樊智敏，郭 輝，姚志強(qiáng)，王奉龍

(中航飛機(jī)股份有限公司 長(zhǎng)沙起落架分公司，陜西 漢中 723000)

目前，國(guó)內(nèi)大部分機(jī)械制造業(yè)、加工業(yè)、模具業(yè)、木業(yè)、皮革業(yè)等打磨拋光工藝主要由打磨操作者進(jìn)行。其工作的主要目的是去除產(chǎn)品工件表面的毛刺，使之光滑，易于繼續(xù)加工或達(dá)到成品。打磨產(chǎn)生的粉塵顆粒會(huì)影響打磨操作者肺部及呼吸道、鼻腔健康。同時(shí)，打磨操作過(guò)程中產(chǎn)生的高速顆粒、火花，不但會(huì)刺激皮膚導(dǎo)致灼傷，而且嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)或發(fā)生爆炸[1]。為保障操作者人身健康，消除噪聲、粉塵污染，提高產(chǎn)品加工精度一致性，降低廢品率，大幅度提供生產(chǎn)效率，引進(jìn)了結(jié)構(gòu)件智能打磨技術(shù)并開(kāi)展了相關(guān)研究。機(jī)器人打磨按照作業(yè)方式不同分為2種形式：機(jī)器人夾持工件進(jìn)行打磨(工件型機(jī)器人)和機(jī)器人拿著工具進(jìn)行打磨(工具型機(jī)器人)。工具型打磨機(jī)器人主要用于大型工件的打磨加工，例如大型鑄件、葉片、大型工模具等。工件型打磨機(jī)器人主要適用于中小零部件的自動(dòng)化打磨加工，還可以根據(jù)需要配置上料和下料的機(jī)器人，完成打磨的前后道工序的工件自動(dòng)化輸送[2-5]。

1 智能打磨單元工藝流程

起落架為飛機(jī)起飛著陸的主要承力部件，其結(jié)構(gòu)件多選用A100、300M等超高強(qiáng)度鋼，超高強(qiáng)度鋼對(duì)應(yīng)力集中和應(yīng)力腐蝕比較敏感，為保證結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)件表面粗糙度一般要求≤Ra3.2 μm，應(yīng)力復(fù)雜部位要求≤Ra1.6 μm。為此，熱處理前起落架結(jié)構(gòu)件的所有表面均留一定余量，以便安排工序進(jìn)行打磨。通過(guò)打磨光整降低起落架結(jié)構(gòu)件表面粗糙度，排除表面缺陷，保證被加工零件表面完整性。

飛機(jī)起落架結(jié)構(gòu)件智能打磨工藝流程(見(jiàn)圖1)：1)通過(guò)編程軟件，對(duì)工件打磨工序進(jìn)行離線(xiàn)編程，生成程序后，將其發(fā)送至機(jī)器人智能打磨單元，并人工校驗(yàn)打磨程序；2)防護(hù)門(mén)打開(kāi)，RGV上件，夾具關(guān)閉，工作臺(tái)將打磨工件輸送至打磨工位，安全門(mén)關(guān)閉；3)機(jī)器人抓取激光測(cè)量?jī)x，對(duì)工件進(jìn)行掃描定位；4)確認(rèn)位置后，機(jī)器人抓取各打磨工具并與變位機(jī)相配合，對(duì)工件進(jìn)行打磨；5)打磨結(jié)束后，防護(hù)門(mén)打開(kāi)，RGV下件，安全門(mén)關(guān)閉；6)重復(fù)步驟1～步驟5。

