湯愛軍，諸進(jìn)才

（1.富士康科技集團(tuán)，廣東 深圳 518110；2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510430）

拋光是產(chǎn)品制造最重要的工序之一，常作為產(chǎn)品最后表面處理工序之一，直接影響產(chǎn)品最終外觀和品質(zhì)。目前業(yè)界手機(jī)外殼常用輕質(zhì)鋁合金，該類產(chǎn)品的拋光當(dāng)前多采用手工作業(yè)，存在自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品品質(zhì)一致性差、良率低和效率不高等問(wèn)題[1]。同時(shí)多采用干式拋光，原因是干式拋光耗材為固態(tài)蠟搭配拋光輪，成本低廉。并且干式拋光屬于熱加工，拋光輪搭配拋光蠟和產(chǎn)品之間的相互摩擦作業(yè)，產(chǎn)生局部的高壓高溫，更有利于產(chǎn)品表面材料的塑性流動(dòng)和它們之間的化學(xué)作用，也就有利于高品質(zhì)表面的形成[2]。

這種人工干式拋光作業(yè)方式，不僅生產(chǎn)效率低，更嚴(yán)重的是存在三大安全隱患：（1）拋光產(chǎn)生粉塵、噪音和振動(dòng)等，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度高，對(duì)工人存在職業(yè)病危害；（2）干式拋光產(chǎn)生的粉塵，是產(chǎn)品材料、拋光輪和拋光蠟的拋光粉塵混合物，主要成份是金屬、磨料、棉、毛和纖維等，這屬于易燃易爆粉塵。這類粉塵的堆積和揚(yáng)塵濃度達(dá)到一定程度，遇到火源的情況下，即可能會(huì)產(chǎn)生塵爆和二次爆炸。塵爆的后果會(huì)產(chǎn)生重大的生命財(cái)產(chǎn)損失，近十年發(fā)生多起重大傷亡塵爆事故，特別是2014年8月2日，昆山中榮金屬制品有限公司汽車輪轂車間發(fā)生爆炸，造成68人死亡，187人受傷就是個(gè)慘痛的教訓(xùn)[3]；（3）拋光壓力是影響品質(zhì)的重要影響因素，如果拋光壓力控制不好，甚至發(fā)生撞機(jī)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品損壞報(bào)廢，存在產(chǎn)品安全隱患[4]。上述三個(gè)隱患，是困擾手機(jī)制造企業(yè)的問(wèn)題，也是企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化升級(jí)改造急需解決的問(wèn)題。

1 機(jī)器人拋光安全系統(tǒng)開發(fā)

針對(duì)手機(jī)外殼人工手工拋光存在的三個(gè)安全隱患，公司項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)多個(gè)專案探索開發(fā)，最終開發(fā)出了以機(jī)器人搭配力控和水簾柜的機(jī)器人拋光安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)由六軸工業(yè)機(jī)器人、拋光機(jī)、力感、手爪、打蠟機(jī)、水簾柜、供料臺(tái)及機(jī)架等所組成，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人拋光安全系統(tǒng)

1.1 機(jī)器人代替人工提高效率保證工人安全

針對(duì)人工拋光存在的職業(yè)病安全隱患，公司項(xiàng)目組開發(fā)了六軸工業(yè)機(jī)器人代替人工進(jìn)行拋光作業(yè)，如圖2所示。機(jī)器人把工人從惡劣的拋光環(huán)境、繁重的勞動(dòng)強(qiáng)度中解放出來(lái)，遠(yuǎn)離職業(yè)病，保障工人的安全。

圖2 機(jī)器人拋光作業(yè)示意圖

機(jī)器人自動(dòng)打磨拋光，相比人工手工作業(yè)，具有如下幾個(gè)特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）機(jī)器人具有“走軌跡+上下料”功能，可實(shí)現(xiàn)打磨拋光全自動(dòng)化，進(jìn)一步減少作業(yè)人員；（2）提高產(chǎn)能，提升效率，降低成本；（3）產(chǎn)品品質(zhì)一致性好，良率提升；（4）屬于彈性自動(dòng)化設(shè)備，柔性好，產(chǎn)品變化，設(shè)備可重復(fù)利用；（5）節(jié)省員工招募、培訓(xùn)、薪資、管理等成本。機(jī)器人代替人工進(jìn)行打磨拋光，在各行業(yè)各產(chǎn)品陸續(xù)有開發(fā)導(dǎo)入，均有不錯(cuò)的效果[5]。

