作者：上海發(fā)那科機器人有限公司 呂苗苗   

1　背景

 隨著汽車輕量化要求和新能源汽車產(chǎn)量的逐年提高，鋁合金材質(zhì)的零件在汽車上的使用比例逐漸提高，其中鋁壓鑄件占汽車用鋁量約80%。隨著應用技術的進一步提升，鋁壓鑄件從驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等零部件位置逐漸延伸至引擎蓋、擋泥板、車門、后車廂、車頂、整車身等以沖壓焊接件為主的大型部位。

因機器人可以提高工作效率和質(zhì)量，避免人員作業(yè)安全隱 患，對這些復雜形狀、存在壓鑄變形的鋁壓鑄件，選擇用機器人研磨工藝解決鋁壓鑄成型后零件裂紋、冷隔、凸起、起泡、 拉印、凹陷、飛邊等表面缺陷問題是客戶的首選。本案例項目應用了以2臺FANUC R-2000iC/165F機器人為核心的研磨系統(tǒng) 對汽車引擎蓋內(nèi)板以及車廂門內(nèi)板進行去毛刺、打磨、拋光、 清洗烘干整套自動化流程。

2　項目實施

2.1　關鍵技術

（1）濕式打磨，解決粉塵爆炸的隱患；

（2）離線編程，高精度的生成打磨軌跡；

（3）恒力浮動砂帶機、拋光機，保證缺陷均勻去除；

（4）研磨適配軟件；

（5）布局緊湊。

2.2　系統(tǒng)說明

系統(tǒng)由2臺FANUC R-2000iC/165F機器人、1套上料臺、 1套卷簾門、1套去毛刺機、2套拋光機、2套濕式砂帶機、2套工業(yè)防爆除塵器、2套換手臺、1套中轉(zhuǎn)臺、1套清洗烘干一體 機、1套質(zhì)檢臺、1套防護房、光柵等安全防護設備組成。自動化研磨系統(tǒng)及其布局如圖1、圖2所示。

圖1 自動化研磨系統(tǒng)

圖2 自動化研磨系統(tǒng)布局

系統(tǒng)整體具有以下特點：

（1）采用雙機器人研磨，提高生產(chǎn)效率；

（2）由機器人控制伺服砂帶機協(xié)同打磨，柔性高；

（3）濕式砂帶機可以整體伺服旋轉(zhuǎn)，確保機器人以最好的姿態(tài)進行打磨；

（4）抓手可快速切換，適配多種零件；

（5）密閉設計，采用雙層鋁合金型材，防護全面；

（6）濕式打磨，去除粉塵，系統(tǒng)防爆性能好；

（7）占地6m×8m，布局緊湊。

2.3　質(zhì)量標準和工藝參數(shù)

（1）打磨質(zhì)量標準：所有表面不允許裂紋、冷隔；密封 面不允許有凸起區(qū)，表面粗糙度Rz80；接合面由熱裂引起的 凸起最大需小于0.5mm，氣泡直徑小于1mm，凹陷自由表面iv> 深度小于0.2mm，有材料堆積的區(qū)域，直徑小于5mm，深度 小于0.5mm；螺紋接觸面和螺栓頭接觸面凸起區(qū)最大Rz30；

（2）去毛刺機：防爆電主軸，功率4kW，轉(zhuǎn)速 8000RPM，輸出力矩達到5NM；

（3）拋光機：功率4kW，設備轉(zhuǎn)速3500RPM，能在 30mm的距離內(nèi)保持0～10kg的恒力浮動；

（4）砂帶機：功率4kW，砂帶線速度40m/s，能在30mm的距離內(nèi)保持0～10kg的恒力浮動；

（5）砂帶機伺服旋轉(zhuǎn)定位精度：≤1弧分。

2.4　操作流程

（1）人員放置未研磨件至上料臺；

（2）機器人1抓取工件，將工件送至拋光機處，對工件正面部分可見面、小部分包邊面進行拋光；送至砂帶機區(qū)域， 對工件正面大部分包邊面、接觸面打磨；

（3）機器人1將工件送至中轉(zhuǎn)臺，機器人2反向抓取 ；

（4）機器人2將工件送至去毛刺機位置，對孔位進行去毛刺處理；再依次至拋光機、砂帶機區(qū)域進行零件反面的研磨作業(yè)；

（5）研磨完畢，將工件送至清洗烘干一體機上料位置， 工件進入開始清洗及烘干階段；

（6）人員下料并檢測工件粗糙度；

（7）更換零件生產(chǎn)時，機器人在換手臺快速更換抓手。

2.5　安全與控制系統(tǒng)

