机器人去毛刺打磨抛光力控工具，详解！

铸件毛坯表面存在大量的飞边、毛刺，不仅影响铸件外形美观，而且严重影响铸件的产品性能和使用寿命。针对发动机缸体、缸盖等大型、内腔复杂的铸件，设计了一种发动机铸件智能打磨工作站，开发了具有自主知识产权的机器视觉技术、信息化技术等，并进行了应用验证。通过机器人作业与铸造工艺、工装夹具有效融合，产品生产效率提升了20%以上，生产合格率达到了97%以上，用工成本降低了20%以上，显著改善了清理打磨现场的粉尘和噪音污染等，满足了打磨机器人在铸件清理打磨环节日益增多的应用需求。

我国是个铸造业大国，铸铁件产量占铸件总产量的70%以上，2020年我国铸件总产量达到5 195 万t，同比增长6.6%，铸件的清理是铸造生产中不可缺少的一道关键工序。在大型发动机缸体等复杂毛坯铸件行业中，清理工序仍处于手持砂轮、风镐、扁铲等工具进行作业的水准。目前的铸件清理以人工为主但生产现场的“脏、乱、差”的现状严重影响工人的身体健康，铸件清理打磨的机器换人的趋势迫在眉睫。为了更好地解决铸件清理打磨机械化与自动化程度低的问题，基于自动打磨自动化技术进行研究，针对现有的铸造技术加以优化，一定程度上提升了铸钢件的清理技术，改善铸件打磨作业情况，提升企业的生产效率。目前，在各类铸件生产中，砂处理、造型、制芯等工艺过程已逐步实现自动化及智能化，然而铸件后处理技术大多仍停留在人工操作阶段。同时，企业对铸件表面质量追求精益求精的态度，使得各种行之有效的铸件打磨技术及相关设备成为促进铸造行业发展的刚需。国外基于劳动力的缺乏和工业化的发达，借鉴机械加工设备的经验开发出了一些铸件清理设备，投入使用后取得了很好的效果，既提高了生产效率，又减轻了作业者的劳动强度，改善了作业环境，但设备价格十分昂贵，难以普及并广泛应用。

本文在研究铸件打磨机理、机器人智能打磨工作站、柔性工装夹具设计、机器姿态偏差视觉补偿系统等铸件智能打磨关键技术的基础上，研发了一种发动机铸件智能打磨工作站，整体外观如图1所示。

图1　机器人打磨工作站整体外观

机器人打磨工作站基本实现了技术壁垒的突破，开发了具有自主知识产权的EDRC技术、敏捷保护技术、3D视觉技术、信息化技术等先进技术，并针对柴油发动机机体、缸盖铸件披缝、浇冒口及残根的自动磨削和打磨，构建了智能自动生产线，验证了所开发的打磨工作站可以满足打磨机器人在铸件清理打磨环节高精度、高效率的要求，满足了复杂曲面中大型铸件清理自动化、集约化、连续化、智能化高效生产的作业要求。

1　机器人打磨工作站组成

机器人打磨工作站是采用机床的高刚性、高效率和密闭防护的设计理念和设计技术，结合机器人高柔性特征，融入数据的可视化和信息集成化技术形成全新的打磨单元。机器人打磨工作站由工件定位系统、安全房和安全锁等组成的安全防护系统、电主轴、刀柄刀具和三维激光扫描仪等组成的清理加工系统、地基底座、打磨机器人系统、冷却系统、刀库系统、液压系统、气路系统、软件控制系统和排屑系统构成。标准化机器人打磨单元如图2所示。

图2　机器人打磨工作站主要组成

该机器人打磨工作站可以满足披缝、残根、毛刺、飞边等清理打磨的需求，清理打磨后的残根小于±0.2 mm，其关键性能指标如表1所示。

表1　机器人打磨工作站关键性能指标

2　视觉定位系统

视觉定位系统主要由机器人、装在机器人末端的相机、装在链板线上方相机支架上的相机、视觉控制器等组成，辅助机器人完成链板线上单体缸盖的定位抓取和缓存托盘装置上工件的定位抓取，其图像采集效果如图3。

