曾 辉 崔云从 夏富生

（1.埃夫特智能装备股份有限公司，安徽 芜湖 241000；2.香港中文大学，香港 99907；3.安徽工程大学人工智能学院，安徽 芜湖 241000）

0 引言

现代工业机器人不再局限于搬运、喷涂及焊接这些简单重复的作业，而是逐渐向着铣削、钻孔、磨削等精密切削的加工领域进行过渡[1-2]。随着航空航天、高铁、大型基础设施建设以及交通运输等行业高速发展，装配环节需要大量的磨削、铣削、抛光等精密切削加工的工件，通常传统的数控加工中心体积庞大，不方便运输，无法满足大型复杂结构的现场加工的需求[3]。装配所需的零部件结构复杂，尺寸较大，人工打磨抛光成本很高但加工精度却不高。因此使用机器人对零部件抛光打磨可以大大降低其表面粗糙度，提高其表面质量。该文对机器人抛光打磨工艺及成套系统研制进行更加深入的研究。

1 总体方案设计

该方案是针对机器人对水龙头的外表进行抛光打磨工艺过程的成套系统的设计。使用埃夫特型号为ER50 的机器人，夹取水龙头工件（见图1）在砂带机配合下对60#、180#、400#及800#砂带进行打磨。

图1 工件模型

整个系统（见图2）中使用5 台砂带机及2 台ER50 机器人，放置于2 个除尘房中。在1 号除尘房中，配置了1 台机器人及3 台砂带机，其中2 台砂带机进行60#砂带的打磨工序，第3 台进行180#砂带的工件打磨；在2 号除尘房中配置了1 台机器人及2 台砂带机，进行400#及800#砂带的工件打磨。

图2 机器人抛光打磨系统

除尘房中都配置了抽风除尘系统，收集抛光打磨产生的金属粉末，控制污染，并实现废料回收利用。

2 个除尘房中间为工人作业区，配置1 台普通砂带机和1 名工人，该工人负责60#、180#砂带打磨后产品的质量检查及修磨。由于铸件毛坯的质量不稳定，不同的工件可能在不同位置存在砂眼、气孔等铸造缺陷，为了保证每个工件的表面质量[4-5]，该系统采用人工检测的方法进行质量控制及修磨。

1.1 砂带机设计

该砂带机（见图3 和图4）使用3 个胶轮及1 个铝轮，带动砂带进行打磨。传动方式上，该砂带机使用电机直接拖动驱动轮旋转（见图5），从而带动砂带运动。

图3 砂带机模型

图4 砂带机模型（无防尘罩）

图5 电机直接带动驱动轮

为了保证砂带的张紧力，以及防止砂带跑偏，设计了张紧调偏机构（见图6），通过气缸顶出，带动铝轮撑紧砂带。气缸的压强使用电气比例阀调节，通过PLC 控制比例阀对砂带张紧力进行在线调节，有利于控制磨削力。

图6 张紧调偏机构

如图7 所示，上下砂带轮的伸出长度可调节，从而能调整砂带轮、砂带相对机器人的位姿，以避免打磨过程中带来的机器人与设备干涉、机器人关节限位等问题，满足打磨工艺需要。

图7 砂带轮安装

此外，张紧调偏机构的安装位置亦可调节（图8），以配合砂带轮不同的伸出长度，避免在调节砂带轮伸出长度后出现砂带长度不适应的问题。

图8 张紧调偏机构安装

设计砂带轮支撑机构（图9），以解决砂带轮伸出长度过长带来的刚度不足问题。

图9 砂带轮支撑机构

为了实现磨削力的恒力控制，设计了滑动打磨平台，搭建力反馈系统。系统中使用了滑块导轨机构（图10），令平台能在机架上滑动，并使用气缸为滑动打磨平台施加向前的推力。在滑动平台气缸的气源供应上，使用电气比例阀进行压力调节，使用PLC 进行控制，提高力反馈控制的精度和响应速度。

图10 滑块导轨机构

1.2 夹具及工作及上下料滑台设计

针对打磨的水龙头工件，设计了夹具（图11），利用气缸实现工件的夹紧，在结构方面，即满足了打磨位姿的需要，也避免了夹具与其他设备的干涉。

图11 夹具图示

设计了上下料滑台如图12，每个除尘房使用2 个，实现毛坯的流入和成品的流出。2 个滑台轮流作业，以避免机器人进入待机状态。

图12 上下料滑台图示

2 气路与电控系统设计

设计气路主要是对力反馈（力平衡）气缸和砂带张紧气缸的压力及动作进行控制，为了降低成本，结合现场实际使用情况，分时共享电气比例阀的气路设计。

抛光打磨项目电气控制部分以PLC 为控制核心结合机器人I/O 信号和外部信号来控制一系列的电动机和气动电磁阀启动与停止，形成一个稳定、有序的运行系统。该系统具有“自动运行”和“手动调试”2 种工作模式，这2 种工作模式都是根据操作面板的选项来确定。系统的控制流程图如图13 所示。

图13 系统的控制流程图

“自动运行”模式：选定“自动运行”模式，自动运行指示灯被点亮并闪烁，机器人根据技术员使用示教盒示教的一系列定点来运动，到达指定的定点后就通过输入/输出口给可编程逻辑控制器（下文称“PLC”）发出“夹具加紧”、“1 号电机启动”、“1 号电机停止且2 号电机启动”、“2 号电机停止且3 号电机启动”、“结束信号”等一系列的请求信号，PLC 接收到请求信号后根据前后优先级分别响应。该模式下，配合操作面板上的控制按钮，就可以形成“工人上料”—“机器人定点夹起工件”—“启动与停止打磨机”—“机器人打磨”—“定位滑台伸出与收缩”—“工人卸料”的一个自动运行过程。

