傅諍之

（福建省金瑞高科有限公司，三明 353300）

工業(yè)4.0 時(shí)代，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在數(shù)字化加工中不僅可以有效提高加工效率，還可以有效降低人力成本。從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量逐漸遞增，并且分布于各行各業(yè)[1]。銑削作業(yè)在精密儀器及汽車行業(yè)具有重要應(yīng)用。如何消除銑削作業(yè)中產(chǎn)生的毛刺，受到社會(huì)各界的普遍關(guān)注。目前，對于工件的打磨仍以人工加工為主，機(jī)器人加持銑刀進(jìn)行工件加工，并結(jié)合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制。對于銑削毛刺的加工優(yōu)化，由于缺少相關(guān)理論支持，自動(dòng)化加工機(jī)器人的實(shí)際加工過程存在一定瑕疵，且加工效率較低，無法滿足企業(yè)的批量生產(chǎn)需求。

1 銑削去毛刺加工理論基礎(chǔ)

1.1 機(jī)器人銑削毛刺產(chǎn)生因素

工業(yè)生產(chǎn)中，最容易產(chǎn)生毛刺的位置就是壓鑄件制造中的澆冒口、合模線等處，且毛刺的分布存在不規(guī)律性[2]。因此，針對不同位置的毛刺加工需要結(jié)合對應(yīng)的加工方式。去毛刺加工方式，如圖1 所示。圖1（a）為棱角位置的毛刺分布，該部分的毛刺去除一般以倒角形式進(jìn)行，此時(shí)刀具與加工面之間有一定夾角。對于壓鑄件的毛刺加工，其合模線處于非棱角處。若毛刺出現(xiàn)于合模線位置，則在加工過程中需要保持加工刀具與加工表面平行，如圖1（b）所示。

圖1 去毛刺加工方式

從形成原理來看，銑削加工中形成的毛刺是工件受到應(yīng)力作用出現(xiàn)的塑性變形。機(jī)器人在實(shí)際銑削加工中還會(huì)受其他因素影響產(chǎn)生毛刺，從而直接影響加工件的表面質(zhì)量[3]。

例如，工件加工方式及加工材料等均會(huì)導(dǎo)致毛刺的產(chǎn)生，影響加工件的產(chǎn)出質(zhì)量。此外，一些波動(dòng)因素也會(huì)使加工件出現(xiàn)毛刺，較為常見的就是銑削參數(shù)、刀具振動(dòng)、加工切削熱等，如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人銑削系統(tǒng)加工表面質(zhì)量影響因素

1.2 機(jī)器人銑削過程毛刺參數(shù)分析

與人工銑削不同，機(jī)器人銑削過程中如果未選擇合適的切削條件，會(huì)使銑削刀具出現(xiàn)振動(dòng)，而且在加工中難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差，容易導(dǎo)致加工面出現(xiàn)較大毛刺[4-5]。毛刺多出現(xiàn)在微銑削過程中，分析最小切削厚度的產(chǎn)生，可以得到產(chǎn)生毛刺的切削高度臨界點(diǎn)。當(dāng)小于該切削厚度后，便不會(huì)出現(xiàn)銑削屑，而是出現(xiàn)毛刺。毛刺形狀可以用于評(píng)估負(fù)剪切角及相關(guān)工藝參數(shù)，并可以評(píng)估出毛刺高度。銑削加工的角度由加工連續(xù)性決定，該出口角度也可以確定最終的毛刺高度。在實(shí)際銑削中，出口角度對機(jī)器人加工刀具的旋轉(zhuǎn)及毛刺高度具有重要影響。

建立加工件端面銑削中的毛刺形成模型需要進(jìn)行條件假設(shè)。在加工模型中，將模型加工件毛刺的形狀設(shè)為恒定，且加工出口區(qū)域加工的塑性變形與工具接合過程同步進(jìn)行，出口處的旋轉(zhuǎn)角度與切削過程的刀具旋轉(zhuǎn)角度一致。實(shí)際加工過程是連續(xù)的，因此在加工中形成毛刺的做功相等。刀具加工中快要離開工件的瞬間，正切角會(huì)轉(zhuǎn)換為負(fù)值，基于某一點(diǎn)上自然切削不會(huì)再形成，工件表面出現(xiàn)塑性變形，之后便形成毛刺。

機(jī)器人銑削中毛刺形成過程如圖3 所示。設(shè)定毛刺產(chǎn)生時(shí)刀具位置為A，表現(xiàn)為初始負(fù)剪切角β0為負(fù)值。負(fù)剪切角為將刀具切削方向和刀具刃連接至鉸鏈B所在平面之間的角度。產(chǎn)生毛刺后，隨著加工過程刀具會(huì)由A點(diǎn)移動(dòng)至A'點(diǎn)，對應(yīng)的負(fù)剪切面隨之由AB移動(dòng)至A'B。將銑削中產(chǎn)生的新的剪切角表示為β。負(fù)剪切面的形成直接影響塑性鉸點(diǎn)的位置，并導(dǎo)致變形鉸在毛刺實(shí)際產(chǎn)生過程中不出現(xiàn)任何變化。機(jī)器人銑削加工過程難免出現(xiàn)銑削熱，由此造成A點(diǎn)出現(xiàn)變化。理論上A點(diǎn)會(huì)提前出現(xiàn)，而B點(diǎn)的位置不會(huì)發(fā)生變化，由此導(dǎo)致負(fù)剪切角變小。

