門把手拋光機(jī)器人工作站設(shè)計

王祥禎

（陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 陽江529566）

0 引言

隨著人們生活品質(zhì)的不斷提升，對門把手的表面質(zhì)量要求也越來越高，生產(chǎn)廠家通常要采用拋光作為門把手的最后一道工序，以保證其表面質(zhì)量達(dá)到用戶的要求，由于門把手種類繁多、外形不規(guī)則，屬于典型的異形件，所以其拋光在拋光行業(yè)中一直是個技術(shù)難題。

傳統(tǒng)門把手生產(chǎn)廠家大多采取人工使用手動拋光工具進(jìn)行手動拋光，具有對操作工人技術(shù)要求高、生產(chǎn)效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、工人勞動強(qiáng)度大、易引發(fā)塵肺等職業(yè)病等缺點(diǎn)。為了提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、改善工人工作環(huán)境，本文在對門把手拋光工藝進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個門把手拋光機(jī)器人工作站，實(shí)現(xiàn)了門把手的機(jī)器人自動拋光[1，2]。

1 門把手拋光工藝分析

某門把手工件的零件圖如圖1所示，它有復(fù)雜的自由曲面，是典型的異形件，由于拋光屬于光整加工范疇，只會提高加工工件的表面光潔度，對工件的形狀和位置公差不會產(chǎn)生影響，所以將門把手的拋光過程分成去毛邊、粗拋及精拋三個階段，根據(jù)門把手不同表面要求制定其具體拋光工藝如下：

（1）使用120#砂帶打磨各邊緣的毛邊。

（2）使用千頁輪粗拋正面。

（3）使用80#仿形尼龍輪精拋背面。

（4）使用80#仿形尼龍輪精拋兩端端面。

（5）使用180#砂帶粗拋正面。

（6）使用320#砂帶精拋正面，形成拉絲效果。

圖1 門把手零件圖

2 門把手拋光加工軌跡設(shè)計

為了保證工件的拋光質(zhì)量，從門把手拋光工藝出發(fā)，對其拋光加工軌跡進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)前面制定的拋光工藝，將門把手的加工面分為A面（正面）、B面（正中背面）、和C面、D面（兩端端面）共四個待拋光面（如圖2所示），拋光加工軌跡具體規(guī)劃如下：

A面和B面均為三維空間曲面，拋光加工時，工件的運(yùn)動軌跡按照工件外形曲線決定，同時工件本身作間歇性回轉(zhuǎn)運(yùn)動，確保工件上下表面完全與工具接觸，保證拋光質(zhì)量，A面和B面拋光軌跡分別如圖3、圖4所示。C面和D面為平面，拋光加工時只要確保加工面與拋光工具接觸即可。

圖2 門把手待拋光面組成示意圖

圖3 A面拋光加工軌跡

圖4 B面拋光加工軌跡

3 門把手拋光機(jī)器人工作站總體設(shè)計

根據(jù)擬定的門把手拋光工藝及運(yùn)動軌跡，設(shè)計門把手拋光機(jī)器人工作站，該工作站組成框圖成及總體布局分別如圖5和圖6所示，該工作站由一臺六自由度工業(yè)機(jī)器人、3臺砂帶機(jī)、1臺砂輪機(jī)、PLC及1臺工業(yè)PC組成，其中PLC及工業(yè)機(jī)器人控制柜為控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人本體、專用氣動夾具、砂帶機(jī)及砂輪機(jī)為機(jī)械系統(tǒng)，工業(yè)PC為編程系統(tǒng)[3-5]。

圖5 門把手拋光機(jī)器人工作站系統(tǒng)框圖

圖6 門把手拋光機(jī)器人工作站總體布局圖

4 門把手拋光夾具系統(tǒng)設(shè)計

由于門把手屬于典型異形件，外形不規(guī)則，故使用其背面的兩個Φ15.5的內(nèi)孔作為定位基準(zhǔn)，設(shè)計兩個氣動拉爪來抓取工件，要求氣動拉爪提供的拉力能夠確保工件在100 N拉力的震蕩下而固定不動，拉爪桿的長度應(yīng)大于千頁輪及尼龍輪的直徑；另設(shè)計一個連接板來完成氣動拉爪與工業(yè)機(jī)器人法蘭的連接，專用夾具的示意圖如圖7所示。