圖1 工藝流程

2 智能打磨單元組成

智能打磨單元主要由ABB六軸機(jī)器人、打磨工作臺(tái)、多工位刀具庫(kù)、掃描定位系統(tǒng)、負(fù)壓集塵系統(tǒng)、防護(hù)罩以及電控系統(tǒng)等構(gòu)成，總體設(shè)備布局如圖2所示。智能打磨單元配備一套全自動(dòng)去毛刺打磨光整系統(tǒng)，利用六軸機(jī)器人及打磨臺(tái)，對(duì)不同工件不同打磨位置進(jìn)行自動(dòng)打磨加工，以達(dá)到光整、去毛刺效果。該設(shè)備還具有自動(dòng)換刀功能，針對(duì)不同工件的不同部位，使用不同打磨工具，以達(dá)到最佳打磨效果[6-7]。該智能打磨單元主要功能特點(diǎn)如下。

圖2 總體設(shè)備布局

1)可兼容多種工件，包括多種材質(zhì)工件，如鈦合金、高溫合金、不銹鋼等。

2)具備定制化用戶(hù)操作界面，根據(jù)不同工件自由選擇加工程序。

3)智能打磨單元配備加工工具庫(kù)，可由機(jī)器人根據(jù)加工需要抓取合適工具進(jìn)行加工。

4)智能打磨單元設(shè)密閉防護(hù)間及除塵機(jī)，能夠吸塵降噪，滿(mǎn)足環(huán)保需求。

5)智能打磨單元配備安全防護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)有異常發(fā)生時(shí)，可以隨時(shí)緊急停止，機(jī)器人工作時(shí)禁止人員入內(nèi)。當(dāng)安全鎖被打開(kāi)時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)停機(jī)防止意外發(fā)生。機(jī)器人自身各關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)具有過(guò)載保護(hù)功能，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)急停，防止事故發(fā)生。

2.1 ABB機(jī)器人

智能打磨單元的機(jī)器人采用ABB公司IRB6700型六軸工業(yè)機(jī)器人。每個(gè)軸臂均采用輕質(zhì)堅(jiān)固的材料結(jié)構(gòu)，各軸動(dòng)力傳遞平穩(wěn)，軸驅(qū)動(dòng)均為交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，任何一個(gè)軸都具有軟、硬2種限位裝置，機(jī)械軸有自動(dòng)平衡能力，1～6軸具備平衡和自鎖能力，保證在斷電或其他意外停機(jī)時(shí)不因自重而失控，同時(shí)設(shè)置手動(dòng)釋放鍵解除自鎖以便于操作。其平均故障間隔時(shí)間據(jù)測(cè)算長(zhǎng)達(dá)40萬(wàn)h。機(jī)器人在轉(zhuǎn)臂動(dòng)作時(shí)，具有碰觸保護(hù)功能，以防碰傷物件和人員。打磨機(jī)器人在整個(gè)智能打磨過(guò)程中有如下作用：1)執(zhí)行打磨程序，完成對(duì)工件的打磨；2)帶動(dòng)測(cè)量定位系統(tǒng)對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量定位；3)執(zhí)行自動(dòng)更換工具及磨頭動(dòng)作；4)機(jī)器人末端加裝六維力控裝置，可實(shí)時(shí)對(duì)打磨壓力進(jìn)行設(shè)定及監(jiān)測(cè)。

2.2 數(shù)控編程技術(shù)

2.2.1 離線(xiàn)編程系統(tǒng)

智能打磨單元的離線(xiàn)編程系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)基于工件三維數(shù)模生成加工路徑與仿真執(zhí)行，支持離線(xiàn)編程軟件，如Robot Master、PQArt、RobotOle、InteRobot。在此基礎(chǔ)上，還可根據(jù)工藝需求，手動(dòng)進(jìn)行編程，增加接近和離開(kāi)點(diǎn)，以及調(diào)整加工路徑和修改加工參數(shù)，最終生成機(jī)器人加工路徑，導(dǎo)入機(jī)器人控制器自動(dòng)執(zhí)行。機(jī)器人采用主控觸摸屏+手持操作盒的操作模式，能夠預(yù)編程并儲(chǔ)存打磨程序，通過(guò)程序名稱(chēng)進(jìn)行打磨程序調(diào)用。程序采用多段式編程模式，每段工序可設(shè)置不同的打磨參數(shù)。軟件的主要操作流程包括：導(dǎo)入工件模型；根據(jù)幾何數(shù)模的拓?fù)湫畔⑸蓹C(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行軌跡仿真、路徑優(yōu)化、后置代碼處理，生成路徑代碼。

