濕式自動去毛刺單元設(shè)計及應(yīng)用

熊 朝

濕式自動去毛刺單元設(shè)計及應(yīng)用

熊 朝

（陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

隨著我國制造業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量和清潔度要求越來越高，去毛刺已成為制造過程中重要的工藝過程之一。緩速器殼體零件因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生毛刺部位多，多數(shù)產(chǎn)線主要混合采用人工和機床兩種去毛刺形式。手工去毛刺效率低、勞動強度大、工作環(huán)境惡劣，易劃傷工件、易漏去。機床因自由度限制，去毛刺部位有限，同時會占用加工節(jié)拍。而機器人去毛刺具有柔性高、精度高、效率高、環(huán)境要求低、加工空間復(fù)雜、工作時間長、廢品率低等優(yōu)勢，已成為去毛刺領(lǐng)域新趨勢。文章將以一種緩速器殼體濕式自動去毛刺單元為例，從場景要求、機器人選型、工藝流程設(shè)計、打磨系統(tǒng)設(shè)計、夾具及抓手系統(tǒng)設(shè)計、噴淋系統(tǒng)設(shè)計、可編程邏輯控制器控制系統(tǒng)設(shè)計等方面，簡要介紹機器人自動去毛刺單元的設(shè)計思路及應(yīng)用，為類似復(fù)雜殼體自動去毛刺設(shè)備的設(shè)計提供必要的思路借鑒。

機器人系統(tǒng)；打磨工具系統(tǒng)；夾具及抓手系統(tǒng)；噴淋系統(tǒng)；去毛刺技術(shù)

毛刺是金屬零件制造生產(chǎn)過程中的自然現(xiàn)象，直接影響零件的加工質(zhì)量、制造成本、生產(chǎn)效率、使用性能等。在生產(chǎn)制造過程中，去毛刺工藝是制造技術(shù)中的重要組成部分，其工時占機械加工總工時的比例相當大。一般情況下，去毛刺工時占總工時的5％～10％，費用卻占制造加工成本的10％～40％[1-2]。

目前，去毛刺的方法有多種，但我國多數(shù)制造商仍然采取的是人工銼刀、砂紙打磨的方法去毛刺。該工作環(huán)境惡劣，粉塵、噪音污染大，長期工作易產(chǎn)生職業(yè)病。在企業(yè)追求降低成本、提升質(zhì)量、越來越關(guān)注清潔度要求及員工健康的背景下，該方法已不能滿足企業(yè)的需求[3]。機器人去毛刺具有柔性高、精度高、效率高、環(huán)境要求低、加工空間復(fù)雜、工作時間長、廢品率低等優(yōu)點，因而近年來成為去毛刺領(lǐng)域新趨勢。

法士特公司生產(chǎn)的緩速器殼體類零件因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生毛刺部位多，多數(shù)產(chǎn)線主要混合采用人工和機床兩種去毛刺形式。人工去毛刺效率低、勞動強度大、工作環(huán)境惡劣，易劃傷工件、易漏去。機床因自由度限制，去毛刺部位有限，同時會占用加工節(jié)拍。因此，有必要開發(fā)一種去毛刺穩(wěn)定性好、質(zhì)量高、效率高的自動化設(shè)備。本文將以一種已應(yīng)用的緩速器殼體濕式自動去毛刺單元為例，簡要介紹機器人去毛刺單元的設(shè)計思路及應(yīng)用。

1 設(shè)備總體設(shè)計

1.1 應(yīng)用場景及節(jié)拍要求

該設(shè)備需接入數(shù)字化工廠恒溫無塵車間緩速器殼體全自動生產(chǎn)線，占地面積5 m×7 m，主要去除三種類型緩速器鋁合金殼體所有機加工面棱邊和孔口部位毛刺，并具備2個品種混線生產(chǎn)功能，節(jié)拍小于160秒/件。

因車間環(huán)保要求較高，該去毛刺單元設(shè)計為密閉、可觀察、濕式去毛刺單元。所謂濕式去毛刺，是指在整個去毛刺過程中都有冷卻液噴淋在打磨工具或者工件需打磨部位。相比干式去毛刺，濕式去毛刺可以降低去毛刺過程中打磨溫度，不但可以提升打磨工具壽命，而且能有效避免干刷因溫度過高導(dǎo)致工件表面碳化現(xiàn)象，并減少毛刺、鋁粉飛濺，易于設(shè)備內(nèi)部定期清潔。

1.2 確定機器人數(shù)

