湯愛(ài)軍，黃艷麗，胡艷娥，丘永亮，諸進(jìn)才，龍 波

（1.富聯(lián)裕展科技（深圳）有限公司，廣東深圳 518110；2.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510550）3.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510430；

0 引言

打磨拋光是制造業(yè)中一道不可或缺的重要基礎(chǔ)工序，傳統(tǒng)的打磨拋光主要由人工手工作業(yè)來(lái)完成。由于人工打磨存在效率低、產(chǎn)品品質(zhì)一致性差，以及塵肺塵爆等工業(yè)安全隱患，并且隨著人力成本的攀升、工人對(duì)舒適、安全的工作環(huán)境的追求，利用工業(yè)機(jī)器人來(lái)代替人工進(jìn)行打磨拋光應(yīng)用開(kāi)發(fā)成為近幾年的熱點(diǎn)，并逐步批量應(yīng)用[1-3]。

目前應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行打磨拋光的多是汽車(chē)、五金、衛(wèi)浴、家電、家具、新能源等高附加價(jià)值產(chǎn)品行業(yè)，且多是簡(jiǎn)單的用機(jī)器人代替人工進(jìn)行打磨拋光，節(jié)省人力，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，這與智能工廠、智能制造的要求還有一定的差距[4]。3C 行業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度持續(xù)加快，客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高，也對(duì)少量多樣，快速換線(xiàn)柔性生產(chǎn)制造提出更高要求。近年來(lái)，在工業(yè)4.0，中國(guó)制造2025 國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施發(fā)展的大背景下，也有不少學(xué)者進(jìn)一步在機(jī)器人打磨拋光智能化方向研究，并取得了一定的成果[5-8]，但真正實(shí)際應(yīng)用于3C 產(chǎn)品的智能精密打磨拋光機(jī)器人鮮有研究。因此，研發(fā)出能適應(yīng)當(dāng)前3C產(chǎn)品生產(chǎn)特點(diǎn)，高柔性、高精度、高效率，且符合工業(yè)安全的新型智能精密打磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)[9]，是3C 產(chǎn)品金屬機(jī)構(gòu)件制造企業(yè)，提升生產(chǎn)制造自動(dòng)化、精密化、智能化水平的關(guān)鍵。

1 智能精密打磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)

用戶(hù)對(duì)3C產(chǎn)品外觀的個(gè)性化和高品質(zhì)的要求越來(lái)越高，也間接地對(duì)生產(chǎn)制造3C 產(chǎn)品的設(shè)備提出了全自動(dòng)化、高精度、智能化、高柔性、更安全可靠的要求。本課題組在前期在做了大量簡(jiǎn)單的用機(jī)器人代替人工進(jìn)行打磨拋光自動(dòng)化應(yīng)用開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上[10-11]，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)關(guān)鍵模組軟硬件技術(shù)，系統(tǒng)整合成智能化、精密化、工業(yè)安全系數(shù)高、穩(wěn)定可靠的全自動(dòng)化智能精密打磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)。

如圖1所示，課題組設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智能精密打磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)，主要由六軸打磨機(jī)器人、產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)軸、精密打磨拋光機(jī)、力控治具、水循環(huán)裝置、自動(dòng)調(diào)機(jī)軟件、打磨耗材更換裝置和機(jī)罩8 個(gè)功能模塊組成。打磨拋光機(jī)器人是核心執(zhí)行主體，特點(diǎn)是高剛性、負(fù)載大、精度高；產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)軸能與機(jī)器人六軸聯(lián)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，七軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精密柔順的打磨軌跡；自主研發(fā)的精密打磨拋光機(jī)適用于高品質(zhì)打磨拋光；力控技術(shù)是打磨機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化的重要因素；水循環(huán)裝置為由干式打磨轉(zhuǎn)變成濕式打磨提供安全保障；快速調(diào)機(jī)裝置及軟件可幫助實(shí)現(xiàn)快速上線(xiàn)導(dǎo)入生產(chǎn)。

圖1 智能精密打磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 打磨拋光專(zhuān)用機(jī)器人設(shè)計(jì)

作為制造業(yè)皇冠頂端的明珠，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平重要標(biāo)志的工業(yè)機(jī)器人，是彈性打磨拋光核心執(zhí)行主體。高品質(zhì)、多任務(wù)位高頻振動(dòng)打磨頭，以及惡劣的打磨粉塵環(huán)境，對(duì)打磨拋光機(jī)器人的軌跡和定位精度、剛性與負(fù)載，以及防護(hù)能力提出了更高的要求。

