采用工業(yè)機(jī)器人對(duì)金屬制件去量打磨的實(shí)踐總結(jié)

李立秋

（沈陽瑞達(dá)機(jī)械自動(dòng)化有限公司，遼寧 沈陽 110000）

一直以來，機(jī)械化的加工方式是采用磨床或者打磨專機(jī)實(shí)現(xiàn)，很難應(yīng)對(duì)類型多變的工件；故此，金屬去量打磨大多是還靠人工完成。人工打磨產(chǎn)生的粉塵對(duì)人體健康極為不利。工業(yè)機(jī)器人作為一種多自由度的應(yīng)用平臺(tái)，因其動(dòng)作空間的開放性、編程的靈活性以及控制接口的易擴(kuò)展性，在打磨方面具有廣闊的應(yīng)用空間，推廣機(jī)器人打磨應(yīng)用將帶來很好的社會(huì)效益；機(jī)器人打磨實(shí)施過程涉及很多工藝因素，對(duì)于特定的項(xiàng)目，工藝參數(shù)和加工性能需要實(shí)踐測(cè)試，這要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間。很長一段時(shí)間以來，機(jī)器人被稱作工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的皇冠，而機(jī)器人打磨則被稱作“皇冠上的明珠”，可見其工程化難度之高和推廣意義之大。本文總結(jié)概括了機(jī)器人打磨的關(guān)鍵技術(shù)要素及其工程化考量，對(duì)于機(jī)器人打磨項(xiàng)目的實(shí)施具有指導(dǎo)意義。

1 機(jī)器人打磨的關(guān)鍵技術(shù)要素及對(duì)加工的影響

機(jī)器人打磨與通用打磨一樣，影響打磨效率的關(guān)鍵要素，包括磨料材質(zhì)選擇、加工面正壓力設(shè)置、加工線速度設(shè)置3個(gè)方面；設(shè)定合適的加工參數(shù)，目標(biāo)是保持磨料的鋒利，以提高磨削速度和提高磨料使用壽命。

1.1 磨料材質(zhì)的選擇原則

打磨實(shí)際是一個(gè)工件與磨料一同進(jìn)行形體消耗的過程。在這個(gè)過程中，工件和磨料相互摩擦、刮碰，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱；工件和磨料的形體表面均產(chǎn)生脫落，脫落的顆粒和粉末會(huì)帶走大量熱量。如果工件和磨料都沒有形成有效的脫落，熱量會(huì)快速積累，高溫使工件表面形成氧化層，甚至發(fā)生熔融，不僅損傷工件，熔融物質(zhì)還會(huì)填平磨料原本鋒利的凹凸面，使磨料失去磨削能力，進(jìn)一步惡化加工能力；部分磨料在高溫下會(huì)與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而快速消耗。所以，要保障磨削效率，就必須有效的抑制熱量累積。磨料對(duì)工件的去量，從微觀上看，是一個(gè)個(gè)磨粒對(duì)工件的切撕去量；在磨料和工件硬度接近的情況下，磨料不能對(duì)工件形成有效的切撕，而工件也不能對(duì)磨料形成有效的機(jī)械損傷，從宏觀上看，工件和磨料的形體消耗都很小，這不利于熱量的從工件和磨料表面消散；所以，基于加工面溫度抑制的目標(biāo)，在磨料材質(zhì)選擇上，要使磨料和工件的硬度不能過于接近。

1.2 加工面正壓力設(shè)置

加工面正壓力是指磨料和工件之間貼合面上的擠壓力。在一定范圍，調(diào)整加工面正壓力，可以得到以下幾個(gè)方面的效果：

增大正壓力，可以增強(qiáng)磨料對(duì)工件的切撕深度，進(jìn)而提高磨削效率。

正壓力過大，因磨粒在工件表面嵌入的更深，將造成更大的接觸面積，磨粒嵌入工件表面的部分，其邊緣與工件形成更大的接觸摩擦面，這就容易造成工件表面高溫熔融；熔融物粘附與磨料上，將使磨料失去鋒刃，迅速造成磨料報(bào)廢。這一效應(yīng)，在銅合金類工件磨削時(shí)尤其明顯。