機器人的高柔性特點使其可以用來搬運工件、持工件打磨或持刀具打磨固定位置工件。緩速器殼體端面曲線輪廓和凸臺面產(chǎn)生毛刺多，因此需采用1大1小共2臺機器人配合工作。大機器人R1負責抓件、轉(zhuǎn)運、持工件在固定刀位處打磨部分毛刺，而小機器人R2持刀具在工件固定處去除剩余部位毛刺；二者可同時進行，互相配合，互不干涉，高效打磨干凈6個面上的所有毛刺。

1.3 工藝流程設(shè)計

工件從上位機（加工中心）通過桁架運送到去毛刺單元，在去毛刺單元內(nèi)完成打磨，最后通過機器人將工件搬運至下位機（清洗機），具體工藝流程安排如表1所示。

1.4 設(shè)備總體布局

根據(jù)功能需要，該設(shè)備通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）控制系統(tǒng)集成了工業(yè)機器人系統(tǒng)、夾具抓手系統(tǒng)、打磨工具系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)等。根據(jù)工藝流程和場地布置要求，最終形成設(shè)備內(nèi)部布局，具體如圖1所示。

表1 去毛刺工藝流程

工位工作內(nèi)容及動作步驟 上料工位1.上序桁架機械手將工件放到上料滑臺托盤上，滑臺上裝有掃碼相機，自動識別工件品種，設(shè)備調(diào)取相應(yīng)工作程序；2.滑臺托盤將工件推送至入料口，工件被定位；3.入料口視覺識別相機再次拍照確認產(chǎn)品型號，引導(dǎo)大機器人R1將已定位工件抓取到設(shè)備內(nèi)部 表1 （續(xù)） 工位工作內(nèi)容及動作步驟 小機器人R2去毛刺工位1.本工位有A和B兩個固定工作臺，上面各一套相同的夾具，可定位夾緊工件，小機器人R2持刀具對工件去除毛刺；2.大機器人R1將工件搬送到此工位空置的A或B工作臺，然后立即將其中一個工作臺上已去完3個面毛刺的工件抓走，搬運至大機器人R1去毛刺工位；3.小機器人R2持刀具打磨3個面上的毛刺，刀具可在刀具庫自動更換 大機器人R1去毛刺工位1.大機器人R1將已經(jīng)過小機器人R2去除部分毛刺的工件搬送到本工位；2.大機器人R1持工件，通過固定在機體上的固定刀具去除剩余3個面毛刺；3.去毛刺結(jié)束后，大機器人R1將工件搬送到下料工位 下料工位1.大機器人R1將去完毛刺工件搬運并放置于下料口工作臺，清洗機機器人將該工件抓走；2.大機器人R1返回上料工位繼續(xù)抓取新工件，開始新循環(huán)

表1 （續(xù)）

工位工作內(nèi)容及動作步驟 小機器人R2去毛刺工位1.本工位有A和B兩個固定工作臺，上面各一套相同的夾具，可定位夾緊工件，小機器人R2持刀具對工件去除毛刺；2.大機器人R1將工件搬送到此工位空置的A或B工作臺，然后立即將其中一個工作臺上已去完3個面毛刺的工件抓走，搬運至大機器人R1去毛刺工位；3.小機器人R2持刀具打磨3個面上的毛刺，刀具可在刀具庫自動更換 大機器人R1去毛刺工位1.大機器人R1將已經(jīng)過小機器人R2去除部分毛刺的工件搬送到本工位；2.大機器人R1持工件，通過固定在機體上的固定刀具去除剩余3個面毛刺；3.去毛刺結(jié)束后，大機器人R1將工件搬送到下料工位 下料工位1.大機器人R1將去完毛刺工件搬運并放置于下料口工作臺，清洗機機器人將該工件抓走；2.大機器人R1返回上料工位繼續(xù)抓取新工件，開始新循環(huán)

圖1 設(shè)備布局圖

2 設(shè)備分系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機器人系統(tǒng)

兩臺機器人均為發(fā)那科機器人，大機器人R1型號為M-710iC/70，持重70 kg，工作半徑為 2 050 mm，小機器人R2型號為M-20iA，持重 20 kg，工作半徑為1 811 mm，1、2、3軸防護等級均為IP65，4、5、6軸防水等級均為IP67，滿足濕式打磨要求。機器人運行由示教器定義運動軌跡，兩機器人通過防碰撞軟件控制避免撞機，機器人和各工位可實現(xiàn)互鎖功能。機器人可根據(jù)設(shè)定的打磨工件數(shù)進行位置補償，保證刀具磨損后仍保持原去毛刺效果。