随着打磨工件数量的递增，挂在打磨机上的砂带的损耗程度也会越来越严重，因此为了延长打磨砂带的使用寿命保证磨削量和提高工作效率，该系统采用2 种方法来达到此目的。第一，PLC 需要根据指定完成打磨工件的数量控制变频器来调节电动机的低、中、高3 档的转速。第二，运用程序调节控制力反馈力度的比例伺服阀的张开度，来调节力反馈气缸的气压。

“手动调试”模式：“手动调试”模式是在技术员示教与调试或者现场出现紧急急停的情况之下来使用。触摸屏上显示的所有操作按钮和数据显示器都跟PLC 的内部地址一一对应，因此，每操作面板上的每个虚拟按钮都会对程序产生影响，从而对控制对象进行相应地控制。

3 除尘方案设计

单台砂带机使用试验中的简易除尘系统（不带风机）如图14 所示，通过软风管连接汇总到除尘房除尘通风口（注：根据房间除尘的需要，单机简易除尘系统有修改的可能）。

图14 除尘示意图

除尘房使用铁皮通风管道，接入厂区的除尘系统，使用导风板进行风流导向，提高除尘效果。存在部分粗粉，无法抽走（预计主要降落在砂带机集尘盒上），需要工人定期进房内清扫。

4 实验方案

仅针对型号T1T656 水龙头，操作流程如下。

开启设备总开关，大约需要 5min 完成机器人系统启动；1、2 号滑台滑到除尘房外，工人将工件摆到1、2 号滑台上，每个滑台12 个，共24 个，预计耗时3min，摆置完成机器人完成启动。

开启系统作业开关，自动化打磨开始，机器人自动夹取1 号滑台工件，进行工件打磨，每个水龙头耗时220s，将耗时44min 完成1 号滑台工件打磨。

机器人自动夹取2 号滑台工件开始打磨，1 号滑台滑出除尘房，工人取下1 号滑台上的12 个工件置于转运筐里，重新摆上12 个毛坯件，点击滑台驱动按钮使1 号滑台进入除尘房中，换件预计耗时2min，44min 后机器人打磨完2 号滑台上的工件。

机器人自动夹取1 号滑台工件开始打磨，2 号滑台滑出除尘房，工人为1 号滑台换件，换件完成点击滑台按钮驱使2 号滑台进入除尘房，换件预计耗时2min，44min 后机器人打磨完1 号滑台上的工件。

重复上述步骤5）6）。

注：初步实验显示，该打磨系统中60mm 宽的砂带（长4.9m）可打磨工件约100 个（数量仍可增加，具体数量待实验确认），90mm 宽的砂带（长4.9m）可打磨工件约200 个（具体数量待实验确认）。

在循环步骤7）共3 次，操作者须按下换带暂停作业按钮，系统暂停打磨工作，操作者进入除尘房更换60mm×60mm 宽砂带（预计耗时3min），回到除尘房外，按下恢复打磨作业按钮，机器人继续打磨。

步骤7）再循环4 次，操作者须按下换带暂停作业按钮，系统暂停打磨工作，操作者进入除尘房更换60mm×60mm 宽砂带及60mm×90mm 宽砂带（预计耗时共6min），回到除尘房外，按下回复打磨作业按钮，机器人继续打磨。

重复循环步骤7）至9）。

每天工作结束后，停机扫除砂带机下方集尘盒上的铜粉（部分将无法被风机抽走）。

5 客户需求

每个滑台每次放工件12 个（3×4），一天内可放多次。每天将1、2 号滑台共承放的384 个工件打磨16 次。

型号T1T656 水龙头产量大于12000 个/月，取13000 个/月，以每个滑台放置工件12 个，每天打磨16 次1、2 号滑台共承放数量的工件（单纯打磨时间为1408min），单套打磨系统日产量384 个/d（产量为11520 个/月），需要约34d完成。

型号T1T656 水龙头产量约12000+个/月，取13000 个/月，以每个滑台放置工件10 个，每天打磨18 次1、2 号滑台共承放数量的工件（单纯打磨时间为22h），单套打磨系统日产量360 个/d（30d 月产量为10800 个/月），需要约37d完成。工序时间分析见表1。

根据表1 分析可知，该方案单日剩余停机和意外处理时间较长，部分砂带使用程度达到初步实验的安全临界值。抛磨设备现场照片工作状态如图15 所示。

表1 工序时间分析

图15 抛磨设备现场照片

6 结论

目前，该套面向打磨抛光工艺的机器人成套集成系统运用的场合还有一定的局限性，因为砂带机结构和自身设计的缘故，可能会导致上下砂带轮的伸出长度与理论的伸长长度产生偏差，影响砂带相对机器人的位姿，在打磨过程中，会使机器人与设备发生干涉。砂带进行抛光磨削刚性不足，也会影响被打磨工件的表面加工质量和加工精度。因此，可以进一步完善和改进机器人抛光打磨工艺研究及成套系统，让设计成果在磨削抛光的切削加工领域大放异彩。