图3　机器视觉铸件表面图像采集

视觉定位系统实现流程如图4所示，相机安装在链板线上方支架上，当机器人和控制器收到工件到位信号后，引导相机进行拍照，在视觉控制器中对采集图片进行图像处理和计算，并将计算结果发送给机器人，机器人根据定位结果抓取工具，并放到输送装置上去，一个工作流程便算完成。当机器人和视觉控制器收到下料信号后，机器人携带各自的相机走到相机拍照点，视觉控制器通知相机采集托盘中的工件图片。

图4　视觉定位流程图

设机器人坐标系为Q，线激光传感器坐标系为P，P到Q的旋转矩阵和偏移矩阵分别为R和T，设空间某一点B在Q和P坐标系下的齐次坐标分别为Qb（X，Y，1），Pb（x，y，1），Pb和Qb之间转换关系如公式（1）所示：

式中：R代表线激光传感器坐标系到机器人坐标系的旋转矩阵，t代表偏移量，SToBMat2D为标定圆圆心在线激光传感器中的坐标和机器人坐标系中的坐标的变换关系。

3　数据采集系统

打磨工作站控制系统如图5所示，主体由机器人、电主轴、干燥机、水冷系统、液压系统、刀具库和一套工控机组成。系统通过PROFINET构成分层网络结构，同时配置激光矫正功能，对铸件定位和尺寸进行检查，对打磨机器人打磨轨迹进行调整优化，提高打磨精度。

图5　打磨站控制系统图

除了基础的数据监控，平台还支持更多的展示，如图6所示，这是发动机铸件打磨生产线的相关映射，包括现场实时运行的视频内容、基于数字孪生架构的建模仿真和基础的机器人状态监测。在总体页面内，还有当前现场实时状况与数据，查看页面如图6a所示，可以查看当前生产线具体的实时状况，包括生产线状态、完成情况、设备状态等。同样的，机器人运行状态也有监控，如图6b所示，可以查看机器人主轴详情，状态、能耗、产量等。

图6　数据监控平台

4　应用验证

采用机床的高刚性、高效率和密闭防护的设计理念和设计技术，结合机器人高柔性特征，融入数据的可视化、信息集成化和自动输送技术形成自动化的打磨生产线布局如图7所示。

图7　生产线布局图

系统主要由机器人打磨工作站、平面磨单元、搬运机器人单元、视觉定位系统、辊道输送系统、安全防护系统、电气控制系统等部分组成，打磨系统现场应用效果如图8所示。配备密封室体实现粉尘和噪声的治理，每个打磨单元均配备自动排屑机和废料收集小车。采用整体机加工底座，刚性好，相对位置精度高，极大地缩短现场安装调试周期。各打磨单元具有打磨过程自动监控系统，并预留有信息化管理数据接口。

图8　打磨工作站现场应用效果

通过打磨工作站的打磨，能够有效去除缸体缸盖铸件的毛刺、突起等缺陷，有效提高了铸件表面质量，如图9所示。该生产线主要用于发动机铸件内外表面毛刺和浇冒口残余的清理打磨，采用三维激光视觉定位技术，实现了铸件打磨的智能定位、机器人自动精准抓取，解决了过去人工打磨效率低、劳动强度大、安全隐患高等问题，提升了产品质量和效益。生产线建设完成并投入正式生产后，生产线上的设备一直正常运行、无故障，产品生产效率提升了20%以上，生产合格率达到了97%以上，用工成本降低了20%以上。

图9　打磨前后效果对比

也有一部分厂家开始使用机器人安装电动或气动工具进行自动化打磨，与手持打磨比较，机器人去毛刺能有效提高生产效率，降低成本，提高产品良率，但是由于机械臂刚性，定位误差等其他因素，采用机器人夹持电动，气动工具去毛刺针对不规则毛刺处理时容易出现断刀或者由于力度不均对工件造成损坏等情况发生。

近年来在欧美发达国家已经广泛使用的力控浮动工具（Compliant  Force Control Tool，) 能够在轴向或360度内径向实现力控浮动，这一新型力控工具的出现解决了机器人去毛刺打磨抛光主轴工具问题；力控浮动去毛刺打磨抛光工具在进行难加工的边、角、交叉孔等不规则形状毛刺及面的打磨抛光能让浮动机构和刀具能针对工件毛刺面采取顺随加工（compliant  deburring)，模拟人手进行柔性去除毛刺打磨抛光，能有效避免造成刀具和工件的损坏，吸收工件及定位等各方面的误差，同时提高精度。

