摘要：研磨和鏟刮工序是機床工具行業(yè)必不可少的加工工藝，其加工質(zhì)量對機床的品質(zhì)影響很大。除去勞動力成本考慮，僅從研磨和鏟刮工作技能經(jīng)驗及年輕人從事該工種意愿情況來看，該工種從業(yè)人員已嚴重不足。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，各行業(yè)生產(chǎn)對機床加工的需求量迅速增長，應用“機器替人”解決企業(yè)生產(chǎn)瓶頸也將是發(fā)展趨勢。本方案結合企業(yè)用工情況和機器人智能技術，致力于實現(xiàn)鏟刮與研磨工序的無人化作業(yè)，減輕工人的勞動強度、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

關鍵詞：機器人；研磨；智能鏟刮；鏟刮控制系統(tǒng)

為企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和改善人工作業(yè)環(huán)境是機器人智能系統(tǒng)的出發(fā)點。未來制造業(yè)必定向著越來越精致化、人性化、個性化的方向發(fā)展。面向機床行業(yè)自動化生產(chǎn)的機器人鏟刮應用對工業(yè)機器人、自動化工裝夾具、視覺技術、算法處理、力傳感技術、多工位協(xié)調(diào)作業(yè)等技術提出了新的技術要求。

機床及其他行業(yè)鏟刮、研磨工序技能人才嚴重不足的現(xiàn)象已然出現(xiàn)，企業(yè)生產(chǎn)瓶頸工序技能人才供需緊缺，提出對研磨和鏟刮工序的機器人應用系統(tǒng)研究與開發(fā)探討已是迫在眉睫。

1 項目內(nèi)容

1.1 概述

在機床行業(yè)，床頭箱接觸面、尾座和床鞍與導軌等接觸面，需要進行鏟刮研磨關鍵作業(yè)工序。而現(xiàn)在的鏟刮作業(yè)均由資深技能工人完成，作業(yè)勞動強度大、效率低、技能經(jīng)驗要求高，作業(yè)方式相對比較原始。具備機器人研發(fā)、生產(chǎn)制造一體化能力的廣州數(shù)控將協(xié)同相關科研單位針對項目中的難點進行攻關，提升工業(yè)機器人技術，以及工裝夾具等集成應用能力，實現(xiàn)研磨、鏟刮作業(yè)的智能自動化生產(chǎn)，解決企業(yè)生產(chǎn)瓶頸工序。

1.2 機器人研磨和鏟刮系統(tǒng)探討

鏟刮是一種提高工件尺寸精度，使工件達到工藝上規(guī)定的尺寸、幾何形狀、表面粗糙度等要求的一項精細加工工序，是許多工件機械加工中所必需的一項工藝。目前市場上對鏟刮工藝的機器人自動化尚未有研究，這將是一種全新的機器人產(chǎn)業(yè)化應用。目前市場上鏟刮工藝皆是依靠技能工人手工操作，應用機器人完成鏟刮工序提出了更多的創(chuàng)新技術要求，相對于人工鏟刮操作，無論是精準度還是效率方面都有明顯的提升，具有很大的競爭優(yōu)勢。

機器人鏟刮系統(tǒng)替代人工進行高精度鏟刮工作，替代人工原有的上下料和鏟刮任務，解決繁重的人工體力勞動，同時可以長時間無間斷工作，避免了非自然因素停工，極大地提高經(jīng)濟效率。將工業(yè)機器人配置刮刀、視覺系統(tǒng)和程序優(yōu)化編輯等智能功能綜合應用于鏟刮項目試驗，有利于開展技術創(chuàng)新，開拓機器人新型技術應用、推廣。當機器人正式進入生產(chǎn)環(huán)節(jié)穩(wěn)定生產(chǎn)，帶來的不僅是對人力的解放，更是生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率的提高。因此研磨和鏟刮前期的機器人控制技術、智能應用等基礎性的技術研發(fā)、攻關就顯得尤為重要。

