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(dòng)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(lái)看，該工種從業(yè)人員已嚴重不足。隨著(zhù)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(cháng)，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(shù)，致力于實(shí)現鏟刮與研磨工序的無(wú)人化作業(yè)，減輕工人的勞動(dòng)強度、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：機器人；研磨；智能鏟刮；鏟刮控制系統

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的出發(fā)點(diǎn)。未來(lái)制造業(yè)必定向著(zhù)越來(lái)越精致化、人性化、個(gè)性化的方向發(fā)展。面向機床行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的機器人鏟刮應用對工業(yè)機器人、自動(dòng)化工裝夾具、視覺(jué)技術(shù)、算法處理、力傳感技術(shù)、多工位協(xié)調作業(yè)等技術(shù)提出了新的技術(shù)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象已然出現，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研究與開(kāi)發(fā)探討已是迫在眉睫。

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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(jìn)行鏟刮研磨關(guān)鍵作業(yè)工序。而現在的鏟刮作業(yè)均由資深技能工人完成，作業(yè)勞動(dòng)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控將協(xié)同相關(guān)科研單位針對項目中的難點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)，提升工業(yè)機器人技術(shù)，以及工裝夾具等集成應用能力，實(shí)現研磨、鏟刮作業(yè)的智能自動(dòng)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探討

鏟刮是一種提高工件尺寸精度，使工件達到工藝上規定的尺寸、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(chǎng)上對鏟刮工藝的機器人自動(dòng)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(chǎng)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(shù)要求，相對于人工鏟刮操作，無(wú)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。

機器人鏟刮系統替代人工進(jìn)行高精度鏟刮工作，替代人工原有的上下料和鏟刮任務(wù)，解決繁重的人工體力勞動(dòng)，同時(shí)可以長(cháng)時(shí)間無(wú)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(jué)系統和程序優(yōu)化編輯等智能功能綜合應用于鏟刮項目試驗，有利于開(kāi)展技術(shù)創(chuàng )新，開(kāi)拓機器人新型技術(shù)應用、推廣。當機器人正式進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節穩定生產(chǎn)，帶來(lái)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(shù)、智能應用等基礎性的技術(shù)研發(fā)、攻關(guān)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主要分為五個(gè)方面：一是搬運模塊，其由一臺機器人負責搬運和拖動(dòng)；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(dòng)功能電動(dòng)鏟刀或手工鏟刀；四是上料平臺，翻轉裝夾機構組成，考慮變?yōu)樯狭涎b置；五是檢測模塊，主要由視覺(jué)檢測單元和力檢測等單元組成，再配備相應控制軟件、物流輸送系統和生產(chǎn)線(xiàn)控制系統等作為輔助功能模塊，以此實(shí)現研磨鏟刮機器人智能系統應用。

通過(guò)視覺(jué)單元實(shí)現對工件鏟刮區域的識別、判斷和檢測，通過(guò)相關(guān)程序、軟件等輔助算法自動(dòng)分析和處理鏟刮特征，得出鏟刮位置和相應數據，再對鏟刮點(diǎn)數量和位置進(jìn)行判斷識別，并輸出鏟刮位置信息。機器人根據位置信息自動(dòng)執行研磨鏟刮作業(yè)任務(wù)，在鏟刮過(guò)程中由力傳感器適時(shí)檢測鏟刀單元鏟刮過(guò)程中力控大小，并實(shí)時(shí)反饋給機器人控制系統，以此適時(shí)調整機器人鏟刮進(jìn)給量，進(jìn)行實(shí)時(shí)浮動(dòng)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(gè)視覺(jué)檢測系統、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等組成機器人鏟刮工作站。使用視覺(jué)檢測系統執行被鏟刮工件的檢測，實(shí)現將工件面檢測和采集的數據進(jìn)行自動(dòng)分析、判斷和自動(dòng)數據處理，得出工件面需要鏟刮的位置和數量，并自動(dòng)生成機器人研磨鏟刮程序，且由控制系統、力傳感器實(shí)時(shí)控制機器人軌跡動(dòng)作進(jìn)行自動(dòng)鏟刮及鏟刮調準工作。

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(gè)工位搬運到另一個(gè)工位，工位需要設置自動(dòng)定位裝置，可自動(dòng)定位、固定來(lái)料工件。

（2）紅丹涂抹、拖動(dòng)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，不能出現漏涂現象。平臺定位裝置自動(dòng)定位零件后，機器人附帶基準拖板對零件鏟刮面進(jìn)行來(lái)回推動(dòng)合研，使零件凹凸位置實(shí)時(shí)顯現出來(lái)，為后續視覺(jué)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行零件表面的自動(dòng)清理。

（3）零件翻轉，裝夾機構的設計

零件裝夾需要實(shí)現對零件的自動(dòng)定位及夾緊。涂抹紅丹后的零件需要進(jìn)行位置調節，上料平臺及其零件裝夾機構的設計需要滿(mǎn)足零件任意位置的翻轉、定位要求。

