机器人智能修磨的应用研究

张凯 李强 高菲

摘要：虽然目前在科学技术迅猛发展和现代工业自动化技术普遍推广的双重助力下，机器人修磨铸钢件的应用研究取得了一定进步，但是对于某些特殊行业和用途的零部件，由于它们自身的高尺寸精度要求和低表面粗糙度的设计，决定了机器人修磨铸钢件需要进行更深入的研究以满足目前工程加工中的需求。本文对机器人修磨铸钢件的应用进行分析研究，从机器人点焊电极修磨，机器人修磨在民机维修业的应用，机器人修磨在焊缝中的应用三个方面入手，对现有的机器人修磨铸钢件技术进行深入探讨，为后续相关研究打下基础，具有重要的现实意义和理论研究价值。

关键词：机器人;修磨;铸钢件;应用

0  引言

高速发展的生产力的催化下，各种精密设备和工具在国民经济的各个行业中生产或使用的频率愈发频繁，而这些精密设备和工具的生产制造和加工都离不开修磨技术，特别是在航空航天航海等领域中，对零器件的精度、密封性等要求越来越高。但是传统的手工打磨对工人师傅的技术要求极高，生产效率慢，容易因为人工的疏忽和懈怠导致较大的制造误差，造成产品质量的参差不齐，并且工作量大，工作环境差，过大的人工成本投入给企业带来经济负担，因此研究机器人修磨技术可以很好的解决和弥补传统的手工打磨中存在的问题和缺陷。机器人修磨技术拥有保证保证零件的高尺寸精度和低表面粗糙度，实现批量生产，生产效率高，生产成本低等优点，但是机器人修磨在制造加工复杂曲面的零件时，必须要做到对磨削量的精确控制，而且由于在机器人修磨中砂带和接触轮属于弹性接触，这就导致了串联工业机器人的加工为非刚性加工，对于磨削量的精确控制受到多种因素的影响很难实现。因此有必要针对机器人修磨技术开展深入研究，解决现有的一系列技术问题。本文从机器人点焊电极修磨，机器人修磨在民机维修业的应用，机器人修磨在焊缝中的应用三个方面入手，分别对现有的机器人修磨铸钢件技术进行深入探讨，为后续相关研究打下基础。

1  机器人点焊电极修磨

机器人点焊电极修磨技术是指当机器人点焊满足預先设定的焊点数量之后，机器人通过自动调用修磨程序进行机器人点焊电极修磨工作的技术。首先机器人退出点焊工作，通过把焊钳电极移动到修磨机的修磨刀头两侧来实现，随后机器人夹紧上电极和下电极，使两个电极和修磨机的双面刀片做到同时接触进行修磨工作。机器人点焊电极修磨技术主要应用于汽车制造业焊装领域中，通过从机器人点焊电极修磨技术的相关要点，常见问题和解决方案三方面入手深入探讨机器人修磨铸钢件的应用。

1.1 机器人点焊电极修磨要点

因为在机器人点焊电极修磨工作中主要是利用机器人自动调用修磨程序，调用修磨机工作的，当修磨机的刀头开始旋转时，对切削进行时间设置，电极端面上的压堆变形和表面氧化层都被修掉得到修磨后的新表面。因此在机器人点焊电极修磨工作中电极修磨的质量的高低取决于机器人修磨程序指令的好坏。

所以机器人点焊电极修磨要点中首先要确保电极的位置和角度。应该把固定电极移动到修磨机刀头处。电极端头中心在尽可能和刀头中心对准的同时，也要保证电极端头中心和刀头的刀片不能直接接触，应该保留5-10mm的距离。接下来调整焊钳，电极的轴线应该尽可能和修磨机刀头保持垂直。然后对焊钳可动电极轴进行驱动，在可动电极通过适当移动接近刀头的同时，让可动电极的端头中心和刀头中心调整至对准。只有上下电极和修磨机刀头对正和垂直的情况下才能保证电极修磨质量满足制造加工要求。

