是對干式粉塵濕式沉積浸泡和收集，還不是絕對的安全解決方案，且對設備要求較高，占地面積較大，成本高。

驗證開發(fā)濕式打磨方案，即與耗材廠商一起開發(fā)水性砂紙，打磨時直接噴淋打磨液，使干式打磨變成濕式打磨，從源頭上杜絕了干式粉塵的產(chǎn)生，完全杜絕了塵爆的安全隱患，實現(xiàn)了絕對的工業(yè)安全，也改善了車間的工作環(huán)境。項目組設計開發(fā)的水循環(huán)裝置，如圖12所示。

圖12 水循環(huán)裝置

打磨液經(jīng)過打磨臺水槽內(nèi)的第一級過濾棉（30μm）流入打磨液循環(huán)裝置，進入水箱前，先后經(jīng)過第二級過濾棉（10μm）和第三級過濾棉（5μm），才流入攪拌水箱，由攪拌水泵抽出到打磨噴淋頭。三級過濾，過濾顆粒由大到小，逐級過濾，可有效過濾雜質(zhì)和大顆粒打磨顆粒，且打磨液還可對打磨面起沖刷冷卻降溫、潤滑作用，提升打磨品質(zhì)。

為保證多路水的較大流量供給，確保打磨過程打磨顆粒的沖刷效率，水泵選用臺灣斯特爾泵浦，型號：SPC8-25，功率：770 W，最大流量240 L/min，最大揚程：16 m。優(yōu)化水路，可供4根φ10的噴液管同時噴液，且每根噴液管水流量大于或等于13 L/min；制作鈑金材料為：SUS304，t=2 mm，工藝要求：折彎滿焊烤漆，不漏水，整體美觀。

2 機器人濕式精密打磨應用

系統(tǒng)整合以上核心功能零部件設計，以及其他功能部件，包括自動撕換砂紙機構、雙工位移動滑臺和具有密封防水功能的科技感外觀設計等，完成了以六軸工業(yè)機器人A1200為核心的手機中框自動濕式精密打磨系統(tǒng)，如圖13～14所示。主要功能模組包括六軸工業(yè)機器人、三工位集成精密打磨頭、雙工位移動滑臺和產(chǎn)品定位裝夾治具、水循環(huán)裝置、自動撕換砂紙機構以及鑄鐵底座和科技感外觀機罩等等。

圖13 機器人打磨方案整體外觀

圖14 機器人打磨設備功能模組

通過實驗驗證，優(yōu)化得到了適用于鋁合金手機中框濕式打磨的各種工藝參數(shù)及水平，實現(xiàn)用機器人濕式打磨代替人工干式打磨，確保工業(yè)安全的同時，CT降至180 s，生產(chǎn)效率提升了66%，一次良率也提升了30%至95%。該設備在公司得到大量應用推廣，如圖15所示，產(chǎn)生了良好的有形經(jīng)濟效益和無形經(jīng)濟效益。

圖15 機器人濕式精密打磨設備批量制作應用推廣

3 結束語

針對當前手機中框人工干式打磨存在的效率不高和良率低等問題，特別是存在塵肺和塵爆兩大安全隱患，項目組系統(tǒng)整合自動打磨主體優(yōu)選設計，適用于機器人濕式打磨的精密打磨機設計，集成打磨頭安裝方式優(yōu)化設計，濕式打磨驗證開發(fā)，以及打磨液循環(huán)裝置設計等，完成機器人濕式精密打磨系統(tǒng)開發(fā)。實驗驗證開發(fā)確認，該機器人濕式精密打磨系統(tǒng)，可有效代替人工干式打磨，確保工業(yè)安全的同時，生產(chǎn)效率和良率分別提升了66%和30%，在公司得到大量應用推廣，并對其他制程的自動化升級改造產(chǎn)生了創(chuàng)新引領作用，具有良好的有形經(jīng)濟效益和無形經(jīng)濟效益。