樊智敏，郭 輝，姚志強，王奉龍

(中航飛機股份有限公司 長沙起落架分公司，陜西 漢中 723000)

目前，國內(nèi)大部分機械制造業(yè)、加工業(yè)、模具業(yè)、木業(yè)、皮革業(yè)等打磨拋光工藝主要由打磨操作者進行。其工作的主要目的是去除產(chǎn)品工件表面的毛刺，使之光滑，易于繼續(xù)加工或達到成品。打磨產(chǎn)生的粉塵顆粒會影響打磨操作者肺部及呼吸道、鼻腔健康。同時，打磨操作過程中產(chǎn)生的高速顆粒、火花，不但會刺激皮膚導致灼傷，而且嚴重時可能會引發(fā)火災(zāi)或發(fā)生爆炸[1]。為保障操作者人身健康，消除噪聲、粉塵污染，提高產(chǎn)品加工精度一致性，降低廢品率，大幅度提供生產(chǎn)效率，引進了結(jié)構(gòu)件智能打磨技術(shù)并開展了相關(guān)研究。機器人打磨按照作業(yè)方式不同分為2種形式：機器人夾持工件進行打磨(工件型機器人)和機器人拿著工具進行打磨(工具型機器人)。工具型打磨機器人主要用于大型工件的打磨加工，例如大型鑄件、葉片、大型工模具等。工件型打磨機器人主要適用于中小零部件的自動化打磨加工，還可以根據(jù)需要配置上料和下料的機器人，完成打磨的前后道工序的工件自動化輸送[2-5]。

1 智能打磨單元工藝流程

起落架為飛機起飛著陸的主要承力部件，其結(jié)構(gòu)件多選用A100、300M等超高強度鋼，超高強度鋼對應(yīng)力集中和應(yīng)力腐蝕比較敏感，為保證結(jié)構(gòu)疲勞強度，結(jié)構(gòu)件表面粗糙度一般要求≤Ra3.2 μm，應(yīng)力復雜部位要求≤Ra1.6 μm。為此，熱處理前起落架結(jié)構(gòu)件的所有表面均留一定余量，以便安排工序進行打磨。通過打磨光整降低起落架結(jié)構(gòu)件表面粗糙度，排除表面缺陷，保證被加工零件表面完整性。

飛機起落架結(jié)構(gòu)件智能打磨工藝流程(見圖1)：1)通過編程軟件，對工件打磨工序進行離線編程，生成程序后，將其發(fā)送至機器人智能打磨單元，并人工校驗打磨程序；2)防護門打開，RGV上件，夾具關(guān)閉，工作臺將打磨工件輸送至打磨工位，安全門關(guān)閉；3)機器人抓取激光測量儀，對工件進行掃描定位；4)確認位置后，機器人抓取各打磨工具并與變位機相配合，對工件進行打磨；5)打磨結(jié)束后，防護門打開，RGV下件，安全門關(guān)閉；6)重復步驟1～步驟5。

圖1 工藝流程

2 智能打磨單元組成

智能打磨單元主要由ABB六軸機器人、打磨工作臺、多工位刀具庫、掃描定位系統(tǒng)、負壓集塵系統(tǒng)、防護罩以及電控系統(tǒng)等構(gòu)成，總體設(shè)備布局如圖2所示。智能打磨單元配備一套全自動去毛刺打磨光整系統(tǒng)，利用六軸機器人及打磨臺，對不同工件不同打磨位置進行自動打磨加工，以達到光整、去毛刺效果。該設(shè)備還具有自動換刀功能，針對不同工件的不同部位，使用不同打磨工具，以達到最佳打磨效果[6-7]。該智能打磨單元主要功能特點如下。