2.2.2 設(shè)備在線(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)

智能打磨單元的自動(dòng)校準(zhǔn)功能，主要通過(guò)激光測(cè)量?jī)x傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的在線(xiàn)校準(zhǔn)與精確的加工位置測(cè)量，消除裝夾誤差，確保加工路徑與工件理論加工部位的一致性，并在測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)離線(xiàn)編程程序進(jìn)行打磨路徑偏差校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)打磨起始、暫停以及過(guò)渡位置的控制。

2.3 激光掃描測(cè)量

智能打磨單元的激光掃描定位技術(shù)采用非接觸掃描目標(biāo)的方式進(jìn)行測(cè)量，掃描目標(biāo)物體不需進(jìn)行任何表面處理，直接采集物體表面的尺寸數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠，系統(tǒng)測(cè)量精度≥0.2 mm。激光掃描技術(shù)采用主動(dòng)發(fā)射掃描光源(激光)，通過(guò)探測(cè)自身發(fā)射的激光回波信號(hào)來(lái)獲取目標(biāo)物體的數(shù)據(jù)信息。因此，在掃描過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)不受掃描環(huán)境的時(shí)間和空間的約束。激光掃描技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)是直接獲取的數(shù)字信號(hào)，具有全數(shù)字化特征，易于后期處理及輸出。若將其測(cè)量數(shù)據(jù)與離線(xiàn)編程后處理軟件交換，可進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人離線(xiàn)路徑。

2.4 工件變位系統(tǒng)

智能打磨單元的工件變位系統(tǒng)主要作用是夾持并輸送工件，裝夾方式為利用定位夾具的人工裝夾。由于工件種類(lèi)多，外徑及高度尺寸變化大，需要根據(jù)工件外徑尺寸配備多套定位夾具。轉(zhuǎn)臺(tái)依靠伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)、翻擺，并通過(guò)與機(jī)器人信號(hào)互通，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，精確定位，拓展機(jī)器人可達(dá)范圍。底部滑軌用于將轉(zhuǎn)臺(tái)送出防護(hù)間，以便工人上下料，底部滑軌為密封結(jié)構(gòu)。變位機(jī)外置數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)，可預(yù)防意外停車(chē)時(shí)對(duì)工件某一位置造成過(guò)打磨，從而避免工件報(bào)廢現(xiàn)象的發(fā)生。變位機(jī)和滑軌示意圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 變位機(jī)示意圖

圖4 滑軌示意圖

2.5 恒力浮動(dòng)打磨技術(shù)

機(jī)器人為多軸串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此其剛度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的加工機(jī)床，當(dāng)機(jī)器人與工件產(chǎn)生接觸力時(shí)，就難以控制機(jī)器人的進(jìn)給精度，恒力浮動(dòng)打磨技術(shù)可保證工件準(zhǔn)確的打磨量。其原理示意圖如圖5所示。

圖5 恒力原理示意圖

打磨工具與機(jī)器人之間安裝有浮動(dòng)及壓力控制部件，該部件有2個(gè)作用：1)保證光飾工具可以在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)，即打磨工具與機(jī)器人法蘭之間的距離能在一定范圍內(nèi)變化；2)保證打磨工具與機(jī)器人之間具有恒定的作用力N，即當(dāng)機(jī)器人帶動(dòng)打磨工具壓向工件時(shí)，產(chǎn)生的接觸壓力始終是恒定的。