普通機(jī)器人的五軸是最脆弱之處，因?yàn)樗嗖捎猛綆鲃?dòng)，剛性差，在受持續(xù)打磨沖擊力時(shí)，容易松動(dòng)、磨損、甚至斷裂偏位。如圖2所示，課題組經(jīng)過(guò)工程計(jì)算分析，綜合比較多種結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)化優(yōu)化方案，優(yōu)選了齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案，并采用雙軸承強(qiáng)化支撐。對(duì)其他軸，也選用剛性更高的進(jìn)口RV 和行星減速機(jī)，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)器人常用的諧波減速機(jī)，進(jìn)行打磨機(jī)器人整體剛性強(qiáng)化，提升了打磨機(jī)器人負(fù)載能力和耐用度。

圖2 打磨機(jī)器人五軸傳動(dòng)剛性改善設(shè)計(jì)

課題組為提升打磨機(jī)器人的精度，優(yōu)選可長(zhǎng)時(shí)間保持0.3弧分精度的高品質(zhì)精密減速機(jī)，并用激光跟蹤儀對(duì)機(jī)器人的臂長(zhǎng)和原點(diǎn)等各運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)標(biāo)定，如圖3所示。并用軌跡補(bǔ)償優(yōu)化算法對(duì)打磨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行補(bǔ)償，提高它重復(fù)定位精度和軌跡精度。

圖3 激光跟蹤儀標(biāo)定和軌跡補(bǔ)償

打磨應(yīng)用環(huán)境惡劣，有打磨粉塵和打磨液，因此對(duì)打磨機(jī)器人的防塵防水性能提出更高要求，課題組通優(yōu)選防護(hù)能力更強(qiáng)的三唇油封，創(chuàng)新雙重密封和迷宮設(shè)計(jì)，并給機(jī)器人通低壓壓縮空氣，有效防止粉塵、油污、打磨液等侵入，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，對(duì)機(jī)器人起到有效的防護(hù)，保證機(jī)器人的穩(wěn)定性。圖3所示的課題組開(kāi)發(fā)的其中一款型號(hào)為A1200 的打磨專(zhuān)用機(jī)器人，最大負(fù)載高達(dá)12 kg，重復(fù)定位和軌跡精度分別達(dá)到±0.02 mm和±0.15 mm，IP67 的防護(hù)等級(jí)，相比市場(chǎng)上其他品牌同等型號(hào)機(jī)器人有加強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，能很好地滿(mǎn)足打磨拋光這一特殊應(yīng)用需求。

2.2 精密打磨機(jī)

傳統(tǒng)人工打磨，多采用如圖4（a）所示的手持式氣動(dòng)風(fēng)磨機(jī)，人體工學(xué)塑膠外殼，精度差，振動(dòng)大，Z向跳動(dòng)誤差大于或等于0.5 mm，噪聲大，噪聲大于或等于80 dB，采用仿形夾具固定于機(jī)器人六軸，進(jìn)行打磨，在稍長(zhǎng)時(shí)間的打磨振動(dòng)下極易松動(dòng)，因此它不適用于機(jī)器人自動(dòng)精密打磨。

課題組通過(guò)氣動(dòng)馬達(dá)軸動(dòng)平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)，振動(dòng)頻率仿真分析，提升各關(guān)鍵零件加工和組裝精度等，優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了型號(hào)為SA5011 的精密打磨機(jī)，如圖4（b）所示，主要性能參數(shù)：打磨底盤(pán)Z向震動(dòng)跳動(dòng)小于±0.1 mm；安裝面平面度0.02 mm；上下面平行度0.1 mm；整機(jī)高度公差±0.1 mm；摩擦阻力小，低氣壓0.2 MPa 即可起動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)順暢，轉(zhuǎn)速高達(dá)12 000 r∕min；振動(dòng)小，噪聲小于或等于70 dB；銷(xiāo)釘定位±0.02 mm，拆裝方便；底盤(pán)采用魔術(shù)勾，可快速貼換不同型號(hào)砂紙；具有一定的打磨粉塵和打磨液防護(hù)功能，使用壽命達(dá)6 個(gè)月以上，很好地滿(mǎn)足機(jī)器人智能精密打磨拋光應(yīng)用。

圖4 精密打磨機(jī)與手工打磨機(jī)對(duì)比

2.3 水循環(huán)裝置

傳統(tǒng)手工打磨，屬于干式打磨，打磨產(chǎn)生大量有害粉塵，惡劣的粉塵、振動(dòng)和噪聲環(huán)境，使工人極易患?jí)m肺等職業(yè)病。如鎂鋁合金等易燃易爆粉塵，在密閉空間的揚(yáng)塵濃度達(dá)到一定程度，并意外遇到引爆火源的情況下，即會(huì)產(chǎn)生塵爆和二次爆炸，存在嚴(yán)重的工業(yè)安全隱患[11]。為消除打磨拋光存在的塵肺和塵爆工業(yè)安全隱患，課題組在研發(fā)了安全水簾柜的基礎(chǔ)上[12]，進(jìn)一步研發(fā)絕對(duì)安全的濕式打磨拋光技術(shù)。

