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機器人打磨恒力浮動工具現狀概況

近年來隨著機器人在更多的制造業細分領域發揮著越來越重要的作用，而打磨、拋光、去毛刺是制造業中不可缺少的基礎工序，所以打磨機器人逐漸進入人的視野中。為了讓大家更深入的了解打磨機器人，機器人大講堂特邀ATI中國區材料去除專家張志軍先生為我們分享《機器人打磨恒力浮動工具及案例分享》。張志軍先生碩士畢業于北京理工大學機械工程與自動化學院，曾在3M公司從事十多年磨料磨具的應用開發，參與組建了機器人打磨實驗室。現為ATI中國區材料去除專家、高級客戶經理。本期分享要點如下 1.機器人打磨領域現狀分析 2.機器人打磨的關鍵核心技術 3.恒力浮動對機器人打磨的必要性 4.ATI恒力浮動打磨工具介紹 5.機器人打磨應用案例分享以下內容根據張志軍先生直播分享實錄整理什么是打磨機器人？打磨機器人是從事打磨的工業機器人，智能化代替人工打磨，提高工作效率以及保證產品優品率。現在越來越多的機器人打磨中，機器人打磨一般從事的是棱角去毛刺，焊縫打磨，內腔內控去毛刺等工作。機器人打磨目前主要是分為兩種工作方式：一種是通過機器人末端執行器夾持打磨工具，主動接觸工件，工件相對固定，這種方式通常應用在機器人負載能力較差，代加工工件質量和體積均較大的情況下，稱為工具型打磨機器人；另一種是機器人末端執行器夾持工件，通過工件貼近接觸打磨工具打磨，打磨工具相對固定，這種方式通常應用在代加工工件體積小，對打磨精度要求較高的情況下，稱為工件型打磨機器人。目前，廣泛應用于3C行業、五金家具、醫療器材、汽車零部件、小家電等許多行業。機器人打磨恒力浮動工具現狀概況了解了什么是打磨機器人，接下來，讓我們走進它的世界吧！ 1.工具型打磨機器人本文知識點主要是針對第一種方式，即機器人末端執行器夾持打磨工具，首先我們先談一談傳統的打磨工具。傳統打磨工具傳統的打磨主要是有銑削、圓周磨、端面平磨、端面角打磨與平面偏心打磨這五種方式。其受力方向如圖1所示。圖1 傳統打磨方式浮動打磨工具機械打磨方式只要是分為剛性打磨和柔性打磨，剛性打磨頭的特點為成本低廉，工件外形復雜時加工效果不好，主要是使用在工件簡單，要求不高的場合。根據五種傳統打磨方式，將機器人的高柔性、高自動化等優點融入打磨領域，研發出浮動打磨工具，即柔性打磨。目前主要是分為閉環浮動機構、開環浮動機構、軸向浮動打磨工具、徑向浮動打磨工具與機器人加力傳感器五大類。圖2 五種柔性打磨方法根據浮動方向主要是分為軸向浮動和徑向浮動，下面將圍繞這兩種方式進行展開分析。軸向浮動根據之前介紹的傳統打磨工具中，可以知道軸向受力的分別為銑削、圓周磨、端面平磨、平面偏心打磨四種方式。承受軸向壓力是磨具受力最為常見的方式，在實際打磨的過程中，為了打磨的穩定性和一致性，要求壓力一致或者可控。所以為了獲得恒力，位置就需要浮動，常用的方式主要是普通氣缸、伺服氣缸與伺服電缸三種方式。圖3 軸向浮動實現方式如何實現恒力？以伺服氣缸為例，主要是建立閉環控制回路，執行機構末端放置壓力傳感器，電氣比例閥控制氣路的閥口大小，從而得到氣缸設定的輸出壓力，如圖4所示。圖4 恒力控制示意圖此外，伺服電缸通過伺服電機來控制絲杠，從而達到浮動和恒力控制，其中伺服電機一般分為三個閉環負反饋PID調節系統，三個閉環分別為電流環、速度環、位置環，具體詳細控制方式此處不詳細敘述！徑向浮動在進行打磨的過程中，需要用到磨具或者刀具的圓周面，受力為主軸的徑向，如下圖5所示。圖5 徑向受力圖在實現徑向浮動的方法中，一種是通過杠桿原理，另外一種主要是通過在主軸尾部安裝浮動機構實現整體浮動，如下圖6所示。圖6 徑向浮動解決方案如何實現徑向浮動？在實現打磨工具浮動的方法中，以銼刀為例，下圖7為ATI工業自動化解決方案，主要使用支點球面軸承和順從圓形活塞，使得不管在打磨的過程中刀頭偏向哪兒都可以使得其在工作范圍內。圖7 ATI實現浮動方案示意圖 ATI 工業自動化是世界領先的機器人附屬產品和機械手臂工具的工程研發公司，產品包括自動工具快換裝置，多軸力與力矩傳感器系統，機器人毛刺清理工具，機器人防碰撞傳感器，旋轉連接器和順從裝置。 2.工件型打磨機器人工件型打磨機器人通過機器人抓手夾持工件，把工件分別送達到各種位置固定的打磨機床設備，分別完成磨削、拋光等不同工藝和各種工序的打磨加工的打磨機器人自動化加工系統。圖8 工件型打磨機器人主要是有機器人本體、配備的打磨設備、夾具、力控技術四部分組成。機器人打磨關鍵核心技術及其案例應用如何實現恒力？打磨機器人如何實現感知？不管指工具型或工件型打磨機器人實現其相應的功能都需要一個重要器件—力/力矩傳感器。如下圖9所示，ATI的六軸力/力矩傳感器，采用的是硅應變片原理，扭力梁上貼硅應變片，硅應變片應外力后產生阻值變化，再轉化成電壓信號，之后根據電壓變化，對應出力和力矩的數值。圖9 ATI的六維力/力矩傳感器傳感器輸出六個數值 Fx , Fy ,Fz ,Tx ,Ty ,Tz給機器人控制器，不同的機器人是根據自己的機器人控制系統，開發自己相適應的軟件包，通過計算后，變成可執行程序，從而改變機器人工具和工件的接觸力。使用傳感器如何打磨？原則為工具前端不與工件接觸，保持一定的距離，描繪工件的形狀，之后通過力控制功能的觸碰動作靠近，直至與表面接觸。圖10 打磨作業示例圖10展示了磨具工作路線與工件表面之間的關系： 1為需要打磨的曲面工件 2為在工件表面上方粗略的軌跡 3為記錄三個關鍵點： a.記錄觸碰動作開始位置（P1） b.研磨結束位置（P2） c.作業結束位置 4展示了打磨的實際軌跡應用案例圖11 應用示例機器人打磨的未來趨勢機器人打磨的主要優勢為可以提高打磨質量和產品光潔度，保證其一致性，提高生產率，一天可連續生產，改善工人勞動條件，提高工人生活質量，可在有害環境下長期工作，降低對工人操作技術的要求，縮短產品改型換代的周期，減少相應的投資設備。使用打磨機器人具有可長期進行打磨作業、保證產品的高生產率、高質量和高穩定性等特點。隨著機器人技術的發展，企業現代化的生產需求，我國越來越重視打磨機器人的應用，根據GGII預計未來幾年中國拋光打磨市場規模平均增速將超過30%，到2020年市場規模將超過85億元。

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