1.2 水簾柜方案杜絕塵爆保障工業(yè)安全

大量鋁粉塵（粒徑≤75μm）遇潮濕或水蒸氣能自燃，因此，干燥易燃易爆粉塵堆積是塵爆的隱患因素之一。當(dāng)前拋光企業(yè)主要采用抽風(fēng)系統(tǒng)把粉塵抽進(jìn)濕式除塵塔進(jìn)行處理，該方法存在粉塵日積月累后在管道內(nèi)堆積的風(fēng)險(xiǎn)，依據(jù)國(guó)家安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求企業(yè)提高管道風(fēng)速至23 m/s以上，并定期清理，保證粉塵堆積厚度小于安全厚度1 mm，這對(duì)抽風(fēng)系統(tǒng)提出較高的功率要求，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)管理成本也會(huì)隨之增加[6，7]。為了確保拋光安全，設(shè)計(jì)開發(fā)了安全拋光水簾柜如圖3所示。

圖3 安全拋光水簾柜

安全水簾柜的原理是通過(guò)水循環(huán)系統(tǒng)，讓水簾柜左右和前后壁形成薄水幕，而底部是大水槽，儲(chǔ)存一定深度的水。機(jī)器人、拋光機(jī)、打蠟機(jī)等拋光設(shè)備安裝于其中，拋光過(guò)程產(chǎn)生的粉塵，將沉落于大水槽或四側(cè)壁上，被水幕沖刷到大水槽內(nèi)，成為濕式安全粉塵，最終進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)，被過(guò)濾定期清理掉，從而杜絕掉干式粉塵堆積的風(fēng)險(xiǎn)。

拋光由于持續(xù)產(chǎn)生熱，容易致使封閉的水簾柜內(nèi)溫度升高至40℃以上。高溫也是塵爆的隱患因素之一，也不適于人工上下料，設(shè)備操作和維護(hù)保養(yǎng)。經(jīng)過(guò)分析檢討，項(xiàng)目組提出在水簾柜頂部安裝定制工業(yè)空調(diào)，設(shè)定合適的溫度和濕度分別為28℃和75%，如超限則報(bào)警停機(jī)，該方案能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和控制水簾柜內(nèi)溫度和濕度。

同時(shí)在水簾柜內(nèi)安裝懸掛自爆貯壓式干粉滅火器和粉塵濃度檢測(cè)儀，設(shè)定粉塵質(zhì)量濃度安全閥值為4 mg/m3（按照本公司標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)遠(yuǎn)小于鎂鋁粉塵塵爆濃度下限40 g/m3）。并要求水簾柜內(nèi)所有電器組件、功能模組、設(shè)計(jì)選型均符合國(guó)家相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，必須等電位連接并接地，接地電阻小于100Ω，不產(chǎn)生靜電和電火花。

設(shè)計(jì)的水簾柜能自動(dòng)檢測(cè)控制粉塵濃度和溫度，把干式粉塵變成濕式粉塵過(guò)濾處理，并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)保護(hù)措施，有效杜絕塵爆風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 力控系統(tǒng)提高品質(zhì)保證產(chǎn)品安全

根據(jù)Preston方程可知，每一加工點(diǎn)的材料去除率與拋光壓力及相對(duì)速度成正比，拋光壓力是產(chǎn)品拋光品質(zhì)和效率的重要影響因素之一[8]。人工手工拋光，可憑人手的感覺(jué)控制拋光壓力，但不均勻，無(wú)法做到精準(zhǔn)控制。有些自動(dòng)拋光設(shè)備，也因技術(shù)難題和節(jié)省成本，沒(méi)有安裝力控裝置，僅依靠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出的軌跡和經(jīng)驗(yàn)值，進(jìn)行定期自動(dòng)補(bǔ)償，但這種補(bǔ)償是開環(huán)的，無(wú)法回饋補(bǔ)償是否達(dá)到要求，這也就存在產(chǎn)品品質(zhì)甚至產(chǎn)品報(bào)廢的隱患。

針對(duì)上述問(wèn)題，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)開發(fā)了與機(jī)器人搭配的力控裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人拋光壓力的自動(dòng)檢測(cè)和控制，使每個(gè)產(chǎn)品拋光過(guò)程壓力變化基本一致，保持在合理水平范圍，確保產(chǎn)品安全。

設(shè)計(jì)開發(fā)的機(jī)器人力控控制架構(gòu)如圖4所示，力傳感器安裝于機(jī)器人第六軸，直接檢測(cè)和控制機(jī)器人拋光壓力（拋光軌跡曲線法向量合成力F）。機(jī)器人的工控機(jī)與力感控制器通過(guò)Ether CAT（實(shí)時(shí)以太網(wǎng)）通信進(jìn)行控制。Ether CAT相比最常用簡(jiǎn)單的串口（RS232、RS485），實(shí)時(shí)性更好，速度快；而相對(duì)于模擬量輸出，既保持了模擬量的實(shí)時(shí)高速，還不存在模擬量輸出的最大問(wèn)題，即受干擾問(wèn)題，具有抗干擾性好。