2 機器人研磨和鏟刮研究及解決方案

結合研磨鏟刮工藝要求，本方案將機器人研磨鏟刮系統(tǒng)主要分為五個方面：一是搬運模塊，其由一臺機器人負責搬運和拖動；二是涂紅丹模塊，其由另外一臺機器人負責紅丹涂抹和吹屑作業(yè)；三是鏟刮模塊，由第三臺機器人負責鏟刮作業(yè)，配浮動功能電動鏟刀或手工鏟刀；四是上料平臺，翻轉(zhuǎn)裝夾機構組成，考慮變?yōu)樯狭涎b置；五是檢測模塊，主要由視覺檢測單元和力檢測等單元組成，再配備相應控制軟件、物流輸送系統(tǒng)和生產(chǎn)線控制系統(tǒng)等作為輔助功能模塊，以此實現(xiàn)研磨鏟刮機器人智能系統(tǒng)應用。

通過視覺單元實現(xiàn)對工件鏟刮區(qū)域的識別、判斷和檢測，通過相關程序、軟件等輔助算法自動分析和處理鏟刮特征，得出鏟刮位置和相應數(shù)據(jù)，再對鏟刮點數(shù)量和位置進行判斷識別，并輸出鏟刮位置信息。機器人根據(jù)位置信息自動執(zhí)行研磨鏟刮作業(yè)任務，在鏟刮過程中由力傳感器適時檢測鏟刀單元鏟刮過程中力控大小，并實時反饋給機器人控制系統(tǒng)，以此適時調(diào)整機器人鏟刮進給量，進行實時浮動鏟刮。

2.1 多工位機器人協(xié)同作業(yè)構建

鏟刮單元由3臺機器人、1套上料工作臺、1個視覺檢測系統(tǒng)、1套涂刷紅丹工具、1套柔性鏟刮工具、1套六維力傳感器和總控制系統(tǒng)等組成機器人鏟刮工作站。使用視覺檢測系統(tǒng)執(zhí)行被鏟刮工件的檢測，實現(xiàn)將工件面檢測和采集的數(shù)據(jù)進行自動分析、判斷和自動數(shù)據(jù)處理，得出工件面需要鏟刮的位置和數(shù)量，并自動生成機器人研磨鏟刮程序，且由控制系統(tǒng)、力傳感器實時控制機器人軌跡動作進行自動鏟刮及鏟刮調(diào)準工作。

對多工位機器人協(xié)同作業(yè)流程圖設計如圖1所示：

圖1 作業(yè)流程圖

（1） 搬運作業(yè)

搬運機器人需要將工件從一個工位搬運到另一個工位，工位需要設置自動定位裝置，可自動定位、固定來料工件。

（2）紅丹涂抹、拖動機器人、吹屑機器人作業(yè)

機器人需要將紅丹均勻的涂抹至需要鏟刮的零件表面，不能出現(xiàn)漏涂現(xiàn)象。平臺定位裝置自動定位零件后，機器人附帶基準拖板對零件鏟刮面進行來回推動合研，使零件凹凸位置實時顯現(xiàn)出來，為后續(xù)視覺檢測作準備。涂抹的廢屑、廢紅丹，機器人手抓設置清理機構執(zhí)行零件表面的自動清理。

（3）零件翻轉(zhuǎn)，裝夾機構的設計

零件裝夾需要實現(xiàn)對零件的自動定位及夾緊。涂抹紅丹后的零件需要進行位置調(diào)節(jié)，上料平臺及其零件裝夾機構的設計需要滿足零件任意位置的翻轉(zhuǎn)、定位要求。

（4）視覺檢測系統(tǒng)

對被鏟刮零件表面進行視覺拍照對比檢測，檢測出色差、位置的高度差的數(shù)據(jù)。經(jīng)過圖像數(shù)據(jù)進行分析處理，確定需要進行鏟刮面的區(qū)域，檢測各個位置的高度差后實時對鏟刮點的數(shù)量、位置、高度等數(shù)據(jù)進行判斷和輸出，實現(xiàn)由控制系統(tǒng)控制機器人的自動研磨鏟刮作業(yè)。

（5）柔性鏟刮系統(tǒng)

通過力傳感器實時數(shù)據(jù)反饋控制系統(tǒng)來控制機器人軌跡動作，實時調(diào)節(jié)研磨、鏟刮力的大小，實時貼合工件鏟刮面，實現(xiàn)鏟刀的柔性浮動控制和微量進給。

（6）多工位協(xié)同作業(yè)

