四通件机器人打磨抛光方案设计与工艺研究

严楠 陈罡 金超超 齐越

摘要：针对工业机器人对四通件打磨抛光的特点和工作过程，提出了一种利用工业机器人对五金产品进行打磨抛光方案，研究了机器人力控原理及打磨抛光相关工艺。采用Solidworks建立虚拟样机，设计机器人夹手和定位工装，构建机器人的五金四通件测试平台，研究其打磨测试参数及打磨效果。结果表明，采用240#的砂带进行打磨，砂带转速变化范围1000～1250 r/min ，发泡轮硬度为30，砂带机的发泡轮的硬度为40，能够较好地实现本产品的打磨抛光，该方法为相关产品的打磨抛光实际应用提供了理论指导和数据参考，有助于提高生产效率，提高企业经济效益。

关键词：机器人;五金产品;打磨抛光工艺

中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0063-03

Study on Design and Technology of Robot Polishing for Four-way Parts

Yan Nan1，Chen Gang1，Jin Chaochao2，Qi Yue3

（1. Ningbo Polytechnic Mechanical & Electrical Engineering College， Ningbo， Zhejiang 315800， China;2. Ningbo Welllih Robot Technology Limited Company， Ningbo 315480， China;3. Beijing Aerospace Intelligent Manufacturing Technology Development Co.， Ltd.， Beijing 100039， China）

Abstract： According to the characteristics of industrial robot to cross a fine polishing and working process， the solution of the hardware product to make use of industrial robot grinding and polishing was proposed， and the principle of machine manpower control and related process of grinding and polishing were studied. Solidworks was used to establish virtual prototype， design robot clamping and positioning tooling， and the robot hardware four-way parts test platformis built， and its grinding test parameters and grinding effect were studied. The results show that the 240# abrasive belt is used well for grinding， as the range of abrasive belt speed is 1000～1250 r/min， and the hardness of the foaming wheel is 30， and the hardness of the foaming wheel is 40. The method provides theoretical guidance and data reference for the practical application of grinding and polishing of related products， and helps to improve production efficiency and economic benefits of enterprises.

Key words： robot; hardware products; grinding and polishing process

0 引言

我國是世界五金生产大国之一，已经成为世界上主要的五金制造和出口大国，具备广阔的市场和消费潜力。在五金生产过程中，五金产品在产品生产的过程中会有刮伤或是接缝，打磨抛光主要就是把生产或是运输中工件的损伤层去掉，把这些损伤和接缝打磨光滑，使产品光洁明亮。多数五金类产品零件对尺寸、形位精度要求并不严格，但对表面粗糙度要求甚高，因而，打磨抛光是影响其产品质量优劣的重要加工环节。五金产品打磨抛光是一个重复和繁琐的工作，而我国此类打磨工艺多数仍处于人工或半自动化阶段[1-3]。此种作业模式存在诸多不利因素：打磨产生的火花、粉尘及噪声严重影响人的身心健康;工人无法长时间集中精力从事紧张、重复的劳动，容易发生工伤事故;五金产品打磨的位置多为曲面，传统的人工打磨抛光存在打磨质量不稳定、效率低下等特点[4-5];人工打磨质量要依照工人经验去判断好坏，使得打磨质量无法得到保证;熟练工的缺失，工效低下且招工困难;人工成本不断抬高，而且恶劣的工作环境必须为工人支付更高的薪酬，招工难、招工贵成为了企业新的难题，传统人工打磨作业已经解决不了企业当下的生产需求[6-7]。

本文基于现有需求对五金产品四通件进行打磨测试，根据打磨要求进行方案设计，采用Solidworks建立虚拟样机，并建立机器人的五金四通件测试平台，研究打磨测试参数及打磨效果。

1 方案设计

四通件材料为黄铜，打磨位置如图1所示。根据现有工艺要求，需对表面进行打磨抛光，氧化皮打掉，保证产品形状不变。

针对水龙打磨要求，以六轴机器人为主的机器人研磨抛光实验平台，针对打磨工艺进行了分析研究，以某企业生产的五金四通件为例进行了打磨加工实验。四通件机器人打磨系统主要包括：机器人系统、磨削抛光系统、工装定位系统、电控系统、储料仓、工作台等相关部分组成，如图2所示。

为保证打磨效果，系统配备多组抛光砂带机，机器人可在一个工作台上完成多步工序，适合大批量、多批次的加工要求，柔性化高;砂带机采用力控调节机构，以保持打磨力维持在一个较为恒定合理的范围;打磨控制系统控制以工控机为核心，控制机器人示教系统、砂带机系统、工装夹具定位系统、传感反馈系统等，砂带机转速、压力等可通过采用触摸屏进行控制，方便可靠[8-9]。

2 抛光加工工艺

2.1 机器人打磨力学模型

针对四通件机器人打磨抛光产业化应用，打磨和抛光等接触性质的作业任务对机器人来说具有相对较大的难度，必须在控制位置的同时对机械手和环境之间的接触力进行控制[10-11]。机器人采用的是位置控制，柔性化差;砂带机要进行磨削，为保证两者接触时的安全及压力的稳定，需要力控制的驱动使系统具有一定的柔性;另一方面为了提高磨削精度，要求砂带机能够快速响应磨削应力的变化，要确保力控制具有一定的精度。