本文中驗(yàn)證開(kāi)發(fā)濕式打磨方案，即驗(yàn)證開(kāi)發(fā)在濕式打磨中能保持耐用度的水性砂紙，搭配自主研發(fā)的水循環(huán)裝置，如圖5所示，在打磨時(shí)持續(xù)噴淋打磨液，實(shí)現(xiàn)濕式打磨。打磨液的持續(xù)噴淋從源頭上杜絕了打磨干式粉塵的產(chǎn)生，也就消除了塵爆發(fā)生的必要條件，實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)的工業(yè)安全，車(chē)間的工作環(huán)境也得到改善。該水循環(huán)裝置能實(shí)現(xiàn)過(guò)濾粉塵顆粒由大到小的3 級(jí)逐級(jí)過(guò)濾：30 μm、10 μm 以及5 μm，打磨屑和雜質(zhì)得到有效過(guò)濾，而且對(duì)打磨面持續(xù)沖刷的打磨液，還具有降低打磨區(qū)溫度、潤(rùn)滑、防氧化等作用，提高了打磨品質(zhì)。

圖5 濕式打磨及水循環(huán)裝置

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 智能化打磨拋光控制技術(shù)

智能化是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要特點(diǎn)和趨勢(shì)，機(jī)器人是智能制造領(lǐng)域中重要的信息采集、分析并執(zhí)行的設(shè)備，是智能制造的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的保障。而傳感器技術(shù)是機(jī)器人智能化的先決條件[13]。本文中所開(kāi)發(fā)的適用于3C 產(chǎn)品智能化打磨拋光機(jī)器人歷程如圖6所示，由原來(lái)的簡(jiǎn)單自動(dòng)化機(jī)器人打磨替代人工打磨開(kāi)發(fā)，到研發(fā)加入更多傳感技術(shù)，包括力控、打磨液位感應(yīng)器、機(jī)臺(tái)噪聲、振動(dòng)，收集各實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，智能監(jiān)測(cè)和評(píng)判打磨拋光過(guò)程，確保執(zhí)行正確的打磨拋光參數(shù)，對(duì)異常零部件及時(shí)通過(guò)聲光報(bào)警，并融入機(jī)器人故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)（Robot Prognostics &Health Management，PHM），實(shí)施診斷預(yù)判關(guān)鍵模組健康狀態(tài)及運(yùn)行趨勢(shì)，主動(dòng)性進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)或更換，減少意外異常停機(jī)，確保正常生產(chǎn)時(shí)機(jī)臺(tái)的穩(wěn)定性。

圖6 智能精密打磨拋光機(jī)器人開(kāi)發(fā)歷程

對(duì)打磨拋光過(guò)程工藝驗(yàn)證優(yōu)化和參數(shù)化，開(kāi)發(fā)打磨拋光前后產(chǎn)品視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，包括用高精度線(xiàn)掃相機(jī)檢測(cè)外觀刀紋、粗糙度、碰刮傷等不良缺陷程度和位置信息，以及高精度面陣相機(jī)通過(guò)打磨前后檢測(cè)對(duì)比打磨移除量。依產(chǎn)品來(lái)料缺陷不同和打磨品質(zhì)要求進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)選，自動(dòng)選擇優(yōu)化的打磨參數(shù)和規(guī)劃打磨程序，包括選擇搭配不同砂紙的打磨頭、軌跡規(guī)劃、壓力、角度、速度、時(shí)間、次數(shù)、噴水量等；依缺陷位置信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的針對(duì)性的高效打磨；依移除量和不良缺陷的變化，動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整打磨工藝參數(shù)，并預(yù)測(cè)提醒打磨砂紙的使用壽命，實(shí)現(xiàn)智能、精密、高效、穩(wěn)定、安全的機(jī)器人打磨拋光[14-15]。

3.2 自動(dòng)快速調(diào)機(jī)技術(shù)

打磨軌跡精度也是影響打磨質(zhì)量關(guān)鍵因素之一，直接影響打磨移除量的一致性、均勻性。打磨拋光機(jī)器人的Work和Tool坐標(biāo)的準(zhǔn)確度、打磨起始點(diǎn)位置度，將直接影響打磨軌跡精度。傳統(tǒng)的校正方法，常用3D設(shè)計(jì)模型進(jìn)行測(cè)量理論Work和Tool坐標(biāo)系，目視輔助錫鋼片等示教，并不斷通過(guò)依打磨效果進(jìn)行修正優(yōu)化，這過(guò)程非常費(fèi)時(shí)，效率低，長(zhǎng)達(dá)2 h，精度也差。