由系統(tǒng)總控PLC控制所有設備之間的全部動作邏輯。

  所有安全信號采用雙回路硬接線方式。當機器人在運行 時，卷簾門下降、安全門鎖閉合，處于安全防護房之外的操作人員不能進入機器人運行區(qū)域，若要進行檢查或檢修，必須通過區(qū)域操作面板上“請求進入”按鈕，待機器人停到安全等待位置后按下“開門請求”按鈕才能被允許進入。

2.6　數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)

項目搭建了SCADA監(jiān)控系統(tǒng)，對現(xiàn)場生產(chǎn)進行監(jiān)控。主要功能包括以下兩個方面：

（1）數(shù)據(jù)采集：采集設備的當前狀態(tài)、系統(tǒng)報警和生產(chǎn) 信息，便于生產(chǎn)統(tǒng)計和故障排查；

（2）生產(chǎn)及設備監(jiān)控：主要顯示工藝設備數(shù)據(jù)、操作人員信息。

 2.7　FANUC R-2000iC/165F機器人性能描述

（1）6軸關節(jié)運動，最大負重165kg，有效范圍2.65米， 重復定位精度±0.05mm；

（2）高可靠性、高性價比的萬能智能型機器人；

（3）高可靠性的FANUC伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)長久高效的生產(chǎn)；

（4）更長的維護間隔周期，使用成本更低。

2.8　主要設備性能描述

（1）砂帶機：電機為粉塵防爆電機，含四個砂帶工位， 可以配置不同寬度不同目數(shù)的砂帶。設計有恒力浮動機構(gòu)，可以根據(jù)設定值自動調(diào)節(jié)砂帶輪的進給量，實現(xiàn)柔性打磨。砂帶 機帶有噴淋裝置實現(xiàn)濕式打磨，底部設計有噴淋液自動收集過濾循環(huán)系統(tǒng)，能夠有效過濾噴淋液中的粉塵。

（2）拋光機：電機為粉塵防爆電機，雙頭拋光機，雙頭位置中間距離可自動調(diào)節(jié)。 拋光機上安裝有3M小旋風千絲輪，對較小凹凸不平區(qū)域進行拋光。小旋風可以根據(jù)拋光區(qū)域?qū)挾冗x擇不同層數(shù)。拋光機設計有浮動力調(diào)節(jié)裝置，可實現(xiàn)恒力拋光。

（3）毛刺機：用于工件頂桿的去毛刺，設備包括電主軸、油冷機、碎屑收集盒和支撐架。收集盒用于收集碎屑，需要人工定期清理。

（4）工業(yè)防爆除塵器：最大體積流量3400L/min，最大真空23000Pa，過濾面積6.318cm2。采用防爆軟管將吸塵管道連接至拋光機，采用壽命高于通用馬達的EC-TEC馬達，提供持久的強勁吸塵動力。ABS塑料集塵容器帶有防火功能，適用于安全抽吸鋁塵。