机器人去毛刺浮动工具能通过快换接口进行自动换刀，进行多工序加工，也可从经济角度出发使用法兰或者其他方式与机器人连接，同时这种浮动工具也能方便地安装在数控加工中心上使用。

工业机器人去毛刺打磨抛光的优点及我国应用的迫切性

由于去毛刺打磨抛光工况相对都是比较恶劣的，打磨产生的火花、粉尘及噪音严重影响工人的身心健康；工人无法长时间集中精力从事紧张、重复的劳动，容易发生工伤事故； 人工打磨质量要依照工人经验去判断好坏，使得打磨质量无法得到保证；熟练工的缺失，工效低下且招工困难；人工成本不断抬高，而且恶劣的工作环境必须为工人支付更高的薪酬，这些使得机器人换人成为必然趋势且迫在眉睫！

和人相比，机器人打磨抛光去毛刺的优势不言而喻：

1、密闭式的机器人工作站，将高噪音和粉尘与外部隔离，减少环境污染；

2、操作工不直接接触危险的加工设备，避免工伤事故的发生；

3、机器人能保持产品加工精度的一致性，不仅保证了质量的可靠，而且降低了废品率；

4、机器人替代熟练工，不但降低人力成本，而且也不会因为操作工的流失而影响交货期；

5、机器人可24小时连续作业，生产效率大福提高。

6、可再开发性，用户可根据不同样件进行二次编程，缩短产品改型换代的周期，减少相应的投资设备；

为什么不能使用通常的刚性工具如普通电主轴、气动主轴等安装在机器人上实现去毛刺打磨抛光？

需要机器人去毛刺打磨抛光的工件一般都是铸造，由于模具精度等各方面因素，铸件总会存在铸造飞边、分模线和铸造尺寸公差和形位公差；如果采用刚性工具去毛刺打磨抛光， 就必须精确控制机器人的运动轨迹以拟合工件边沿；由于机器人的定位精度比较高，这样如果有1000个工件就必须有1000个程序来拟合工件外形，否则就会伤及工件本体或者根本没有将毛刺去除，而这是不可能的！这就必须采用一种特殊工具力控浮动工具（Compliant  Force Control Tool，)来实现！

为什么高端主流工业级的去毛刺力控主轴都是气动？

1、高端的力控去毛刺工具都是采用气浮动实现力控，因此无论主驱动是否用气，都必须有气源；

2、去毛刺工况一般都比较恶劣，金属碎屑飞边等很容易对线缆造成损伤，且有些粉尘如铝合金很容易发生爆炸风险，因而气动简单可靠安全；

3、气动发热小，可以24小时运行，不会出现过热故障甚至烧毁；同时通过调节气压可以很方便调节转速，如果采用自动阀门也可以自动控制转速；

4、用气要求：干燥的洁净的工厂标准压缩空气，最大气压不超过0.6mpa(6KG)；

机器人去毛刺打磨抛光工具的分类

1）按力控及是否闭环控制分为：被动式 Passive Compliance和主动式 Active Compliance

主动式适用于复杂曲面的打磨抛光；

被动式适用于平面的打磨抛光和去毛刺！

2）按驱动方式分为：气驱动和电驱动；

3）按力控机构的力控方式：气浮动力控和弹簧（橡皮）浮动；需要说明的是去毛刺力控主轴高端产品都是气浮动力控气驱动，只有低端产品采用弹簧橡皮等浮动机构，这种浮动机构根本达不到力控效果，使用寿命也非常有限！

气驱动气浮动力控机器人去毛刺打磨主轴动力头；

特点：

1、由工厂标准压缩空气驱动叶片马达及顺随浮动力控机构，实现径向浮动顺随或轴向浮动顺随加工；

2、开环控制，简单可靠、高效；

3、可以通过换枪盘进行自动更换主轴，实现多道工序加工；也可以将主轴放在专用主轴桁架上，由机器人夹持工件实现多道加工；少数几种工具可以直接自动更换加工磨轮，实现长时间无人值守加工；

机器人去毛刺打磨抛光工具的典型应用：