2.6 打磨工具

為適應(yīng)不同的打磨情況，智能打磨單元配備多種打磨工具。打磨工具上安裝快換機(jī)構(gòu)，機(jī)器人抓取不同工具時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速更換。其中，電主軸帶自動(dòng)換刀功能，可根據(jù)不同打磨情況自動(dòng)更換不同磨頭。根據(jù)恒力浮動(dòng)打磨原理，配有恒力浮動(dòng)及限位裝置的電主軸可控制接觸壓力保證準(zhǔn)確的打磨量，即自動(dòng)適應(yīng)工件的型面變化，防止傷到工件本體。

2.7 快換裝置

智能打磨單元的機(jī)器人工具快換裝置(Robotic Tool Changer)用于機(jī)器人自動(dòng)切換抓取不同的加工工具。工具快換裝置(見(jiàn)圖6)包括一個(gè)安裝在機(jī)器人末端的主盤(pán)，以及若干個(gè)安裝在加工工具上的副盤(pán)。主盤(pán)、副盤(pán)結(jié)合的同時(shí)可自動(dòng)接通加工工具的電路及氣路。主盤(pán)與副盤(pán)通過(guò)壓縮空氣進(jìn)行連接，其特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)保證即使氣路意外斷開(kāi)，副盤(pán)仍不會(huì)脫落。

a) 快換裝置

2.8 多工位刀庫(kù)

智能打磨單元的加工工具庫(kù)用于擺放加工工件需要用到的工具。防護(hù)箱采用密封結(jié)構(gòu)，防止加工粉塵落在工具裝配面影響抓取精度。工具庫(kù)設(shè)計(jì)有自動(dòng)升降門(mén)，機(jī)器人抓取工具或者更換主軸磨頭時(shí)防護(hù)門(mén)打開(kāi)，動(dòng)作完畢后關(guān)閉。刀庫(kù)設(shè)有8個(gè)刀位，其中3個(gè)為使用刀具刀位，3個(gè)為備用刀具刀位，2個(gè)為預(yù)留刀位。每個(gè)工具位置設(shè)置有傳感器，用于判斷機(jī)器人當(dāng)前抓取的工具。

2.9 負(fù)壓集塵系統(tǒng)

智能打磨單元的含塵氣體在離心風(fēng)機(jī)的離心力作用下進(jìn)入除塵器勻流室，進(jìn)入勻流室后由于氣流斷面突然擴(kuò)大及氣流分布板作用，氣流中一部分粗大顆粒在動(dòng)和慣性力作用下直接沉降到灰斗；粒度細(xì)、密度小的塵粒進(jìn)入各濾塵室后，通過(guò)布朗擴(kuò)散和篩濾等組合效應(yīng)，使粉塵沉降在濾芯表面上，凈化后的氣體進(jìn)入凈氣室由排風(fēng)管經(jīng)風(fēng)機(jī)排出。設(shè)備的阻力隨著濾袋表面粉塵層厚度的增加而增大。阻力達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)進(jìn)行清灰。此時(shí)集塵器控制電磁脈沖閥逐個(gè)開(kāi)啟，壓縮空氣以極短的時(shí)間通過(guò)誘導(dǎo)噴嘴涌入濾筒，使濾筒膨脹變形產(chǎn)生振動(dòng)，并在逆向氣流沖刷的作用下，附著在濾筒外表面上的粉塵被剝離落入灰斗中。

2.10 防護(hù)工作間

智能打磨單元的防護(hù)工作間由鋁型材、鈑金件、有機(jī)玻璃及其他附件組成。其整體密閉性好，設(shè)有進(jìn)出料門(mén)、檢修門(mén)等，局部可視化，便于觀(guān)察零件加工狀態(tài)。檢修門(mén)設(shè)有安全聯(lián)鎖，以保證人員安全。

2.11 電控系統(tǒng)

