采用工业机器人对金属制件去量打磨的实践总结

李立秋

（沈阳瑞达机械自动化有限公司，辽宁 沈阳 110000）

一直以来，机械化的加工方式是采用磨床或者打磨专机实现，很难应对类型多变的工件；故此，金属去量打磨大多是还靠人工完成。人工打磨产生的粉尘对人体健康极为不利。工业机器人作为一种多自由度的应用平台，因其动作空间的开放性、编程的灵活性以及控制接口的易扩展性，在打磨方面具有广阔的应用空间，推广机器人打磨应用将带来很好的社会效益；机器人打磨实施过程涉及很多工艺因素，对于特定的项目，工艺参数和加工性能需要实践测试，这要耗费大量的人力、物力和时间。很长一段时间以来，机器人被称作工业自动化领域的皇冠，而机器人打磨则被称作“皇冠上的明珠”，可见其工程化难度之高和推广意义之大。本文总结概括了机器人打磨的关键技术要素及其工程化考量，对于机器人打磨项目的实施具有指导意义。

1 机器人打磨的关键技术要素及对加工的影响

机器人打磨与通用打磨一样，影响打磨效率的关键要素，包括磨料材质选择、加工面正压力设置、加工线速度设置3个方面；设定合适的加工参数，目标是保持磨料的锋利，以提高磨削速度和提高磨料使用寿命。

1.1 磨料材质的选择原则

打磨实际是一个工件与磨料一同进行形体消耗的过程。在这个过程中，工件和磨料相互摩擦、刮碰，同时会产生大量的热；工件和磨料的形体表面均产生脱落，脱落的颗粒和粉末会带走大量热量。如果工件和磨料都没有形成有效的脱落，热量会快速积累，高温使工件表面形成氧化层，甚至发生熔融，不仅损伤工件，熔融物质还会填平磨料原本锋利的凹凸面，使磨料失去磨削能力，进一步恶化加工能力；部分磨料在高温下会与空气发生化学反应，进而快速消耗。所以，要保障磨削效率，就必须有效的抑制热量累积。磨料对工件的去量，从微观上看，是一个个磨粒对工件的切撕去量；在磨料和工件硬度接近的情况下，磨料不能对工件形成有效的切撕，而工件也不能对磨料形成有效的机械损伤，从宏观上看，工件和磨料的形体消耗都很小，这不利于热量的从工件和磨料表面消散；所以，基于加工面温度抑制的目标，在磨料材质选择上，要使磨料和工件的硬度不能过于接近。

1.2 加工面正压力设置

加工面正压力是指磨料和工件之间贴合面上的挤压力。在一定范围，调整加工面正压力，可以得到以下几个方面的效果：

增大正压力，可以增强磨料对工件的切撕深度，进而提高磨削效率。

正压力过大，因磨粒在工件表面嵌入的更深，将造成更大的接触面积，磨粒嵌入工件表面的部分，其边缘与工件形成更大的接触摩擦面，这就容易造成工件表面高温熔融；熔融物粘附与磨料上，将使磨料失去锋刃，迅速造成磨料报废。这一效应，在铜合金类工件磨削时尤其明显。

当使用的磨料是百叶盘、百叶轮、砂带等软体磨料时，正压力的增大会使磨料与工件之间有更大的接触面；这会造成排屑困难，使工件脱落的碎屑弥散在磨料表面，进而因为加工产生的高温逐渐粘附在磨料上，使磨料快速的失去锋刃并报废。

增大正压力，意味着加工阻力的增大。这就需要更大的驱动电机来带动磨料进行加工。

根据以上定性的分析，在进行加工测试时，应该按照加工正压力从小到大的过程进行连续加工测试，比对加工效果以及磨料上碎屑的粘附状态，在磨料上不产生粘附的情况下尽可能的提高加工正压力，以获得更大的磨削效率。