2.2 打磨工具系統(tǒng)

打磨刀具的選擇和設(shè)計是去毛刺單元關(guān)鍵工藝設(shè)計過程。刀具設(shè)計的合理性直接決定了去毛刺的效率、質(zhì)量、工藝排布合理性及機器人節(jié)拍平衡，直接影響整臺設(shè)備使用性能。常用去毛刺刀具有毛刷和旋轉(zhuǎn)銼[4-5]。毛刷刷去毛刺覆蓋面積大、效率高，但磨損較快。旋轉(zhuǎn)銼去除復(fù)雜曲線輪廓上毛刺、硬毛刺乃至飛邊效果較好，但是如果去毛刺路徑較長，比較占用節(jié)拍。根據(jù)緩速器殼體結(jié)構(gòu)特點和節(jié)拍要求，所有打磨刀具選用盤刷形式。毛刷材質(zhì)選陶瓷絲，既可保證去毛刺效果，也不會劃傷工件表面。

具體地，固定刀架處裝有1種D78盤刷，主要供大機器人R1持件去毛刺（見圖2）。小機器人R2機械臂前端安裝氣動主軸，可實現(xiàn)徑向或軸向浮動，主軸上可夾持1把BT40柄。小機器人R2前方設(shè)置一處刀具庫（見圖3），有10個刀位備用，毛刷夾持于BT40刀柄，豎直放置在刀位上。每個刀位下方有紅外檢測裝置，檢驗刀具是否放到指定位置。小機器人R2持毛刷打磨工件時，可在刀具庫自動換刀，用時僅6 s。目前，小機器人R2僅需使用D72大盤刷、D20小盤刷，即可滿足其它部位去毛刺要求。

小機器人R2使用的毛刷可提前在設(shè)備外更換到BT40柄上，然后代替舊毛刷放入刀具庫對應(yīng)位置；大機器人R1打磨用的固定毛刷，通過螺栓固定在旋轉(zhuǎn)動力桿上，需人工裝卸。更換毛刷時，需要短暫停機，所有毛刷可在3 min內(nèi)更換完畢。

圖2 R1持件去毛刺

圖3 R2前方刀具庫

2.3 夾具及抓手系統(tǒng)

在打磨工作臺A、B上面均設(shè)置同樣一套夾具（見圖4），可兼容放置三種不同工件。該夾具采用一面兩銷定位原理，通過工件各自2處工藝銷孔定位，并通過氣缸驅(qū)動的2個夾緊壁夾緊工件，保證小機器人R2打磨時工件精確定位。

圖4 打磨工作臺A、B上夾具

大機器人R1通過快換卡盤連接一副工件抓手（見圖5），抓手可在機器臂前端360°旋轉(zhuǎn)。該抓手通過毛坯外形限位和夾緊，兼容了三種工件抓取，并盡可能避開工件去毛刺部位，方便毛刷打磨工件。如果后續(xù)增加新產(chǎn)品，可設(shè)計新抓手放置于預(yù)留的抓手庫，與現(xiàn)抓手實現(xiàn)自動更換。

圖5 大機器人R1抓手

2.4 噴淋系統(tǒng)

整臺設(shè)備從清洗機接入清洗液，通過安裝在大小機器人機械臂上噴水嘴進行噴淋，調(diào)節(jié)噴水嘴角度至毛刷前端即可實現(xiàn)濕式打磨，噴水壓力為1.5～2 MPa且可調(diào)。通過PLC程序控制，噴水嘴僅在毛刷打磨過程中打開。噴淋后的清洗液滴落至設(shè)備低處的接液盤，并匯入高度最低處的儲液池，儲液池積液達到警戒液位后，水泵自動將液體抽回清洗機過濾，如此循環(huán)。為保證密封性，設(shè)備為整體框架結(jié)構(gòu)，密閉于鈑金房中，所有可能接觸液體的線路及電器元件均作了防護。

2.5 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)通過各類傳感器傳輸來的信號，進而實現(xiàn)對工件的識別和定位，并根據(jù)這些來控制機器人等設(shè)備的動作，實現(xiàn)各部分之間協(xié)調(diào)控制，從而成功實施去毛刺工作[6]。該PLC控制系統(tǒng)控制機器人抓放件、搬運、去毛刺路徑行走、自動換刀、上下料、夾具夾緊、噴淋嘴開閉等各動作的邏輯順序及時間節(jié)點，保證去毛刺單元工藝流程順利實施且各動作間相互無干涉。

