工業(yè)機器人集成應(yīng)用（ABB） 高級 拓展閱讀 項目4 工業(yè)機器人典型集成系統(tǒng)應(yīng)用

拓展閱讀4.1打磨工藝案例實施基礎(chǔ)光整加工，即精加工后，從工件上不切除或只切除極薄材料層，用以降低工件表面粗糙度或強化其表面的加工方法。光整加工可以獲得比一般機械加工更高的加工精度和表面質(zhì)量，根據(jù)工具類型的不同可以分為固結(jié)磨料加工和游離磨料加工。1.打磨工藝與打磨參數(shù)（1）打磨工藝打磨，是表面改性技術(shù)的一種，一般指借助磨具（磨削工具）來通過摩擦改變材料表面物理性能的一種加工方法，使其在精度和表面粗糙度等方面達到設(shè)計要求的工藝過程，屬于光整加工中的固結(jié)磨料加工。磨削過程存在三個階段。第一階段為滑擦階段，該階段內(nèi)切削刃與工件表面開始接觸，工件系統(tǒng)僅僅發(fā)生彈性變形。隨著切削刃切過工件表面，進一步發(fā)生形變，因而工件表面法向力穩(wěn)定上升，摩擦力及切向力也同時穩(wěn)定增加，即該階段內(nèi)，磨力微刃不起切削作用，只是在工件表面滑擦。第二階段為耕犁階段，在滑擦階段，摩擦逐漸加劇，越來越多的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊?。當金屬被加熱到臨界點，逐步增加的法向應(yīng)力超過了隨溫度上升而下降的材料屈服應(yīng)力時，切削刃就被壓入塑性基體中。經(jīng)塑性變形的金屬被推向磨粒的側(cè)面及前方，最終導(dǎo)致表面的隆起。這就是磨削中的耕犁作用。第三階段即切屑形成階段。在滑擦和耕犁階段中，并不產(chǎn)生磨屑。要真正切下金屬，存在一個臨界磨削深度。在磨粒切削刃推動與金屬材料流動的作用下，切削刃前方的工件表面隆起，兩側(cè)面形成溝壑，隨后將磨屑沿切削刃前面滑出。按照磨削精度，可以將打磨分為去毛刺、粗磨、半精磨、精磨等。①去毛刺如REF_Ref11859\h圖1所示，去毛刺即清除工件已加工部位周圍所形成的刺狀物或飛邊。圖SEQ圖\*ARABIC1去毛刺前后對比②粗磨如REF_Ref11947\h圖2所示，對工件表面進行粗加工，粗磨精度可達到IT9~IT8，表面粗糙度Ra為10~1.25μm。圖SEQ圖\*ARABIC2手工粗磨③精磨如REF_Ref11999\h圖3所示，對加工表面進行精磨，去除粗磨留下的加工紋路，為拋光、電鍍加工等做前序準備。精磨精度可達到Ra為0.4～0.2μm。圖SEQ圖\*ARABIC3機加精磨（2）磨具磨具是以磨料為主制造而成的一類切削工具，分固結(jié)磨具和涂覆磨具（如砂帶，又稱柔性磨具）兩大類。固結(jié)磨具是把磨料用結(jié)合劑固結(jié)成磨具狀的材料，經(jīng)過一定溫度燒制而成，磨料主要起切削作用。該類磨具有三要素：磨料、結(jié)合劑和氣孔，其中氣孔主要起到容屑和排屑作用，亦可容納冷卻液，也有助于在磨削過程散發(fā)磨削熱。如REF_Ref12430\h圖4所示，固結(jié)磨具一般包括砂輪、磨頭、油石、砂瓦等。（1）砂輪（2）磨頭（3）油石（4）砂瓦圖SEQ圖\*ARABIC4固結(jié)磨具涂覆磨具，又稱柔性磨具，是用粘合劑把磨料顆粒均勻粘附在可繞去基材上制成，也可以將涂覆磨具看作為多刃刀具。該類磨具也具有三要素：基材、磨料、粘結(jié)劑，其表面定向排列的磨料既能保證磨具磨削的高效率，又能為冷態(tài)磨削做準備，同時也可以大幅提升磨料的靜電植砂性能。如REF_Ref12698\h圖5所示，涂覆磨具一般包括砂帶、砂布、砂紙等。