另外，必须指出，即使不考虑加工效率，加工的正压力也不可以过小。这是因为，正压力过小，随着使用时间的延长，磨料的磨粒也存在钝化，对工件的切撕效应会逐渐降低。适当的正压力可以是磨粒的晶体发生破裂，形成新的锋利面，有利于保持磨料的磨削能力。

1.3 加工线速度

加工线速度是指磨料与工件接触部分的线速度。加工线速度的提高，会带来以下的效果：

当磨削深度不变（磨削面单位面积正压力维持恒定），更大的加工线速度意味着单位时间内通过工件被加工位置磨粒数量的增加，这将提高磨削效率。

加工线速度的提高，磨粒对于工件表面的冲击效果逐渐的明显，在达到某个临界值后，会形成绝热剪切，工件材质的应变率迅速提高，导致磨削效率的阶跃性提高，并且磨削阻力断崖式下降，这一效应与高速铣削相似。

加工速度过高，百叶盘、百叶片等圆形旋转类磨料的高速旋转会产生非常大的离心力，有可能造成磨料叶片从磨料基体上脱落，损坏磨料，甚至造成事故。所以，加工速度的上限值，还要参考磨具自身的设计参数，不要超过其设计极限。同时，加工线速度过高，会加速工件表面的热累积，造成工件局部氧化甚至熔融，损坏工件表面状态，甚至损害磨具。

2 使用加工压力便于调整的设计方式

根据第1.2节描述，加工压力是一个重要参数。但在方案评估阶段，通常会选出几种磨料作为备选，配方不同的磨粒，破裂压力不同；所以很难立即确定加工压力应该有多大，这需要在工艺测试时进行调整。由此可知，加工压力可调会对项目实施具有很大的意义，然而工艺测试完毕后，加工压力应该近似是恒定的。

实现打磨近似恒压力，可以使用多自由度力传感器配合机器人的力控制功能实现，也可以使用主轴浮动装置实现。

采用多自由度力传感器配合机器人的力控制功能，可以在加工时预先设定好压力的大小，并可以在调试时灵活的选定压力控制的方向，以提供更大的调试灵活性；但是一旦压力控制方向被确定，其是唯一的，机器人不支持在加工运行时任意更换力控制方向：这也意味着，加工时磨具相对于工件被磨削面的姿态要基本固定不变。所以，这种方式只给调试提供了便利，却不能给生产提供便利。另外，在工件待加工面出现快速变向的的情况时，机器人的力控制功能并不理想；所以如果使用机器人力空置功能，在调试时，应当尽量避免加工姿态的快速变化。

采用主轴浮动装置提供恒压力，通常采用将电主轴嵌入到一个法兰内部，在法兰内部的一个或多个方向采用气动活塞顶推主轴的方式实现。当主轴上的工具受到外力，主轴在气动活塞的可移动范围内相对于法兰的姿态发生变化，进而对工件过高的表面进行避让，避免主轴负载过大而堵转。主轴相对于工件表面所提供的压力，可以通过调整气动活塞的供气压力来实现。

对比可知，使用机器人力控制的方式，更容易摸索适合的工艺参数；而采用主轴浮动的方式，在工程实施时调试方面更简单；在机械结构设计合理的情况下，使用主轴浮动方式的综合实施效果并不低于采用机器人力控制功能的情况。

3 打磨驱动电机的选择

根据第1.3节的描述，我们可以得出一个结论：磨料与工件贴合面的的线速度过低会影响加工效率；过高会造成工件损伤甚至损害磨具。所以，为了工艺调整的需要，驱动电机应选择高速变频电机，在一个宽的范围内实现良好的调速性能；考虑到在任何可能的设定转速，电机都是带负荷工作，电机扭矩不能降低。由此可知，电机和匹配的变频器，应具备V/F特性，在调速的同时，保持电机最大可输出扭矩近似不变。能在很宽的范围提供恒扭矩输出的电机，通常是电主轴。电主轴的冷却方式，分为水冷和风冷；风冷需要不断的消耗压缩空气，压缩空气能效比很差，并且其制冷能力远不如水冷。所以，应优选水冷的电主轴。在功率上，在大多数情况下，当机器人负载约为200kg，电机功率选择12～18kW，转速选择5000～12000rpm，是一个适合机器人磨削的测试范围；当然这还要考虑磨具样式、磨具尺寸、磨具和工件的接触面积大小、磨削正压力设置等具体工况。