圖2 總體設(shè)備布局

1)可兼容多種工件，包括多種材質(zhì)工件，如鈦合金、高溫合金、不銹鋼等。

2)具備定制化用戶操作界面，根據(jù)不同工件自由選擇加工程序。

3)智能打磨單元配備加工工具庫，可由機器人根據(jù)加工需要抓取合適工具進行加工。

4)智能打磨單元設(shè)密閉防護間及除塵機，能夠吸塵降噪，滿足環(huán)保需求。

5)智能打磨單元配備安全防護系統(tǒng)，當有異常發(fā)生時，可以隨時緊急停止，機器人工作時禁止人員入內(nèi)。當安全鎖被打開時，機器人系統(tǒng)停機防止意外發(fā)生。機器人自身各關(guān)節(jié)電動機具有過載保護功能，當發(fā)生碰撞時會急停，防止事故發(fā)生。

2.1 ABB機器人

智能打磨單元的機器人采用ABB公司IRB6700型六軸工業(yè)機器人。每個軸臂均采用輕質(zhì)堅固的材料結(jié)構(gòu)，各軸動力傳遞平穩(wěn)，軸驅(qū)動均為交流伺服電動機驅(qū)動，任何一個軸都具有軟、硬2種限位裝置，機械軸有自動平衡能力，1～6軸具備平衡和自鎖能力，保證在斷電或其他意外停機時不因自重而失控，同時設(shè)置手動釋放鍵解除自鎖以便于操作。其平均故障間隔時間據(jù)測算長達40萬h。機器人在轉(zhuǎn)臂動作時，具有碰觸保護功能，以防碰傷物件和人員。打磨機器人在整個智能打磨過程中有如下作用：1)執(zhí)行打磨程序，完成對工件的打磨；2)帶動測量定位系統(tǒng)對工件進行測量定位；3)執(zhí)行自動更換工具及磨頭動作；4)機器人末端加裝六維力控裝置，可實時對打磨壓力進行設(shè)定及監(jiān)測。

2.2 數(shù)控編程技術(shù)

2.2.1 離線編程系統(tǒng)

智能打磨單元的離線編程系統(tǒng)可實現(xiàn)基于工件三維數(shù)模生成加工路徑與仿真執(zhí)行，支持離線編程軟件，如Robot Master、PQArt、RobotOle、InteRobot。在此基礎(chǔ)上，還可根據(jù)工藝需求，手動進行編程，增加接近和離開點，以及調(diào)整加工路徑和修改加工參數(shù)，最終生成機器人加工路徑，導入機器人控制器自動執(zhí)行。機器人采用主控觸摸屏+手持操作盒的操作模式，能夠預編程并儲存打磨程序，通過程序名稱進行打磨程序調(diào)用。程序采用多段式編程模式，每段工序可設(shè)置不同的打磨參數(shù)。軟件的主要操作流程包括：導入工件模型；根據(jù)幾何數(shù)模的拓撲信息生成機器人運動軌跡，進行軌跡仿真、路徑優(yōu)化、后置代碼處理，生成路徑代碼。

2.2.2 設(shè)備在線自動校準

智能打磨單元的自動校準功能，主要通過激光測量儀傳感器實現(xiàn)對工件的在線校準與精確的加工位置測量，消除裝夾誤差，確保加工路徑與工件理論加工部位的一致性，并在測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對離線編程程序進行打磨路徑偏差校準，實現(xiàn)對打磨起始、暫停以及過渡位置的控制。

2.3 激光掃描測量

智能打磨單元的激光掃描定位技術(shù)采用非接觸掃描目標的方式進行測量，掃描目標物體不需進行任何表面處理，直接采集物體表面的尺寸數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實可靠，系統(tǒng)測量精度≥0.2 mm。激光掃描技術(shù)采用主動發(fā)射掃描光源(激光)，通過探測自身發(fā)射的激光回波信號來獲取目標物體的數(shù)據(jù)信息。因此，在掃描過程中，可以實現(xiàn)不受掃描環(huán)境的時間和空間的約束。激光掃描技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)是直接獲取的數(shù)字信號，具有全數(shù)字化特征，易于后期處理及輸出。若將其測量數(shù)據(jù)與離線編程后處理軟件交換，可進一步優(yōu)化機器人離線路徑。

2.4 工件變位系統(tǒng)

