機器人自動打磨系統在機車大型構件的應用

尹保亮　任科生

摘 要：針對大型鋼構件焊縫自動打磨這個車體制造工藝的薄弱環節，本文分析了司機室焊縫自動打磨工藝需求，探討了離線編程、激光測量及力控裝置等組成自動打磨系統的關鍵技術，并以機車車體司機室為研究對象，實現了外表焊縫自動化打磨和高質量光滑表面，為大型構件焊縫打磨自動化的發展提供實踐參考。

關鍵詞：機器人；自動打磨系統；機車大型構件

引言

目前，我國機車車體焊接技術日趨成熟，已逐步實施自動化生產，而焊縫打磨主要以原始的手工打磨為主，但其已無法滿足制造生產效率和加工精度的提升要求。隨著機器人與信息技術的發展，開發適用車體的自動打磨系統代替人工，是時代發展潮流。本文以機車車體司機室大型結構件焊縫自動打磨為研究對象，通過研究機器人自動打磨等相關核心技術，實現司機室外表焊縫自動打磨和高質量光滑表面。

1 司機室焊縫自動打磨工藝需求

司機室是機車車體重要部件，外形尺寸為3085*3098*2590（mm），外表為三維復雜曲面，重量約2噸，是大型鋼結構件。長期運行時焊縫因振動易產生疲勞裂紋，去除焊縫余高使焊縫表面平整光滑，既能消除應力集中的影響，防止在棱角處產生裂紋，也能為涂裝和裝配等后道工序提供更好的表面質量和外觀質量。

司機室尺寸大、打磨部位多，傳統的磨拋數控機床受到嚴重的范圍限制，無法直接應用于焊縫打磨，目前主要采用人工打磨方式，但存在噪音、火花與粉塵、安全防護困難、成本高、效率低、加工質量不可控等問題，因此需要一套高生產率、高質量和高穩定性的焊縫自動打磨系統。

2 自動打磨系統方案設計思路

（1）由于機車司機室為不便夾持、移動，因此本研究選用工具型自動打磨系統，即工件不動，打磨系統移動的模式。

（2）考慮工程化應用的效率與效益，應減少編程時間，應避免空打磨和打磨量太少浪費時間，避免打磨量太大對設備造成損失等問題。

（3）基于以上所述，自動化自動打磨系統（如圖1、2）主要由機器人本體、打磨工具系統、力控制器、工裝夾具以及總控制柜等裝置組成，總控制柜的總系統分別調控機器人和各個子控制系統，機器人分別從刀庫調用各種打磨工具，在激光測量系統和力控系統的配合下，根據離線編程完成工件各個部位的不同打磨工序，該系統既能應對各種復雜形狀的焊縫，同時又能實現均勻打磨，提高被加工表面質量一致性。

該系統主要配置如下所述：

（1）機器人KUKA210-2700：工作軌跡范圍保證機器人運動軌跡完全覆蓋產品打磨的表面；

（2）工裝臺及夾具：實現工件定位；

（3）軌道：用于承載機器人等設備長度方向移動；

（4）激光測量系統：檢測焊縫，為加工軌跡提供數據；

（5）打磨裝置：電主軸（動力單元）、打磨工具；

（6）實時力控系統：實現打磨力自動調節，保證打磨力穩定輸出。

3機車司機室焊縫打磨試驗

3.1試驗目的

運用上文所述焊縫打磨系統方案實際打磨某型機車司機室外表焊縫，以檢驗系統能夠實現自動打磨。

3.2試驗過程

司機室外部焊縫打磨流程是工件工具裝夾-工件工具定位-打磨路徑編程-自動打磨-檢測-工件卸載，其中加工路徑編程及自動打磨是其中的關鍵環節。

3.2.1焊縫打磨路徑離線編程

由于機車司機室焊縫較多，并且很多是圓弧和曲線，如果采用示教再現的方法，工作量大、效率低，工程運用不現實，因此選用離線編程。首先，將工件的3D數據模型載入編程軟件；然后，通過工裝夾具進行工件定位，使機器人明確工件及工具的坐標系位置；最后，通過編程軟件自動生成打磨運動路徑。

3.2.2機器人自動打磨

3.2.2.1焊縫實時識別

利用激光測量系統對焊縫部位進行掃描檢測，實時“觀察測量監控”焊縫的幾何形狀、尺寸、位置、加工余量，并實時對這些數據進行分析運算，獲得焊縫的相對外形尺寸誤差，對路徑進行糾偏和修正，邊打磨邊自動補償各種誤差，確保焊縫打磨平整效果。

3.2.2.2焊縫打磨力控制

與在焊接及噴涂等作業時只需控制機器人的軌跡和姿態不同，在打磨過程中，機器人會與工件緊密接觸，因此打磨時機器人控制模式應及時從位置軌跡控制轉換為力控制狀態。此時打磨工具和工件接觸面法向力是否保持恒定決定了打磨的精度和均一性，因此要求機器人應具有接觸力的感知和控制能力，消除機器人因運動、受力和剛度問題產生的抖動現象。

本試驗采用力矩進給控制方式，與待加工表面保持平穩的力接觸。從而對焊縫余高進行去除。在打磨過程中，控制接觸力使其大小控制在設定值。通過力控裝置，與系統進行信息交互，對打磨作業過程中的打磨力機型自動調節，使打磨力的穩定輸出，保證打磨平穩性與表面質量（如圖3）。

3.3試驗結果

（1）焊縫變形、錯位、焊縫超寬、焊縫超高等焊接缺陷均能夠較好的處理（如圖4），但咬邊、內陷等缺陷不能處理。

（2）焊縫余高基本去除，尺寸偏差小于0.2mm；表面平整光滑，粗糙度小于Ra25。

（3）焊縫打磨完成率99%，效率約為人工打磨2倍。

4結論

機器人自動打磨系統通過離線編程、激光測量、力控系統等先進技術集成，把人力從繁瑣的機器人示教及繁重的人工打磨作業中解脫出來，實現自動高效穩定生產，達到司機室大型構件復雜表面焊縫去余高的加工要求，滿足軌道交通等高附加值產業對外觀形象的高要求。

參考文獻：

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