課題組自主研發(fā)多種快速調(diào)機(jī)技術(shù)，來(lái)快速校正Work 和Tool坐標(biāo)系統(tǒng)，及打磨起始點(diǎn)壓力，包括設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)輔助校正治具，采用探頭、千分表、力控等，搭配自動(dòng)校正軟件程序?qū)崿F(xiàn)。例如探頭方案，如圖7所示，其校準(zhǔn)原理是選用探測(cè)精度為1 μm 雷尼紹探頭LP2，先后安裝于機(jī)器人第六軸和周邊固定位置，配合自動(dòng)校正程序，先自動(dòng)找準(zhǔn)探頭位置，然后自動(dòng)校準(zhǔn)產(chǎn)品Work坐標(biāo)系，再自動(dòng)校準(zhǔn)打磨工具Tool坐標(biāo)系，即完成打磨拋光機(jī)器人的坐標(biāo)系校正。課題組還設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了Off-line Simulation 離線(xiàn)編程仿真軟件，快速編程，仿真模擬確認(rèn)，調(diào)試周期0.5 h以?xún)?nèi)，相比傳統(tǒng)人工調(diào)教，效率大大提升了3倍。

圖7 探頭方案快速調(diào)機(jī)

4 實(shí)踐應(yīng)用效果分析

課題組在幾個(gè)關(guān)鍵軟硬件技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)整合成自動(dòng)化程度更高、更精密、更智能的打磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公司生產(chǎn)的手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和臺(tái)式電腦等的金屬件（不銹鋼或鋁合金）外觀面的打磨拋光。如圖8所示，為所研發(fā)的智能精密打磨機(jī)器人應(yīng)用于B 產(chǎn)品濕式打磨的場(chǎng)景，B 產(chǎn)品是一款手機(jī)金屬中框，打磨面是外側(cè)3D面，前制程是CNC 加工，表面粗糙度約Ra1.57，需要用智能精密打磨拋光機(jī)器人去除CNC 加工后的刀紋，降低粗糙度，提升光潔度，為后制程拋光至鏡面作準(zhǔn)備。

圖8 智能精密打磨機(jī)器人濕式打磨應(yīng)用

該產(chǎn)品中在導(dǎo)入智能精密打磨拋光機(jī)器人前，是人工使用手持式氣動(dòng)風(fēng)磨機(jī)，配合普通干式砂紙進(jìn)行打磨。由于人工手工打磨作業(yè)，動(dòng)作手法和打磨力度不一致，打磨軌跡也不柔順，導(dǎo)致品質(zhì)一致性差，良率低僅約65%，效率低，CT 長(zhǎng)達(dá)300 s。課題組開(kāi)發(fā)導(dǎo)入以A1200打磨專(zhuān)用機(jī)器人為核心的智能精密打磨系統(tǒng)后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出B 產(chǎn)品手機(jī)中框自動(dòng)濕式打磨各種優(yōu)化的工藝參數(shù)及水平，并在生產(chǎn)過(guò)程中持續(xù)智能優(yōu)化。相比改善前的人工手工干式打磨，智能精密打磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行濕式打磨，平均約180 s即可完成打磨，移除量高達(dá)10 μm，粗糙度高效降至Ra0.05，一次良率提升了30%，達(dá)到95%，生產(chǎn)效率也大幅提升了66%。并且打磨過(guò)程持續(xù)噴淋打磨液的濕式打磨，從源頭上即時(shí)濕化了打磨產(chǎn)生的粉塵，消除了塵肺職業(yè)危害和塵爆工業(yè)安全隱患，打磨拋光車(chē)間環(huán)境得到了凈化，而快速調(diào)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，大大縮短了新機(jī)臺(tái)上線(xiàn)導(dǎo)入生產(chǎn)的調(diào)試時(shí)間，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前3C 產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)備全自動(dòng)化、高精密化、智能化、高柔性、更安全可靠的要求，課題組提出了智能精密打磨拋光機(jī)器人概念，并對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵軟硬件技術(shù)，包括高剛性大負(fù)載高精度六軸打磨拋光專(zhuān)用機(jī)器人，精密打磨機(jī)，水循環(huán)裝置及濕式打磨拋光工藝，智能化打磨拋光控制技術(shù)，自動(dòng)快速調(diào)機(jī)技術(shù)的研發(fā)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)整合成智能精密打磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能、精密、高效、穩(wěn)定、安全的打磨，已經(jīng)大量應(yīng)用于公司3C產(chǎn)品金屬件外觀表面打磨拋光，相比傳統(tǒng)人工手工作業(yè)，濕式打磨在大幅提升了良率和效率的同時(shí)，消除了塵肺職業(yè)危害和塵爆工業(yè)安全隱患。該智能設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，并批量應(yīng)用，對(duì)公司實(shí)施智能工廠，智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)，產(chǎn)生了創(chuàng)新引領(lǐng)作用，也推動(dòng)了打磨拋光行業(yè)由自動(dòng)化朝著智能化方向發(fā)展，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。