机器人打磨抛光系统主动柔顺控制结构主要是力控制，机器人在加工过程中基于力反馈的柔顺控制[12-13]。根据得到当前打磨作用力，与给定力比较，通过力控制器得到位置修正量，阻抗控制器执行修正后的位置命令，从而实现基于主被动柔顺结构的阻抗内环力外环打磨力控制。采用力/位混合控制技术，提供力/位两种控制模式，根据具体加工工序要求切换控制模式，实现打磨的工艺规划和优化，保证表面的加工质量并提高加工效率。基于外力补偿的打磨机器人力控框图如图3所示。

2.2 抛光加工工艺参数分析

影响四通件打磨抛光效果的因素主要包括工件材质、磨料粒度和性质、打磨压力、打磨工具的速度等[14-15]，关系如图4所示。

由图可知，各打磨抛光参数与表面质量、加工精度、加工效率之间的影响规律。图中三角形的左边是磨粒的直径、研磨抛光盘材质与抛光表面质量和粗糙度的关系;右边是打磨抛光压力、抛光盘和工件之间的相对速度与加工精度的关系。通过顶边的加工效率可以将左右两边的参数联系起来。三角形中点1代表着用较小直径的磨粒、材质较软的抛光头，用该种参数抛光时，工件的加工表面质量较高。点1′是由点1引与三角形右边平行的线交于顶边得到的，由点1′可知用这种参数抛光时加工效率较低。点1″是从点1′引与三角形左边平行的线交于右边得到的，由点1″可知用该参数的加工精度高;类似的，三角形中点2代表打磨抛光压力和相对速度较高时，打磨抛光加工效率较高，但表面质量降低，表面粗糙度增大。

2.3 砂带机选型

四通件砂带磨削是弹性磨削弹性来自于接触轮及砂带自身磨削时接触轮发生的弹性变形，磨削弧度增大，同时参与磨粒的增多，从而提高了磨削效率，难以像砂轮磨削那样通过光磨达到控制尺寸的目的。由于组成砂带的基材、黏结剂都具有一定的弹性，而接触多数采用具有弹性的橡胶制作，所以砂带磨削除具有砂轮同样的滑擦、耕犁和切削作用外，还有磨粒对工件表面的挤压，工件表面塑性变形、冷硬层变化和表面撕裂及热塑性流动的综合作用。因此，砂带磨削同时具有磨削、研磨、抛光的多重作用，因而加工表面质量好。而弹性磨削又便接触长度增大，整个砂带磨耗比砂轮小得多。四通件和砂带接触压力和砂带的张力越大，材料的去除率越高。相关参数满足如下关系[16]：

式中：Fz为张紧力;k 为张紧系数;αρ为磨削深度; Ff 砂带主动轮牵引力; vs 为砂带线速度;B 為砂带宽度。

根据式（1），四通件在打磨抛光过程中，磨削的越深，砂带的张紧力就越大;砂带机的驱动拉力越大、转速越快，张紧力越大;砂带越宽，张紧力越大。因此要提高四通件打磨的材料去除率，应选择较宽的砂带，同时合理地提高砂带转速，选择功率更大的电机对砂带进行驱动。根据本产品打磨抛光要求，选取某国产砂带机相关参数如表1所示。

3 实验

如图5所示，四通件机器人打磨系统以某国产负载20 kg工业机器人为打磨本体，采用气动夹手夹持工件，工件放置在初始定位工装上，为保证全方位的对四通件在抛过程中位置可达，磨抛过程中工件要进行变位，配合机器人打磨。为保证打磨效果，采用双层砂带机，型号为240#砂带。

为保证打磨效果，采用气动夹手对工件进行加持，考虑对不同位置打磨，机器人分两次对四通件进行夹持定位，实现自动抓取。定位方式如图6所示。

四通件打磨抛光主要过程如下：首先经过粗磨，去除工件表面在铸造时产生的接缝凸起;然后通过精磨去除余量;利用粒度中等的砂带对四通件粗抛加工，降低工件表面粗糙度;在经过细粒度的砂带对工件进行精加工，满足四通件最终的表面粗糙度要求。打磨效果如图7所示。

根据实验结果，对轮子和砂带改进之后打磨的效果会更好，示教过程中在优化机器人磨抛力度和轨迹方面也更能保证工件各个位置得一致性;经过测试，砂带机的发泡轮的硬度为40，采用240#的砂带进行打磨，砂带机转速为800 r/min ，机器人速度 MOVL为400 m/min ，四通件打磨抛光效果较好。选取发泡轮得硬度为30，耗材选取3 M 砂带337DC 、A300、A160、A65和 SCSFN尼龙砂带，四道砂带打磨保证四通件表面打磨抛光质量较好。4结束语

本次实验针对四通件设计了打磨抛光方案，研究并分析了其打磨工艺，根据打磨抛光实验得到结论如下。

（1） 砂带转速太高，会造成过磨过抛，致使表面质量下降;转速太低，会减慢加工效率。实验中，在其他打磨环境相同的情况下，砂带转速的变化范围为1000～1 250 r/min，性能良好，打磨效果满足要求。

（2）根据实际打磨效果，可以实现四通件打磨的位置可达。验证了所选机器人及打磨方案的合理性，整个机器人研磨抛光实验平台结构稳定，验证了工艺的合理性，测试效果良好。

（3）该打磨抛光设备可满足多批次、大批量生产模式，柔性化程度高，自动化程度高，打磨效率高，稳定性可靠，减少用人及相关设备维护成本，可提高企业经济效益，并可为相关产品的实际应用提供理论指导。

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第一作者简介：严楠（1987-），男，硕士研究生，工程师，研究领域为机器人、先进制造技术。

（編辑：刁少华）