机器人点焊电极修磨要点中其次要确保上下电极夹紧时对修磨机刀头的加压力要适当，不然加压力过小会导致机器人点焊电极修磨的修磨效果不好，更为严重时还会导致电极在刀头上振动;加压力过大会导致机器人点焊电极修磨的修磨机旋转阻力增加，造成旋转缓慢甚至停转的现象，与此同时加压力过大也会对刀片造成损伤。机器人点焊电极修磨要点中最后要确保修磨时间合适。机器人点焊电极修磨中一般都是控制修磨时间而不是直接控制修磨机的转数。修磨机的转数可以间接通过修磨机设备参数进行大致换计算得到。

1.2 机器人点焊电极修磨常见问题

机器人点焊电极修磨常见问题包括有电极端面未修磨、电极端面修偏、修磨机刀片损坏和塞屑等四种。其中电极端面未修磨是指在机器人点焊电极修磨后在圆锥表面修磨出新表面，或者端面修磨不符合要求甚至于根本没有修磨到的情况。电极端面修偏通常情况下是由于电极中心和修磨机刀头中心的对正出现了问题。修磨机刀片损坏这一问题通常发生于多刃刀头的刀片中，对于单刃刀头的刀片不常见。塞屑是指修磨机的刀头在经过多次修磨加工后，有时候会发生被切削掉的电极铜屑掉落到刀头的排屑孔中并堵塞的情况，塞屑问题会进一步引发电极端头和修磨刀片的接触不良问题，影响到电极修磨质量。

1.3 机器人点焊电极修磨解决方案

针对上述四种在机器人点焊电极修磨中常出现的问题分别提出对应的解决方案如下：第一，电极端面未修磨问题通过对电极端面在焊接中的压堆进行调整实验和及时处理便可以得到改善和缓解;对修磨时上下电极加压力不足进行调整实验和及时处理也可以改善和缓解电极端面未修磨问题。第二，电极端面修偏问题通过示教调整机器人修磨时的姿态，对电和刀头不对中，不垂直问题进行修正后便可以解决这一修偏问题。第三，修磨机刀片损坏问题通常是采取保证电极的位置和角度，预先转动修磨机，加压力时不过大也不过小等措施进行解决的。第四，塞屑问题可以在已经明确修磨时间后，把总修磨时间分为两次进行修磨来改善，这样可以保证切削掉的切屑不会太长太多，可以两次修磨之间刀头的空转过程中把切屑甩出。

2  机器人修磨在民机维修业的应用

通过从航空领域内的机器人修磨应用入手，对机器人修磨铸钢件的应用进行深入探讨。在航空领域内，飞机的涡轮发动机叶片工作环境恶劣，长期处于高温、高压和高速转动的工作环境中，导致飞机的涡轮发动机叶片极易出现损伤。通过借助于先进的修理技术进行涡轮发动机叶片的缺陷和损伤修复，可以延长叶片的使用寿命和增强叶片的可靠性，进一步减少叶片更换的频率，对于航空公司而言这是一笔可观的经济收益。目前在国内，航空公司进行叶片维修时采取的方法通常都是人工手动打磨修复，但是人工手动打磨修复的修复精度差并且工作效率十分低。因此通过研发自动打磨修复机器人并应用到民机维修业中，通过机器人的自适应打磨加工方法有助于解决上述问题。

现有的自动化修磨设备主要分为机床打磨和机器人打磨两种。其中机床打磨虽然效率高，但是其通用性不强，并且价格昂贵。而机器人打磨不仅有着高程度的自动化，强的可控性，并且易于拓展，通用性强，在制造加工成本上更为便宜，相比较之下，自动化修磨设备中机器人修磨的可行性更高。在民机维修业中机器人修磨设备包括有以下几个组成部分，分别是：机器人、传感器固定座、力传感器、固定底座、电动打磨机和位移传感器。

在进行民机维修业中使用机器人修磨设备来打磨飞机零部件时，为了满足飞机零部件打磨的质量要求需要明确以下几点。首先由于机器人的机械系统具有强耦合性、高非线性等特点，所以机器人的机械系统和外界环境之间的接触问题处理起来十分复杂，要考虑到这种和外界环境之间的接触会导致机器人的自由度减少，与此同时这种和外界环境之间的接触还会给机器人带来反作用力，甚至当这种反作用力过大时，机器人和被加工的零部件都会发生损坏。基于上述原因，民机维修业中使用的机器人修磨设备必须对接触环境具有顺从能力，而这种对接触环境具有顺从能力被称为机器人的柔顺控制技术。机器人的良好的柔顺控制技术有助于机器人实现在特定接触环境下对力高度的控制准确性。