圖7 門把手拋光夾具示意圖

5 門把手拋光機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

由于門把手的拋光效率和拋光加工質(zhì)量與砂帶機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，考慮到拋光過程需要經(jīng)過去毛邊、粗拋和精拋三個階段，需要使用到不同的砂帶，故選用砂帶機(jī)和砂輪機(jī)固定、機(jī)器人夾持門把手做軌跡運(yùn)動的工作方式，以實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成所有的拋光工序。

（1）門把手拋光砂帶機(jī)設(shè)計

考慮到承擔(dān)門把手正面拋光任務(wù)的主要部件為砂帶，為了讓砂帶具有足夠的摩擦力而不至于在工作過程中發(fā)生打滑現(xiàn)象，同時也為了砂帶更換的方便，特在砂帶機(jī)中增設(shè)了可調(diào)節(jié)張緊輪機(jī)構(gòu)；由于門把手為三維空間曲面，在拋光過程中，砂帶受力方向會不規(guī)則的變化，加上輪軸在安裝調(diào)整后可能不平行，導(dǎo)致砂帶工作時可能會發(fā)生跑偏的現(xiàn)象，為了解決這一問題，需要在砂帶機(jī)中增加一個砂帶調(diào)偏輪。綜合考慮后將砂帶機(jī)設(shè)計為四輪系砂帶機(jī)，即由一個主動輪、一個接觸輪、一個張緊輪和一個調(diào)偏輪組成的輪系結(jié)構(gòu)[6-7]，該砂帶機(jī)具體布局如圖8所示。

圖8 砂帶機(jī)布局圖

（2）門把手拋光機(jī)設(shè)計

千頁輪和尼龍輪均為圓柱結(jié)構(gòu)，可以直接安裝在傳動軸上，由于千葉輪和尼龍輪工作過程中所需的轉(zhuǎn)速不一致，故兩種拋光輪分別安裝在兩臺拋光機(jī)中，拋光機(jī)要求結(jié)構(gòu)緊湊，避免和運(yùn)動中的機(jī)器人、工件或夾具發(fā)生干涉，能夠較快速地更快所需的磨頭，故采用電機(jī)驅(qū)動，帶傳動、螺母緊固的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 拋光機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

6 門把手拋光工業(yè)機(jī)器人的選型

考慮到門把手拋光過程中要控制工件作三維空間軌跡運(yùn)動，故宜選用六自由度的工業(yè)機(jī)器人，目前市場上具有六個自由度的工業(yè)機(jī)器人有很多，如日本安川的MOTOMAN DX100型機(jī)器人、瑞典ABB的IRB46OO機(jī)器人和意大利柯馬的NJ60型機(jī)器人都能滿足實(shí)現(xiàn)門把手自動拋光的工作要求，其中柯馬公司的NJ60型機(jī)器人具有剛度高、靈活度大、重復(fù)精度好及價格相對經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，因此，本門把手拋光機(jī)器人工作站選用NJ60型工業(yè)機(jī)器人，該款機(jī)器人的有效負(fù)載為60 kg，重復(fù)精度為0.06 mm，最大工作半徑為2 258 mm，可以使用PDL2語言進(jìn)行離線程序，通過程序可以輕松控制機(jī)器人按照預(yù)定的軌跡執(zhí)行動作，完成拋光加工任務(wù)。

7 應(yīng)用情況

門把手拋光機(jī)器人工作站的實(shí)物如圖10所示，使用該工作站自動拋光的門把手拋光質(zhì)量完全可以達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計要求，經(jīng)試驗，該工作站可連續(xù)72 h長時間連續(xù)穩(wěn)定加工，完成1個門把手的拋光用時為2 min 8 s，大大縮短拋光時間，提高了效率，1個工作站能夠替代5個工人的手工拋光操作，大大降低了勞動力成本。

圖10 門把手拋光機(jī)器人工作站

8 結(jié)束語

通過分析門把手拋光工藝及拋光過程中的運(yùn)動軌跡，確定拋光過程中所需的自動化設(shè)備功能，再通過對門把手拋光機(jī)器人工作站的系統(tǒng)規(guī)劃和總體設(shè)計，完全可以用機(jī)器人取代人工完成門把手的拋光加工工作，且工件的加工效率和加工質(zhì)量有利顯著的提高，因此，在“機(jī)器換人”為主導(dǎo)的智能制造時代的今天，該工作站具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值。