當(dāng)使用的磨料是百葉盤、百葉輪、砂帶等軟體磨料時(shí)，正壓力的增大會(huì)使磨料與工件之間有更大的接觸面；這會(huì)造成排屑困難，使工件脫落的碎屑彌散在磨料表面，進(jìn)而因?yàn)榧庸ぎa(chǎn)生的高溫逐漸粘附在磨料上，使磨料快速的失去鋒刃并報(bào)廢。

增大正壓力，意味著加工阻力的增大。這就需要更大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來帶動(dòng)磨料進(jìn)行加工。

根據(jù)以上定性的分析，在進(jìn)行加工測(cè)試時(shí)，應(yīng)該按照加工正壓力從小到大的過程進(jìn)行連續(xù)加工測(cè)試，比對(duì)加工效果以及磨料上碎屑的粘附狀態(tài)，在磨料上不產(chǎn)生粘附的情況下盡可能的提高加工正壓力，以獲得更大的磨削效率。

另外，必須指出，即使不考慮加工效率，加工的正壓力也不可以過小。這是因?yàn)?，正壓力過小，隨著使用時(shí)間的延長，磨料的磨粒也存在鈍化，對(duì)工件的切撕效應(yīng)會(huì)逐漸降低。適當(dāng)?shù)恼龎毫梢允悄チ５木w發(fā)生破裂，形成新的鋒利面，有利于保持磨料的磨削能力。

1.3 加工線速度

加工線速度是指磨料與工件接觸部分的線速度。加工線速度的提高，會(huì)帶來以下的效果：

當(dāng)磨削深度不變（磨削面單位面積正壓力維持恒定），更大的加工線速度意味著單位時(shí)間內(nèi)通過工件被加工位置磨粒數(shù)量的增加，這將提高磨削效率。

加工線速度的提高，磨粒對(duì)于工件表面的沖擊效果逐漸的明顯，在達(dá)到某個(gè)臨界值后，會(huì)形成絕熱剪切，工件材質(zhì)的應(yīng)變率迅速提高，導(dǎo)致磨削效率的階躍性提高，并且磨削阻力斷崖式下降，這一效應(yīng)與高速銑削相似。

加工速度過高，百葉盤、百葉片等圓形旋轉(zhuǎn)類磨料的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生非常大的離心力，有可能造成磨料葉片從磨料基體上脫落，損壞磨料，甚至造成事故。所以，加工速度的上限值，還要參考磨具自身的設(shè)計(jì)參數(shù)，不要超過其設(shè)計(jì)極限。同時(shí)，加工線速度過高，會(huì)加速工件表面的熱累積，造成工件局部氧化甚至熔融，損壞工件表面狀態(tài)，甚至損害磨具。

2 使用加工壓力便于調(diào)整的設(shè)計(jì)方式

根據(jù)第1.2節(jié)描述，加工壓力是一個(gè)重要參數(shù)。但在方案評(píng)估階段，通常會(huì)選出幾種磨料作為備選，配方不同的磨粒，破裂壓力不同；所以很難立即確定加工壓力應(yīng)該有多大，這需要在工藝測(cè)試時(shí)進(jìn)行調(diào)整。由此可知，加工壓力可調(diào)會(huì)對(duì)項(xiàng)目實(shí)施具有很大的意義，然而工藝測(cè)試完畢后，加工壓力應(yīng)該近似是恒定的。

實(shí)現(xiàn)打磨近似恒壓力，可以使用多自由度力傳感器配合機(jī)器人的力控制功能實(shí)現(xiàn)，也可以使用主軸浮動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)。

采用多自由度力傳感器配合機(jī)器人的力控制功能，可以在加工時(shí)預(yù)先設(shè)定好壓力的大小，并可以在調(diào)試時(shí)靈活的選定壓力控制的方向，以提供更大的調(diào)試靈活性；但是一旦壓力控制方向被確定，其是唯一的，機(jī)器人不支持在加工運(yùn)行時(shí)任意更換力控制方向：這也意味著，加工時(shí)磨具相對(duì)于工件被磨削面的姿態(tài)要基本固定不變。所以，這種方式只給調(diào)試提供了便利，卻不能給生產(chǎn)提供便利。另外，在工件待加工面出現(xiàn)快速變向的的情況時(shí)，機(jī)器人的力控制功能并不理想；所以如果使用機(jī)器人力空置功能，在調(diào)試時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量避免加工姿態(tài)的快速變化。