智能打磨單元的工件變位系統(tǒng)主要作用是夾持并輸送工件，裝夾方式為利用定位夾具的人工裝夾。由于工件種類多，外徑及高度尺寸變化大，需要根據(jù)工件外徑尺寸配備多套定位夾具。轉(zhuǎn)臺依靠伺服電動機旋轉(zhuǎn)、翻擺，并通過與機器人信號互通，實現(xiàn)聯(lián)動，精確定位，拓展機器人可達范圍。底部滑軌用于將轉(zhuǎn)臺送出防護間，以便工人上下料，底部滑軌為密封結(jié)構(gòu)。變位機外置數(shù)字檢測系統(tǒng)，可預防意外停車時對工件某一位置造成過打磨，從而避免工件報廢現(xiàn)象的發(fā)生。變位機和滑軌示意圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 變位機示意圖

圖4 滑軌示意圖

2.5 恒力浮動打磨技術(shù)

機器人為多軸串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此其剛度遠低于傳統(tǒng)的加工機床，當機器人與工件產(chǎn)生接觸力時，就難以控制機器人的進給精度，恒力浮動打磨技術(shù)可保證工件準確的打磨量。其原理示意圖如圖5所示。

圖5 恒力原理示意圖

打磨工具與機器人之間安裝有浮動及壓力控制部件，該部件有2個作用：1)保證光飾工具可以在一定范圍內(nèi)浮動，即打磨工具與機器人法蘭之間的距離能在一定范圍內(nèi)變化；2)保證打磨工具與機器人之間具有恒定的作用力N，即當機器人帶動打磨工具壓向工件時，產(chǎn)生的接觸壓力始終是恒定的。

2.6 打磨工具

為適應(yīng)不同的打磨情況，智能打磨單元配備多種打磨工具。打磨工具上安裝快換機構(gòu)，機器人抓取不同工具時可實現(xiàn)快速更換。其中，電主軸帶自動換刀功能，可根據(jù)不同打磨情況自動更換不同磨頭。根據(jù)恒力浮動打磨原理，配有恒力浮動及限位裝置的電主軸可控制接觸壓力保證準確的打磨量，即自動適應(yīng)工件的型面變化，防止傷到工件本體。

2.7 快換裝置

智能打磨單元的機器人工具快換裝置(Robotic Tool Changer)用于機器人自動切換抓取不同的加工工具。工具快換裝置(見圖6)包括一個安裝在機器人末端的主盤，以及若干個安裝在加工工具上的副盤。主盤、副盤結(jié)合的同時可自動接通加工工具的電路及氣路。主盤與副盤通過壓縮空氣進行連接，其特殊的機械結(jié)構(gòu)保證即使氣路意外斷開，副盤仍不會脫落。

a) 快換裝置

2.8 多工位刀庫

智能打磨單元的加工工具庫用于擺放加工工件需要用到的工具。防護箱采用密封結(jié)構(gòu)，防止加工粉塵落在工具裝配面影響抓取精度。工具庫設(shè)計有自動升降門，機器人抓取工具或者更換主軸磨頭時防護門打開，動作完畢后關(guān)閉。刀庫設(shè)有8個刀位，其中3個為使用刀具刀位，3個為備用刀具刀位，2個為預留刀位。每個工具位置設(shè)置有傳感器，用于判斷機器人當前抓取的工具。

2.9 負壓集塵系統(tǒng)

智能打磨單元的含塵氣體在離心風機的離心力作用下進入除塵器勻流室，進入勻流室后由于氣流斷面突然擴大及氣流分布板作用，氣流中一部分粗大顆粒在動和慣性力作用下直接沉降到灰斗；粒度細、密度小的塵粒進入各濾塵室后，通過布朗擴散和篩濾等組合效應(yīng)，使粉塵沉降在濾芯表面上，凈化后的氣體進入凈氣室由排風管經(jīng)風機排出。設(shè)備的阻力隨著濾袋表面粉塵層厚度的增加而增大。阻力達到某一設(shè)定值時進行清灰。此時集塵器控制電磁脈沖閥逐個開啟，壓縮空氣以極短的時間通過誘導噴嘴涌入濾筒，使濾筒膨脹變形產(chǎn)生振動，并在逆向氣流沖刷的作用下，附著在濾筒外表面上的粉塵被剝離落入灰斗中。