基材粘結(jié)劑基材粘結(jié)劑磨料（1）涂覆磨具結(jié)構(gòu)示意圖（2）砂帶圖SEQ圖\*ARABIC5涂覆磨具（3）打磨工藝參數(shù)對于一個零件打磨加工的技術(shù)要求，通常是從外觀及尺寸處來約束，例如：打磨表面的平滑程度、打磨表面的紋路朝向、表面去除深度、有無尖銳棱角等。我們可以通過調(diào)整打磨參數(shù)來確保最終的打磨質(zhì)量。打磨參數(shù)就是加工中的接觸弧長、磨削用量、磨削力以及磨削溫度等，不同的打磨方式所選取的打磨參數(shù)并不相同，對于選定的參數(shù)會有不同的組合適應(yīng)不同的工藝需求。①接觸弧長接觸弧長也稱為磨削長度，是磨削過程中極其重要的基本參數(shù)之一，它幾乎與所有的磨削參數(shù)都有關(guān)系，尤其是對磨削區(qū)的磨削溫度、磨削力、工件的彈塑性變形以及表面完整性均有影響。如REF_Ref12747\h圖6所示，由于工件和磨具在磨屑區(qū)的彈性變形、塑性變形、熱變形以及磨粒分布的隨機性，使得實際的接觸弧長是幾何弧長的1.15~2倍。圖SEQ圖\*ARABIC6接觸弧長②磨削用量如REF_Ref12822\h圖7所示，磨削用量一般包括磨削深度ap,磨削時的打磨頭轉(zhuǎn)速vs或打磨線速度v，圓周進給速度vf或進給量f、縱向進給量f縱。不同類型的進給形式包含不同的運動參數(shù)，例如在外圓或者內(nèi)圓打磨中還包含有工件運轉(zhuǎn)的參數(shù)，包括工件徑向進給速度（或進給量），軸向進給速度（或進給量）、圓周運動轉(zhuǎn)速。磨削用量各參數(shù)的范圍見REF_Ref13129\h表1。圖SEQ圖\*ARABIC7磨削用量磨削深度ap圓周進給量Vw縱向進給量：是指工件每旋轉(zhuǎn)一圈，沿自身軸線方向進給的距離。磨削速度：是指磨具的最大線速度。提高磨具速度，能有效地降低表面粗糙度Ra

表SEQ表\*ARABIC1磨削用量參數(shù)范圍磨削用量粗磨精磨外圓磨削深度a0.01~0.0025mm0.005~0.015mm內(nèi)圓磨削深度0.005~0.03mm0.002~0.01mm平面磨0.015~0.15mm0.005~0.015mm圓周進給量V25~30m/min15~20m/min縱向進給量f0.5B~0.8B0.2B~0.3B磨削速度20~85m/min15~50m/min在粗磨時，以提高生產(chǎn)率為主，宜采用較大的磨削深度和進給速度，選用磨粒較粗、組織較松的磨具。精磨時，以提高磨削質(zhì)量為主，宜采用較小的磨削深度和進給速度，選用磨粒較細，組織較緊湊的磨具。③磨削力磨削力起源于工件與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成、磨粒和結(jié)合劑與工件表面之間的摩擦作用。磨削力與砂輪耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能等均有直接關(guān)系。磨削力具有尺寸效應(yīng)，即磨粒切深及平均磨削面積越小，單位磨削力或磨削比能就越大。④磨削溫度磨削加工，由于被切削的金屬層比較薄，有60%~95%的熱量被傳入工件，僅有不到10%的熱量被磨屑帶走。這些傳入工件的熱量在磨削過程中來不及傳入工件深處而在表面聚集，形成局部高溫?？蛇_600~1000℃。如果打磨參數(shù)選擇不當，容易引起工件表面局部燒傷，打磨過程產(chǎn)生的加工熱應(yīng)力也會使得工件產(chǎn)生尺寸精度和形狀精度的誤差，甚至產(chǎn)生裂紋。磨削區(qū)的磨削熱不僅能影響工件，也會影響磨具的使用壽命。各打磨參數(shù)之間也互相影響，不可隨意自由組合。在智能制造單元系統(tǒng)集成應(yīng)用平臺中，可以通過工業(yè)機器人打磨軌跡點位的示教、運行的速度來調(diào)整磨削用量，還可以通過調(diào)整末端工具的姿態(tài)來調(diào)整接觸弧長。