采用主軸浮動(dòng)裝置提供恒壓力，通常采用將電主軸嵌入到一個(gè)法蘭內(nèi)部，在法蘭內(nèi)部的一個(gè)或多個(gè)方向采用氣動(dòng)活塞頂推主軸的方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)主軸上的工具受到外力，主軸在氣動(dòng)活塞的可移動(dòng)范圍內(nèi)相對(duì)于法蘭的姿態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)工件過高的表面進(jìn)行避讓，避免主軸負(fù)載過大而堵轉(zhuǎn)。主軸相對(duì)于工件表面所提供的壓力，可以通過調(diào)整氣動(dòng)活塞的供氣壓力來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)比可知，使用機(jī)器人力控制的方式，更容易摸索適合的工藝參數(shù)；而采用主軸浮動(dòng)的方式，在工程實(shí)施時(shí)調(diào)試方面更簡(jiǎn)單；在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的情況下，使用主軸浮動(dòng)方式的綜合實(shí)施效果并不低于采用機(jī)器人力控制功能的情況。

3 打磨驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

根據(jù)第1.3節(jié)的描述，我們可以得出一個(gè)結(jié)論：磨料與工件貼合面的的線速度過低會(huì)影響加工效率；過高會(huì)造成工件損傷甚至損害磨具。所以，為了工藝調(diào)整的需要，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)選擇高速變頻電機(jī)，在一個(gè)寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)速性能；考慮到在任何可能的設(shè)定轉(zhuǎn)速，電機(jī)都是帶負(fù)荷工作，電機(jī)扭矩不能降低。由此可知，電機(jī)和匹配的變頻器，應(yīng)具備V/F特性，在調(diào)速的同時(shí)，保持電機(jī)最大可輸出扭矩近似不變。能在很寬的范圍提供恒扭矩輸出的電機(jī)，通常是電主軸。電主軸的冷卻方式，分為水冷和風(fēng)冷；風(fēng)冷需要不斷的消耗壓縮空氣，壓縮空氣能效比很差，并且其制冷能力遠(yuǎn)不如水冷。所以，應(yīng)優(yōu)選水冷的電主軸。在功率上，在大多數(shù)情況下，當(dāng)機(jī)器人負(fù)載約為200kg，電機(jī)功率選擇12～18kW，轉(zhuǎn)速選擇5000～12000rpm，是一個(gè)適合機(jī)器人磨削的測(cè)試范圍；當(dāng)然這還要考慮磨具樣式、磨具尺寸、磨具和工件的接觸面積大小、磨削正壓力設(shè)置等具體工況。

4 機(jī)器人攜持目標(biāo)的確定

機(jī)器人挾持的目標(biāo)，要根據(jù)工件/工具的重量、來料形式做劃分，目標(biāo)是降低設(shè)備引進(jìn)的綜合成本。可以按照以下原則確定。

4.1 大尺寸工件

大尺寸工件，在打磨加工時(shí)，雖然打磨的力不一定很大，但轉(zhuǎn)換到工件中心，打磨造成的扭矩可能很大。這要求工件的固定有很大的力。如果機(jī)器人攜持工件，則機(jī)器人必然要有很大的負(fù)載，進(jìn)而提高成本。所以，對(duì)于大尺寸工件，一般采用工件固定、機(jī)器人攜持工具的形式加工。

4.2 需要多種工具進(jìn)行加工的工件

多種工具加工，如果仍然采用工件固定、機(jī)器人攜持工具的方式，在加工過程中，機(jī)器人必然要經(jīng)常的更換工具，這會(huì)降低生產(chǎn)效率；同時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)更換工具，就必須要配備工具庫以及自動(dòng)換槍盤或者自動(dòng)更換工具柄，將增加成本。所以，對(duì)于非大型工件，以采用機(jī)器人攜持工件的形式作為首選。