2.10 防護工作間

智能打磨單元的防護工作間由鋁型材、鈑金件、有機玻璃及其他附件組成。其整體密閉性好，設(shè)有進出料門、檢修門等，局部可視化，便于觀察零件加工狀態(tài)。檢修門設(shè)有安全聯(lián)鎖，以保證人員安全。

2.11 電控系統(tǒng)

智能打磨單元的控制系統(tǒng)主要包括電控柜、PLC、變頻器等電氣件及管線。通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備全自動運行、報警等。以PLC作為控制系統(tǒng)的核心，通過觸摸顯示屏可以觀察當前批次加工工件型號、設(shè)備工作狀態(tài)、報警信息等。所有的控制部分都通過PLC整體監(jiān)控，并發(fā)出控制信號。在需要調(diào)節(jié)參數(shù)時，可在觸摸顯示屏上手動調(diào)整，滿足不同工件的光飾工藝要求，且設(shè)備系統(tǒng)具備一鍵啟動。設(shè)備的狀態(tài)通過三色燈進行指示，黃色表示待機，綠色表示自動運行，紅色表示設(shè)備故障。

3 智能打磨技術(shù)應(yīng)用

智能打磨單元具備在線檢測功能，能夠?qū)ぜb夾誤差、自身公差進行測量和補償。工件通過滑軌自動上下料，采用機器人自動抓取換刀功能，實現(xiàn)零件的定點打磨、拋光及去毛刺功能。其主要優(yōu)點：1)可提高零部件表面質(zhì)量，如改善表面粗糙度、TP值，減少表面缺陷，改變表面紋理；2)提高零部件性能指標，如改善殘余應(yīng)力，提高顯微硬度；3)實現(xiàn)全自動打磨拋光清理，完全解放了人工；4)超高柔性，高度靈活，大大提高了打磨效率，且能24 h連續(xù)不間歇高速工作，不受任何外界因素的干擾，打磨拋光穩(wěn)定性好，產(chǎn)品一致性高，表面完整性好；5)離線編程適合多種產(chǎn)品的打磨拋光；6)系統(tǒng)集成、聯(lián)動性好，能和其他設(shè)備之間通信，實現(xiàn)無縫鏈接，組成智能生產(chǎn)線，進一步提高能效，節(jié)約成本[8-10]。

目前，對智能打磨單元上線運行的10余項產(chǎn)品進行統(tǒng)計，整體效率提升50%。在智能打磨單元對圖7所示某兩項起落架結(jié)構(gòu)件進行曲面、拐角打磨拋光，打磨后的尺寸幾何特征良好，表面粗糙度為Ra(3.2～1.6) μm(拐角處表面粗糙度為Ra3.2 μm)。對圖7b一批10件零件進行打磨加工時間統(tǒng)計：在機器人智能打磨單元，全自動打磨拋光所需時間由原來人工24 h縮短至9 h，相比批產(chǎn)打磨效率提升了62%。為進一步拓展智能打磨單元功能，已開始對民機、軍機起落架結(jié)構(gòu)件按族分類，編制典型打磨光整流程，開展智能打磨提質(zhì)增效研究。

a) 轉(zhuǎn)彎卡箍

4 結(jié)語

為改善人工打磨過程中強度大、粉塵噪聲污染重的問題，開展了結(jié)構(gòu)件智能打磨技術(shù)研究，建設(shè)了智能打磨單元。智能打磨單元由ABB六軸機器人、打磨工作臺、多工位刀具庫、掃描定位系統(tǒng)、負壓集塵系統(tǒng)、防護罩以及電控系統(tǒng)等11個模塊構(gòu)成。文中詳細介紹了起落架結(jié)構(gòu)件智能打磨流程、數(shù)控編程、激光掃描測量、恒力浮動打磨等相關(guān)技術(shù)，打通了起落架結(jié)構(gòu)件智能打磨的產(chǎn)品研制過程，實現(xiàn)了高效化、專業(yè)化生產(chǎn)。產(chǎn)線建設(shè)方案也為相關(guān)單位的智能打磨單元建設(shè)提供了一整套方法，便于借鑒和應(yīng)用。