圖4 機(jī)器人力控控制架構(gòu)

設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制過(guò)程力控系統(tǒng)原理如圖5所示，屬于機(jī)器人的主動(dòng)柔順控制[9]。機(jī)器人拋光軌跡上的點(diǎn)位，由理想軌跡相應(yīng)的參考位置點(diǎn)r，結(jié)合力控反饋的電壓與理想拋光壓力對(duì)應(yīng)的電壓值之間的差值ΔV，轉(zhuǎn)化為位置補(bǔ)償值y，通過(guò)PID智能控制算法，控制機(jī)器人走補(bǔ)償后的實(shí)際軌跡，使它實(shí)際運(yùn)行軌跡過(guò)程中的拋光壓力，控制在理想拋光壓力的上下限范圍內(nèi)。

圖5 力控系統(tǒng)原理圖

理想的拋光壓力變化曲線，是通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化得到的，達(dá)成客戶品質(zhì)良率和效率的拋光軌跡所對(duì)應(yīng)拋光壓力變化曲線。由于影響機(jī)器人拋光品質(zhì)的因素有很多，如產(chǎn)品材料、來(lái)料品質(zhì)、打磨軌跡、速度、壓力、時(shí)間、工具、耗材、品質(zhì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等等。通過(guò)一系列的打磨單因素和正交DOE（Design Of Experiments實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目組不斷總結(jié)出各因素的影響規(guī)律，找出關(guān)鍵因素，得出品質(zhì)和良率最優(yōu)的關(guān)鍵因素水平組合，并優(yōu)化打磨CT（cycle time生產(chǎn)周期），達(dá)成客戶產(chǎn)能需求，最后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化的拋光軌跡所對(duì)應(yīng)的拋光壓力變化曲線，即是理想的拋光壓力變化曲線。調(diào)整壓力上下限范圍，確保產(chǎn)品品質(zhì)良率在可接受范圍，得出拋光壓力上下限控制線。

2 應(yīng)用推廣效益

開發(fā)的手機(jī)外殼機(jī)器人拋光安全系統(tǒng)符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)了富士康科技集團(tuán)安全處的安全認(rèn)證，也得到了幾大客戶的認(rèn)可，已在多款產(chǎn)品上成功應(yīng)用。如圖6為某款手機(jī)外殼機(jī)器人拋光系統(tǒng)，該自動(dòng)化安全拋光系統(tǒng)節(jié)省了大量的人工，把工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來(lái)，保障工人的安全，杜絕了塵爆風(fēng)險(xiǎn)，保障了生產(chǎn)工業(yè)安全。力控的使用，保障了產(chǎn)品的安全，也提升了產(chǎn)品優(yōu)良率，產(chǎn)生了良好的有形經(jīng)濟(jì)效益和無(wú)形經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 某款手機(jī)外殼機(jī)器人拋光系統(tǒng)

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前手機(jī)外殼人工拋光存在的三個(gè)安全隱患，設(shè)計(jì)開發(fā)了機(jī)器人安全拋光系統(tǒng)，既保留了干式拋光低成本優(yōu)勢(shì)，又保證了工人安全，生產(chǎn)工業(yè)安全和產(chǎn)品安全。經(jīng)多個(gè)項(xiàng)目應(yīng)用推廣，得到多個(gè)客戶的認(rèn)可，證明該系統(tǒng)有明顯的有形經(jīng)濟(jì)效益和無(wú)形經(jīng)濟(jì)效益。隨著更多打磨拋光類項(xiàng)目的應(yīng)用開發(fā)，今后該套安全系統(tǒng)將繼續(xù)優(yōu)化完善和應(yīng)用推廣。

[1]劉廣保，趙吉賓，田鳳杰.基于力控制的機(jī)器人研拋工藝研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2015（2）：119-130.

[2]陸 俞，唐叢梅，劉 衫，等.拋光工藝技術(shù)及其應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2002（7）：109-110.

[3]楊 玲.鋁粉塵爆炸典型案例分析及安全對(duì)策[J].云南化工，2017（6）：126-128.

[4]杜 月.機(jī)器人輔助拋光系統(tǒng)末端拋光工具的優(yōu)化設(shè)計(jì)與軌跡規(guī)劃[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[5]賈時(shí)成，孫英飛.國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人打磨系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新品，2014（4）：149-150.

[6]AQ4273-2016粉塵爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所用除塵系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)范[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2017.

[7]AQ4272-2016鋁鎂制品機(jī)械加工粉塵防爆安全技術(shù)規(guī)范[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2017.

[8]Preston FW.The theory and design of plate glass polishing[J].Journal of the Society of Glass Technology,1927（11）：214-256.

[9]殷躍紅，尉忠信，朱劍英.機(jī)器人柔順控制研究[J].機(jī)器人，1998（3）：232-240.