（4）視覺(jué)檢測系統

對被鏟刮零件表面進(jìn)行視覺(jué)拍照對比檢測，檢測出色差、位置的高度差的數據。經(jīng)過(guò)圖像數據進(jìn)行分析處理，確定需要進(jìn)行鏟刮面的區域，檢測各個(gè)位置的高度差后實(shí)時(shí)對鏟刮點(diǎn)的數量、位置、高度等數據進(jìn)行判斷和輸出，實(shí)現由控制系統控制機器人的自動(dòng)研磨鏟刮作業(yè)。

（5）柔性鏟刮系統

通過(guò)力傳感器實(shí)時(shí)數據反饋控制系統來(lái)控制機器人軌跡動(dòng)作，實(shí)時(shí)調節研磨、鏟刮力的大小，實(shí)時(shí)貼合工件鏟刮面，實(shí)現鏟刀的柔性浮動(dòng)控制和微量進(jìn)給。

（6）多工位協(xié)同作業(yè)

此應用場(chǎng)景由物料傳送、翻轉、搬運、鏟刮、涂抹、吹鐵屑、合研、力傳感器系統和視覺(jué)傳感系統等組成，本鏟刮系統方案主要是針對機器人鏟刮工序方面的研究，以視覺(jué)系統、力傳感檢測等檢測裝置來(lái)實(shí)時(shí)收集數據并且實(shí)時(shí)分析計算數據，與機器人進(jìn)行聯(lián)動(dòng)鏟刮工作。本方案研究的核心是視覺(jué)與鏟刮系統的聯(lián)動(dòng)工作，對搬運、輸送、翻轉和裝夾等市場(chǎng)均比較成熟的應用，此鏟刮系統中不作深入的探討和研究，僅作為對整個(gè)應用場(chǎng)景的構建示意用。

紅丹涂抹、研磨拖動(dòng)、吹屑、視覺(jué)檢測及柔性鏟刮系統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(xiàn)輸送單元、翻轉和裝夾單元市場(chǎng)應用均比較成熟，此鏟刮應用系統實(shí)際構建中不作相關(guān)輸送平臺的搭建和分析。在此重點(diǎn)對機器人鏟刮單元難點(diǎn)做細節探討和研究。

平臺由上料翻轉變位機、鏟刮、涂抹、吹鐵屑、合研、力傳感器系統和視覺(jué)傳感系統等組成。針對機器人鏟刮工序方面的研究，以視覺(jué)系統、力傳感檢測等檢測裝置來(lái)實(shí)時(shí)收集數據并且實(shí)時(shí)分析計算數據，與機器人進(jìn)行聯(lián)動(dòng)鏟刮工作。紅丹涂抹、研磨拖動(dòng)、吹屑、視覺(jué)檢測及柔性鏟刮系統等研究平臺構建實(shí)物，如圖3所示。

圖3 研究平臺構建實(shí)物

鏟刮單元實(shí)現了機器人視覺(jué)系統自動(dòng)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(shù)要求。經(jīng)過(guò)系統軟件控制，實(shí)現了機器人自動(dòng)執行多次鏟刮修補的功能。機器人鏟刮平臺實(shí)際鏟刮應用動(dòng)作、效果如圖4所示。

圖4 機器人鏟刮動(dòng)作、效果

鏟刮過(guò)程中相機根據程序自動(dòng)拍照，實(shí)時(shí)檢測和識別鏟刮點(diǎn)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(jué)拍攝實(shí)時(shí)顯示工件對應點(diǎn)位的機器人鏟刮動(dòng)作，智能化程度優(yōu)良，操作方便。

對于柔性鏟刀系統實(shí)現的替代鏟刮人員粗鏟、半精鏟工序工作，直接改善了勞動(dòng)者工作環(huán)境和勞動(dòng)強度，提供了更高時(shí)長(cháng)的工作。一天可24小時(shí)連續生產(chǎn)，降低了鏟刮工序對人工技術(shù)的要求，有效節約了人力，促進(jìn)了生產(chǎn)節奏。

3 結論

通過(guò)對鏟刮、研磨技術(shù)工藝的分析，文中對機器人鏟刮智能系統進(jìn)行了研究與開(kāi)發(fā)探討。根據行業(yè)發(fā)展結合公司產(chǎn)品對機器人智能鏟刮系統總結及要求如下：可以采用視覺(jué)系統、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(jiǎn)單數據通信、數據轉換計算的智能力傳感器系統和視覺(jué)等系統作為機器人鏟刮應用的強大智能化功能模塊支撐點(diǎn)，以此大大提高機器人工件鏟刮研磨的質(zhì)量和效率?？蓪C器人機床相關(guān)鏟刮研磨經(jīng)驗和相關(guān)智能技術(shù)推廣至廣泛的工業(yè)產(chǎn)品機器人打磨拋光領(lǐng)域應用，前景不可估量。因此機器人相關(guān)鏟刮、研磨應用其及相關(guān)場(chǎng)景應用技術(shù)值得深入研究、攻關(guān)、做精做細和大力推廣。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年5月刊