为了解决机器人的柔顺控制技术这一难题，目前学术界的解决方案分为被动柔顺控制和主动柔顺控制两种。其中被动柔顺控制借助于一些可以实现吸收或储存能量的机械器件，如弹簧、阻尼等，来实现机器人在工作环境中的能量存储和释放。但是被动柔顺控制存在无法根除机器人的高刚度与高柔顺性之间的矛盾，适用能力差，自身不具有控制能力，无法让机器本身产生对力的反應动作等诸多问题。其中机器人主动柔顺控制是一种通过力控制技术实现零件打磨的机器人，它可以对一系列数据进行捕获和分析，然后进行对飞机零部件的抛光和打磨工作，并且主动柔顺控制技术下的机器人修磨质量符合加工要求。

3  机器人修磨在焊缝中的应用

通过从焊接行业内的机器人焊缝修磨应用入手，对机器人修磨铸钢件的应用进行深入探讨。焊缝自动修磨系统的组成包括有机器人系统、激光扫描系统、焊缝自动修磨系统三大部分，其中的执行机构为机器人系统，并且机器人系统在激光扫描系统的配合下完成内、外焊缝轨迹的扫描工作，接下来焊缝自动修磨系统会对扫描出的焊缝轨迹进行修磨，修磨工作完成后，激光扫描系统扫描并且上传剩余焊缝的高度和宽度数据。焊接行业内的机器人焊缝修磨技术在具体的实际操作过程中分为两大步骤，分别是寻找焊缝和自动修磨。

其中的寻找焊缝具体流程为：运管小车把钢管运送到修磨岗位，然后机器人接收到钢管到位信号后，开始沿设定好的路径进行运动，通过传感器感应判断是否到管端，如果到管端后机器人停止运动，扫描仪进行焊缝的扫描检测检测。其中的自动修磨具体流程为：在上一步骤找到焊缝之后，扫描仪通过程序预先设置好的路径进行扫描，并对扫描到的数据进行记录。在扫描仪完成扫描记录工作之后，机器人进行旋转切换磨头，开始修磨焊缝的工作，在机器人焊缝修磨中机器人会按照扫描仪扫描出的数据进行自动修磨。最后会使用扫描仪进行再次扫描焊缝，这一步骤的目的是对焊缝数据进行记录来判断修磨后的焊缝数据是否满足工艺要求。

焊接行业内的机器人焊缝自动修磨系统的应用，不仅对装备自动化水平、装备智能化水平进行了大幅度的提升，与此同时也极大的降低了操作人员的劳动强度，提升了修磨的自动化水平，减少了人为因素的干预，得到了更加准确的底层数据。

4  结语

随着各种精密设备和工具在国民经济的各个行业中生产或使用的频率愈发频繁，在这些精密设备和工具的生产制造和加工中使用最为广泛且频繁的修磨技术得到了众多研究者的重视。但是传统的修磨技术因为生产效率慢，容易因为人工的疏忽和懈怠导致较大的制造误差，造成产品质量的参差不齐，并且工作量大，工作环境差，过大的人工成本投入给企业带来经济负担等缺点无法满足日益增长的生产要求，所以进行机器人修磨铸钢件相关研究具有重要的现实意义和理论研究价值。机器人修磨技术有助于提升装备自动化水平和装备智能化水平，减少人为因素的干预，解决现有技术中存在的问题。

参考文献：

[1]党红霞.机器人点焊电极修磨器在焊接工艺中的应用[J].焊接技术，2017，46（04）：44-47.

[2]龚勇镇，黄永生，邓宇，王宇，周长青.机器人点焊工作站电极修磨试验研究[J].铸造技术，2017，38（04）：914-916.

[3]党红霞.机器人点焊电极修磨在焊接工艺中的应用[C].河南省汽车工程学会.第十三届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集.河南省汽车工程学会：河南省汽车工程学会，2016：232-235.

[4]原晓力.综合考量自动化铸件打磨设备的选择与技术应用[J].金属加工（热加工），2015（23）：9-10.

[5]吕洪波.机器人智能修磨方法研究[D].清华大学，2011.