圖3 銑削中毛刺形成過程

機(jī)器人銑削過程中毛刺高度尺寸與每齒進(jìn)給量以及機(jī)器人銑刀刀具的半徑存在密切關(guān)系，同時(shí)與塑性變形產(chǎn)生初始時(shí)刻工件未加工尺寸存在一定聯(lián)系。

2 機(jī)器人銑削系統(tǒng)分析

為提高機(jī)器人銑削去毛刺加工效率，從自動(dòng)化智能控制角度出發(fā)，構(gòu)建銑削機(jī)器人參數(shù)智能控制系統(tǒng)，通過自動(dòng)化系統(tǒng)提高毛刺去除效率。由于微細(xì)銑削具有良好的去毛刺效果，文章選擇其作為機(jī)器人銑削的主體工藝。設(shè)計(jì)的銑削機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 銑削機(jī)器人結(jié)構(gòu)

為提升銑削機(jī)器人在加工生產(chǎn)中的適配性，設(shè)計(jì)的銑削機(jī)器人為機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，可安裝在產(chǎn)線各個(gè)位置，且能夠與多種大型設(shè)備協(xié)作生產(chǎn)。銑削頭部位置可更換多種刀具，在精加工作業(yè)中主要采用微細(xì)銑削方式去除毛刺，而且多自由度設(shè)計(jì)方式提升了銑削作業(yè)的靈活性。

機(jī)器人的末端執(zhí)行部分安裝一個(gè)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)測量的靶標(biāo)球，位置誤差部分的測量與光柵標(biāo)定并無關(guān)聯(lián)。由于系統(tǒng)誤差的存在，機(jī)器人在加工過程中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致角度增量難以精確到每一度。較小角度的誤差可以忽略不計(jì)，因此文章設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有一定合理性。關(guān)節(jié)光柵尺標(biāo)定系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 關(guān)節(jié)光柵尺標(biāo)定系統(tǒng)

該機(jī)器人銑削系統(tǒng)主要包括機(jī)械臂本體結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)、光柵系統(tǒng)以及電機(jī)部分，機(jī)器人通過伺服控制器進(jìn)行控制，并將光柵作為第二測量結(jié)構(gòu)。自動(dòng)化銑削去毛刺系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 自動(dòng)化銑削去毛刺系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)通過光柵尺進(jìn)行機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的精度補(bǔ)償，直接測量機(jī)器人關(guān)節(jié)處的真實(shí)轉(zhuǎn)角，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償，降低系統(tǒng)誤差。在保證關(guān)節(jié)角補(bǔ)償精確的基礎(chǔ)上，結(jié)合臨界條件便可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人連桿的柔性控制，提高軌跡運(yùn)動(dòng)效率。

另外，該自動(dòng)化銑削去毛刺系統(tǒng)可接入5G 通信系統(tǒng)，符合企業(yè)生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)智能控制趨勢，在未來一段時(shí)間內(nèi)都能滿足企業(yè)生產(chǎn)需求。

3 對比試驗(yàn)

通過A2124 鋁合金進(jìn)行機(jī)器人銑削系統(tǒng)優(yōu)化后的毛刺去除效率試驗(yàn)分析，材料參數(shù)如表1 所示。

表1 A12124 鋁合金材料的參數(shù)統(tǒng)計(jì)

在試驗(yàn)中設(shè)定初始角度為20°，剪切角為15°，機(jī)器人銑削寬度為0.5 mm。在此基礎(chǔ)上實(shí)測毛刺高度，共進(jìn)行20 組對比試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 機(jī)器人銑削去毛刺對比試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)定進(jìn)給速度分別為40 mm·s-1、60 mm·s-1、80 mm·s-1、100 mm·s-1，統(tǒng)計(jì)相同條件下的加工時(shí)長，得到的對比結(jié)果如表3 所示。

表3 機(jī)器人銑削去毛刺加工時(shí)間對比

從表2 和表3 可知，通過自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行銑削機(jī)器人的智能化控制，結(jié)合本文的改進(jìn)算法，可以有效提高銑削毛刺的去除效率，滿足工業(yè)生產(chǎn)的基本需求。

4 結(jié)論

文章對機(jī)器人銑削去毛刺加工過程進(jìn)行研究，旨在提高去毛刺加工線效率及加工質(zhì)量?；谝陨戏治觯贸鲆韵陆Y(jié)論：第一，機(jī)器人銑削過程中，毛刺高度尺寸不僅與每齒進(jìn)給量以及機(jī)器人銑刀刀具的半徑存在密切關(guān)系，還與塑性變形產(chǎn)生初始時(shí)刻工件未加工尺寸存在一定聯(lián)系；第二，相較于傳統(tǒng)銑削系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的精度補(bǔ)償，降低系統(tǒng)誤差，提高加工進(jìn)度；第三，通過自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行銑削機(jī)器人的智能化控制，結(jié)合文章的改進(jìn)算法，可以有效提高銑削毛刺的去除效率和加工效率。