該PLC控制系統(tǒng)提供啟動、停止、暫停和急停等狀態(tài)信號，并且通過操作臺進行控制，具備產(chǎn)品自動切換程序，通過觸摸屏即可進行產(chǎn)品自動切換。同時，控制系統(tǒng)具備生產(chǎn)管理功能，如日產(chǎn)量統(tǒng)計、刀具更換提醒、排液提醒、異常報警等功能。人機界面為觸摸屏+按鈕形式，觸摸屏可顯示各工位運行狀態(tài)、報警信息、毛刷打磨件數(shù)、毛刷補償量等信息。

3 應(yīng)用情況

設(shè)備接入緩速器殼體自動線，既可完全自動運行，也可屏蔽上位機信息人工上料，自動去毛刺完畢后從清洗機下料輥道人工取走工件，滿足手動緩速器殼體線產(chǎn)品去毛刺和清洗需求。

目前，該自動去毛刺單元已連續(xù)穩(wěn)定工作2年以上，節(jié)拍優(yōu)化至154 s，遠低于人工去除時間（8～10 min），且去毛刺效果良好，機加面也得到了光整，達到了設(shè)計要求。各種毛刷轉(zhuǎn)速為 1 000～1 500 r/min，下壓量為0.8～1.5 mm，平均壽命1 500件/個，相比干刷時毛刷壽命提高2倍以上。

4 總結(jié)

隨著智能制造的快速發(fā)展，機器人自動去毛刺技術(shù)已成為自動線必要的輔助加工技術(shù)。濕式自動去毛刺技術(shù)因其對環(huán)境友好、可提升刀具壽命、不傷害工件表面等特點，必然成為未來自動去毛刺主流技術(shù)路線。本文所介紹的濕式自動去毛刺單元的設(shè)計思路及應(yīng)用，可為類似復(fù)雜殼體自動去毛刺設(shè)備的設(shè)計提供必要的思路借鑒。

[1] 張惠生.機械零件去毛刺工藝的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報,2001,17(4):58-63.

[2] 劉淑敏,徐慶仁.去毛刺技術(shù)在制造工程中的地位和現(xiàn)狀[J].航空科學(xué)技術(shù),1993(4):27-29.

[3] 朱龍英.去毛刺機器人設(shè)計及控制系統(tǒng)研究[D].無錫:江南大學(xué),2015.

[4] 蔡宏玉.機械零件加工去毛刺工藝研究[J].機電技術(shù)應(yīng)用,2009(6):164-165.

[5] 黃永輝,孟慶帥,孟慶鵬.機器人去毛刺工業(yè)應(yīng)用實例[J].裝備制造技術(shù),2020(7):108-111.

[6] 羅蒙.汽車發(fā)動機缸蓋生產(chǎn)線中機器人毛刷去毛刺裝備[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2015.

Design and Application of Wet Automatic Deburring Unit

XIONG Zhao

( Shaanxi Fast Auto Transmission Engineering Research Institute, Xi'an 710119, China )

With the increasing demand for product quality and cleanliness in China's manufacturing industry, deburring has become one of the important processes in the manufacturing process. Retarder shell parts due to the complex structure, the parts of the retarder housing have many burrs, and most production lines mainly use a combination of manual and machine tool deburring methods. Manual deburring has low efficiency, high labor intensity, and a harsh working environment, making it easy to scratch or miss the workpiece. Due to limited freedom, the deburring area of the machine tool is limited, and it will also occupy the processing rhythm. Robot deburring has advantages such as high flexibility, high accuracy, high efficiency, low environmental requirements, complex processing space, long working time, and low scrap rate, and has become a new trend in the field of deburring. This article will take a wet automatic deburring unit for a retarder shell as an example, and briefly introduce the design concept and application of the robot automatic deburring unit from the aspects of scene requirements, robot selection, process design, polishing system design, fixture and grip system design, spray system design, programmable logic controller control system design, etc., providing necessary reference for the design of similar complex shell automatic deburring equipment.

Robot system; Grinding tool system;Fixture and gripper system;Spray system;Deburring technology

TG246；TP242

A

1671-7988(2023)18-144-05

熊朝（1990－），男，工程師，研究方向為緩速器殼體工藝規(guī)劃與開發(fā)、去毛刺技術(shù)等，E-mail:512752961 @qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.028