4 机器人携持目标的确定

机器人挟持的目标，要根据工件/工具的重量、来料形式做划分，目标是降低设备引进的综合成本。可以按照以下原则确定。

4.1 大尺寸工件

大尺寸工件，在打磨加工时，虽然打磨的力不一定很大，但转换到工件中心，打磨造成的扭矩可能很大。这要求工件的固定有很大的力。如果机器人携持工件，则机器人必然要有很大的负载，进而提高成本。所以，对于大尺寸工件，一般采用工件固定、机器人携持工具的形式加工。

4.2 需要多种工具进行加工的工件

多种工具加工，如果仍然采用工件固定、机器人携持工具的方式，在加工过程中，机器人必然要经常的更换工具，这会降低生产效率；同时，机器人自动更换工具，就必须要配备工具库以及自动换枪盘或者自动更换工具柄，将增加成本。所以，对于非大型工件，以采用机器人携持工件的形式作为首选。

5 工件异形的应对策略

金属去量打磨所面对的工件，其待加工部位会不可避免的存在形体差异，这个差异可能是因于待去除的表面毛刺、凸起，也可能因于基体。通常，因于基体造成的表面形体差异是不需要采用打磨的方式去除的，因为这在经济性方面非常不划算；但是，机器人在携带磨具行进过程中，要对工件基体的表面凸起进行避让。另外，工件表面需要打磨去除的毛刺、凸起，加工量大小不一；在磨削能力不变的情况下，大的去量必然要放慢加工速度，否则会造成驱动电机堵转，甚至工具损坏。所以，机器人有必要能够根据工件表面状态自适应的做出应对。对此，常用的应对方法是相对位置偏差检测和机器人自动调速。

5.1 采用相对位置偏差应对工件基体差异

大型铸件实际形体与标准模型存在差异是常见现象。这种工件，大多只要求把铸造分模线、披锋打磨光整。但是工件的偏差，会造成机器人行进轨迹与工件发生干涉；或者出现披锋毛刺脱离了加工轨迹的情况。在这种情况下，可以使用机器人携带传感器预先测量工件加工轨迹上的高度偏差，将此偏差加入到机器人作为坐标偏移量，对机器人的轨迹进行预先调整。这种方式的缺点在于，对于加工轨迹上有圆弧过渡的部分，难于拟合出匹配的轨迹，打磨后的产品经常需要人工二次修磨。

5.2 采用机器人自动调速应对待去除的大毛刺凸起

机器人都可以通过外部信号调整速度倍率。在打磨时遇到大的毛刺凸起，行进受到阻碍，打磨驱动电机的负载加大，电流加大。可以从主轴驱动变频器中将该电流值读出来，作为调速条件。因反馈和机器人变速本身存在延迟，在实践中，按照电流大小设计出线性减速函数并没有太大意义，一旦调整不及时反而会造成电机堵转，形成故障停机。一种简单可行的控制策略是：检测到电机电流超过正常加工电流的50%时，直接将机器人的行进速度一次性降低到正常速度的15%～25%；如果电流在1秒后仍然不能回到正常范围，机器人的行进速度再次降低到正常速度的3%～5%。在电流回到正常范围后，经过10s以上的低速运行，可以按照每秒将机器人速度倍率提升5%的方式，逐渐提高行进速度；提速过程中一旦发生电机电流超过正常运行电流，说明障碍物仍未越过，此时应立即再次将速度倍率降低到加速前的值。

6 结语

本文从磨削过程分析、磨料选择方向、磨削参数设定和调整方向、打磨驱动选型、机器人携持目标的确定、工件异形对策等方面，总结了采用机器人实现金属制件去量打磨的工程经验，对于机器人金属打磨项目的工程实施具有指导意义。