5 工件異形的應(yīng)對(duì)策略

金屬去量打磨所面對(duì)的工件，其待加工部位會(huì)不可避免的存在形體差異，這個(gè)差異可能是因于待去除的表面毛刺、凸起，也可能因于基體。通常，因于基體造成的表面形體差異是不需要采用打磨的方式去除的，因?yàn)檫@在經(jīng)濟(jì)性方面非常不劃算；但是，機(jī)器人在攜帶磨具行進(jìn)過程中，要對(duì)工件基體的表面凸起進(jìn)行避讓。另外，工件表面需要打磨去除的毛刺、凸起，加工量大小不一；在磨削能力不變的情況下，大的去量必然要放慢加工速度，否則會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，甚至工具損壞。所以，機(jī)器人有必要能夠根據(jù)工件表面狀態(tài)自適應(yīng)的做出應(yīng)對(duì)。對(duì)此，常用的應(yīng)對(duì)方法是相對(duì)位置偏差檢測(cè)和機(jī)器人自動(dòng)調(diào)速。

5.1 采用相對(duì)位置偏差應(yīng)對(duì)工件基體差異

大型鑄件實(shí)際形體與標(biāo)準(zhǔn)模型存在差異是常見現(xiàn)象。這種工件，大多只要求把鑄造分模線、披鋒打磨光整。但是工件的偏差，會(huì)造成機(jī)器人行進(jìn)軌跡與工件發(fā)生干涉；或者出現(xiàn)披鋒毛刺脫離了加工軌跡的情況。在這種情況下，可以使用機(jī)器人攜帶傳感器預(yù)先測(cè)量工件加工軌跡上的高度偏差，將此偏差加入到機(jī)器人作為坐標(biāo)偏移量，對(duì)機(jī)器人的軌跡進(jìn)行預(yù)先調(diào)整。這種方式的缺點(diǎn)在于，對(duì)于加工軌跡上有圓弧過渡的部分，難于擬合出匹配的軌跡，打磨后的產(chǎn)品經(jīng)常需要人工二次修磨。

5.2 采用機(jī)器人自動(dòng)調(diào)速應(yīng)對(duì)待去除的大毛刺凸起

機(jī)器人都可以通過外部信號(hào)調(diào)整速度倍率。在打磨時(shí)遇到大的毛刺凸起，行進(jìn)受到阻礙，打磨驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載加大，電流加大?？梢詮闹鬏S驅(qū)動(dòng)變頻器中將該電流值讀出來，作為調(diào)速條件。因反饋和機(jī)器人變速本身存在延遲，在實(shí)踐中，按照電流大小設(shè)計(jì)出線性減速函數(shù)并沒有太大意義，一旦調(diào)整不及時(shí)反而會(huì)造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)，形成故障停機(jī)。一種簡(jiǎn)單可行的控制策略是：檢測(cè)到電機(jī)電流超過正常加工電流的50%時(shí)，直接將機(jī)器人的行進(jìn)速度一次性降低到正常速度的15%～25%；如果電流在1秒后仍然不能回到正常范圍，機(jī)器人的行進(jìn)速度再次降低到正常速度的3%～5%。在電流回到正常范圍后，經(jīng)過10s以上的低速運(yùn)行，可以按照每秒將機(jī)器人速度倍率提升5%的方式，逐漸提高行進(jìn)速度；提速過程中一旦發(fā)生電機(jī)電流超過正常運(yùn)行電流，說明障礙物仍未越過，此時(shí)應(yīng)立即再次將速度倍率降低到加速前的值。

6 結(jié)語

本文從磨削過程分析、磨料選擇方向、磨削參數(shù)設(shè)定和調(diào)整方向、打磨驅(qū)動(dòng)選型、機(jī)器人攜持目標(biāo)的確定、工件異形對(duì)策等方面，總結(jié)了采用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)金屬制件去量打磨的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于機(jī)器人金屬打磨項(xiàng)目的工程實(shí)施具有指導(dǎo)意義。