（5）機器人手爪：夾爪動力為氣動，通過夾鉗夾持工件孔位進行夾取；兩種夾爪通過換手臺實現(xiàn)自動更換；采用斷電保持閥以及手抓上的零件傳感器保證抓取安全性。

（6）工作站地板：研磨過程中飛濺的水流進入底板統(tǒng)一收集并從出水口流出，格柵踏板打開可清理。

（7）換手臺：同時安放兩款手爪，設計有防塵蓋避免粉塵落入快換盤。

（8）中轉(zhuǎn)臺：中轉(zhuǎn)臺上設計有通用定位孔銷，定位工件，用于零件在兩臺機器人之間中轉(zhuǎn)。

3　應用創(chuàng)新點

通過研究影響研磨質(zhì)量的因素，項目應用了FANUC開發(fā)的輔助軟硬件，提高研磨質(zhì)量和用戶體驗。

（1）遠程TCP: 機器人以固裝的工具上某一確定點作為坐標系參考點（TCP），從而機器人獲得相對于抓取工件固定的工具研磨路徑，通過遠程TCP可以將示教過程簡化、減少調(diào)試點位，當工藝路徑為曲線時，使用遠程TCP功能可以提升軌跡精度。

（2）力覺控制：FANUC力覺傳感器同時檢出施加在機器人工具前端任意方向的外力在XYZ方向上的6個力和力矩的分 量，如圖3所示，最大檢測范圍250kg。傳感器的仿形功能是以恒定的推壓力施加并跟蹤目標曲面，將推壓方向上施加的力作為控制的目標力而完成曲面的恒力研磨。力傳感器仿形功能 如圖4所示。

圖3 6個力和力矩的分量 

圖4 力傳感器仿形功能

（3）力矩監(jiān)控： 研磨過程中通過軟件采集機器人6軸的實時電流，進行數(shù)據(jù)處理，生成實時的力矩報表，為調(diào)試人員 不斷優(yōu)化研磨程序提供了方向。力矩監(jiān)控原理如圖5所示。

圖5 力矩監(jiān)控原理

（4）路徑恒定功能：使用恒定路徑功能軟件，能夠讓用戶以較低的速度倍率對研磨程序進行驗證，再進行全速生產(chǎn)， 倍率變化后，機器人依然能夠保證同樣精度的運動軌跡，如圖 6、7所示。

（5）ROBOGUIDE離線編程: FANUC ROBOGUIDE軟件模擬真實的研磨環(huán)境，可實現(xiàn)機器人研磨程序的離線生成。它 應用三維仿真軟件的幾何圖形功能將產(chǎn)品輪廓生成離線軌跡， 相比現(xiàn)場編程能極大提高精度，縮短現(xiàn)場調(diào)試時間，使研磨系統(tǒng)可以快速迭代不同產(chǎn)品，即使是小批量制造也能獲利。 ROBOGUIDE離線編程如圖8所示。

 圖6 使用前

圖7 使用后

 圖8 ROBOGUIDE離線編程

4　生產(chǎn)效益  圖8 ROBOGUIDE離線編程

研磨作業(yè)因粉塵環(huán)境對人體的傷害，作業(yè)安全隱患以及受 經(jīng)驗技術影響較大，該工種薪酬較高，特別因該項目為大件加工，機器人手持工件可以連續(xù)進行作業(yè)，而人工作業(yè)時需大量轉(zhuǎn)運時間，經(jīng)測算1臺機器人的效率等于2~3個人工效率，雙班生產(chǎn)，成本回收期為2~3年。

同時，因鋁壓鑄件零件結(jié)構(gòu)復雜、研磨技術含量高，機器人替代人工可以保障產(chǎn)品質(zhì)量一致性，幫助客戶獲得下游客戶的認可，提高市場競爭力。

現(xiàn)場實際生產(chǎn)如圖9所示。

圖9 機器人研磨系統(tǒng)  

5　結(jié)語

汽車鋁壓鑄件研磨領域?qū)C器人應用的技術門檻及工藝門檻要求較高，對相關周邊設備的集成配套要求也很高。本套FANUC 機器人汽車鋁壓鑄件自動研磨系統(tǒng)通過持續(xù)的技術優(yōu)化，具有高柔性和高可靠性，有效地提高了加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

作者簡介：

呂苗苗（1986-），女，甘肅張掖人，工程師，本科，現(xiàn)任上海發(fā)那科機器人有限公司技術工程師，長期從事機器人集成系統(tǒng)現(xiàn)場應用及工藝研究工作。

摘自《自動化博覽》2021年5月刊