智能打磨單元的控制系統(tǒng)主要包括電控柜、PLC、變頻器等電氣件及管線(xiàn)。通過(guò)PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備全自動(dòng)運(yùn)行、報(bào)警等。以PLC作為控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)觸摸顯示屏可以觀(guān)察當(dāng)前批次加工工件型號(hào)、設(shè)備工作狀態(tài)、報(bào)警信息等。所有的控制部分都通過(guò)PLC整體監(jiān)控，并發(fā)出控制信號(hào)。在需要調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)，可在觸摸顯示屏上手動(dòng)調(diào)整，滿(mǎn)足不同工件的光飾工藝要求，且設(shè)備系統(tǒng)具備一鍵啟動(dòng)。設(shè)備的狀態(tài)通過(guò)三色燈進(jìn)行指示，黃色表示待機(jī)，綠色表示自動(dòng)運(yùn)行，紅色表示設(shè)備故障。

3 智能打磨技術(shù)應(yīng)用

智能打磨單元具備在線(xiàn)檢測(cè)功能，能夠?qū)ぜb夾誤差、自身公差進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償。工件通過(guò)滑軌自動(dòng)上下料，采用機(jī)器人自動(dòng)抓取換刀功能，實(shí)現(xiàn)零件的定點(diǎn)打磨、拋光及去毛刺功能。其主要優(yōu)點(diǎn)：1)可提高零部件表面質(zhì)量，如改善表面粗糙度、TP值，減少表面缺陷，改變表面紋理；2)提高零部件性能指標(biāo)，如改善殘余應(yīng)力，提高顯微硬度；3)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)打磨拋光清理，完全解放了人工；4)超高柔性，高度靈活，大大提高了打磨效率，且能24 h連續(xù)不間歇高速工作，不受任何外界因素的干擾，打磨拋光穩(wěn)定性好，產(chǎn)品一致性高，表面完整性好；5)離線(xiàn)編程適合多種產(chǎn)品的打磨拋光；6)系統(tǒng)集成、聯(lián)動(dòng)性好，能和其他設(shè)備之間通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接，組成智能生產(chǎn)線(xiàn)，進(jìn)一步提高能效，節(jié)約成本[8-10]。

目前，對(duì)智能打磨單元上線(xiàn)運(yùn)行的10余項(xiàng)產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，整體效率提升50%。在智能打磨單元對(duì)圖7所示某兩項(xiàng)起落架結(jié)構(gòu)件進(jìn)行曲面、拐角打磨拋光，打磨后的尺寸幾何特征良好，表面粗糙度為Ra(3.2～1.6) μm(拐角處表面粗糙度為Ra3.2 μm)。對(duì)圖7b一批10件零件進(jìn)行打磨加工時(shí)間統(tǒng)計(jì)：在機(jī)器人智能打磨單元，全自動(dòng)打磨拋光所需時(shí)間由原來(lái)人工24 h縮短至9 h，相比批產(chǎn)打磨效率提升了62%。為進(jìn)一步拓展智能打磨單元功能，已開(kāi)始對(duì)民機(jī)、軍機(jī)起落架結(jié)構(gòu)件按族分類(lèi)，編制典型打磨光整流程，開(kāi)展智能打磨提質(zhì)增效研究。

a) 轉(zhuǎn)彎卡箍

4 結(jié)語(yǔ)

為改善人工打磨過(guò)程中強(qiáng)度大、粉塵噪聲污染重的問(wèn)題，開(kāi)展了結(jié)構(gòu)件智能打磨技術(shù)研究，建設(shè)了智能打磨單元。智能打磨單元由ABB六軸機(jī)器人、打磨工作臺(tái)、多工位刀具庫(kù)、掃描定位系統(tǒng)、負(fù)壓集塵系統(tǒng)、防護(hù)罩以及電控系統(tǒng)等11個(gè)模塊構(gòu)成。文中詳細(xì)介紹了起落架結(jié)構(gòu)件智能打磨流程、數(shù)控編程、激光掃描測(cè)量、恒力浮動(dòng)打磨等相關(guān)技術(shù)，打通了起落架結(jié)構(gòu)件智能打磨的產(chǎn)品研制過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了高效化、專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)方案也為相關(guān)單位的智能打磨單元建設(shè)提供了一整套方法，便于借鑒和應(yīng)用。