此應用場景由物料傳送、翻轉(zhuǎn)、搬運、鏟刮、涂抹、吹鐵屑、合研、力傳感器系統(tǒng)和視覺傳感系統(tǒng)等組成，本鏟刮系統(tǒng)方案主要是針對機器人鏟刮工序方面的研究，以視覺系統(tǒng)、力傳感檢測等檢測裝置來實時收集數(shù)據(jù)并且實時分析計算數(shù)據(jù)，與機器人進行聯(lián)動鏟刮工作。本方案研究的核心是視覺與鏟刮系統(tǒng)的聯(lián)動工作，對搬運、輸送、翻轉(zhuǎn)和裝夾等市場均比較成熟的應用，此鏟刮系統(tǒng)中不作深入的探討和研究，僅作為對整個應用場景的構建示意用。

紅丹涂抹、研磨拖動、吹屑、視覺檢測及柔性鏟刮系統(tǒng)三維構建示意圖如圖2所示。

圖2 三維構建示意圖

2.2 研磨和鏟刮平臺構建及研究效果

流程中機器人搬運單元、輸送線輸送單元、翻轉(zhuǎn)和裝夾單元市場應用均比較成熟，此鏟刮應用系統(tǒng)實際構建中不作相關輸送平臺的搭建和分析。在此重點對機器人鏟刮單元難點做細節(jié)探討和研究。

平臺由上料翻轉(zhuǎn)變位機、鏟刮、涂抹、吹鐵屑、合研、力傳感器系統(tǒng)和視覺傳感系統(tǒng)等組成。針對機器人鏟刮工序方面的研究，以視覺系統(tǒng)、力傳感檢測等檢測裝置來實時收集數(shù)據(jù)并且實時分析計算數(shù)據(jù)，與機器人進行聯(lián)動鏟刮工作。紅丹涂抹、研磨拖動、吹屑、視覺檢測及柔性鏟刮系統(tǒng)等研究平臺構建實物，如圖3所示。

圖3 研究平臺構建實物

鏟刮單元實現(xiàn)了機器人視覺系統(tǒng)自動識別鏟刮面凸面位置，并分析凸面鏟刮后鏟面的效果是否達到鏟刮技術要求。經(jīng)過系統(tǒng)軟件控制，實現(xiàn)了機器人自動執(zhí)行多次鏟刮修補的功能。機器人鏟刮平臺實際鏟刮應用動作、效果如圖4所示。

圖4 機器人鏟刮動作、效果

鏟刮過程中相機根據(jù)程序自動拍照，實時檢測和識別鏟刮點位，有效生成鏟刮程序。柔性鏟刀鏟刮的效率約為1M×0.5M平面/100s，視覺拍攝實時顯示工件對應點位的機器人鏟刮動作，智能化程度優(yōu)良，操作方便。

對于柔性鏟刀系統(tǒng)實現(xiàn)的替代鏟刮人員粗鏟、半精鏟工序工作，直接改善了勞動者工作環(huán)境和勞動強度，提供了更高時長的工作。一天可24小時連續(xù)生產(chǎn)，降低了鏟刮工序?qū)θ斯ぜ夹g的要求，有效節(jié)約了人力，促進了生產(chǎn)節(jié)奏。

3 結論

通過對鏟刮、研磨技術工藝的分析，文中對機器人鏟刮智能系統(tǒng)進行了研究與開發(fā)探討。根據(jù)行業(yè)發(fā)展結合公司產(chǎn)品對機器人智能鏟刮系統(tǒng)總結及要求如下：可以采用視覺系統(tǒng)、力傳感器作為鏟刮、研磨的檢測工具，研發(fā)配套與機器人更簡單數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計算的智能力傳感器系統(tǒng)和視覺等系統(tǒng)作為機器人鏟刮應用的強大智能化功能模塊支撐點，以此大大提高機器人工件鏟刮研磨的質(zhì)量和效率。可將機器人機床相關鏟刮研磨經(jīng)驗和相關智能技術推廣至廣泛的工業(yè)產(chǎn)品機器人打磨拋光領域應用，前景不可估量。因此機器人相關鏟刮、研磨應用其及相關場景應用技術值得深入研究、攻關、做精做細和大力推廣。

摘自《自動化博覽》2020年5月刊