針對鋁合金車輪零件，其余磨削參數(shù)均已在系統(tǒng)中固化。2.拋光工藝與拋光參數(shù)（1）拋光工藝拋光是指利用機械、化學(xué)或電化學(xué)的作用，使工件表面粗糙度降低，以獲得光亮、平整表面的加工方法。加工方式可以利用拋光工具和磨料顆?；蚱渌麙伖饨橘|(zhì)對工件表面進行修飾加工。拋光分為電化學(xué)拋光法、化學(xué)拋光、機械拋光、磨液拋光、超聲波拋光、電解擦拭拋光等拋光方式。鋁及其合金的表面大都需要進行拋光處理，以消除機械損傷和腐蝕點，常用的拋光形式大體可分為機械拋光、化學(xué)拋光和電解拋光三大類。我們將著重介紹應(yīng)用比較廣泛的機械拋光工藝。如REF_Ref13299\h圖8所示，進行工件拋光時，涂有拋光劑的拋光輪高速旋轉(zhuǎn)，工件與拋光輪摩擦產(chǎn)生高溫，使工件金屬塑性提高。在拋光力的作用下，金屬表面產(chǎn)生塑性巒形，凸起的部分被壓入并流動，凹進的地方被填平，從而使細微不平的表面進一步得到改善。拋光拋光進給方向工件拋光前拋光中拋光后圖SEQ圖\*ARABIC8機械拋光原理拋光是以得到光滑表面或鏡面光澤為目的的機械加工，有時也用以消除光澤（消光），不能提高工件的尺寸精度或幾何形狀精度。按照機械拋光的流程和精度，拋光加工分為粗拋、中拋和精拋三個等級，如REF_Ref13338\h圖9所示為不同拋光等級對應(yīng)的加工質(zhì)量，可根據(jù)對工件的拋光質(zhì)量要求執(zhí)行相應(yīng)的拋光工藝流程。圖SEQ圖\*ARABIC9拋光工藝流程（2）拋光工具與拋光膏①拋光工具如REF_Ref43402508\h錯誤！未定義書簽。所示，拋光工具包括拋光輪、拋光盤等，一般用多層帆布、毛氈或皮革疊制而成，不同拋光等級對拋光工具的要求也不同。拋光時，高速旋轉(zhuǎn)的拋光輪（圓周速度在20m/s~30m/s）壓向工件，使磨料對工件表面產(chǎn)生滾壓和微量切削，從而獲得光亮的加工表面，表面粗糙度一般可達Ra0.63～0.01微米；當采用非油脂性的消光拋光劑時，可對光亮表面消光以改善外觀。（1）手動拋光（2）拋光輪（3）拋光輪圖SEQ圖\*ARABIC10拋光工具及使用根據(jù)拋光的工作狀態(tài)，拋光工具需要滿足兩個基本要求，即不僅要有合適的彈性和剛性，還要對拋光劑有良好的保持性，這是決定其拋光能力和表面加工質(zhì)量的重要因素?？梢愿鶕?jù)拋光工具的用途來選擇材質(zhì)，具體選用規(guī)則可參見REF_Ref25687\h表2?？紤]到使用的靈活程度，作為工業(yè)機器人末端的拋光工具，我們選擇毛氈式拋光輪。

表SEQ表\*ARABIC2拋光工具材質(zhì)的選用用途選用材料品名柔軟性對拋光劑保持性粗拋帆布、壓氈、硬殼紙、軟木、皮革差一般中拋棉布、毛氈較好好精拋細棉布、毛氈、法拉絨或其他毛織品最好最好液中拋光細毛氈、脫脂木材好浸含性好②拋光劑拋光劑由粉粒狀的拋光材料與油脂及其他成分的介質(zhì)混合而成，分為拋光膏和拋光液。拋光膏主要分為紅色拋光膏、白色拋光膏、黃色拋光膏及綠色拋光膏。拋光液使用的拋磨材料與拋光膏相同，不同之處在于使用的粘結(jié)劑在室溫下呈液態(tài)的油或水乳劑。使用時拋光液由加壓供料箱等設(shè)備打入噴槍，再噴至拋光輪上。供料箱的壓力由拋光液的年度、所需供給量等因素決定，拋光基材與拋光液/膏的對應(yīng)關(guān)系見REF_Ref13753\h表3。表SEQ表\*ARABIC3拋光劑選擇參考拋光基材拋光膏/液鋅、鋁、銅及其合金紅色拋光膏鋼鐵金屬磨光后“油光”紅色拋光膏一般金屬及鋅、鋁、銅粗拋紅（黃）色拋光膏鉻、鎳、不銹鋼與硬質(zhì)合金綠色拋光膏塑料膠木、有機玻璃等白色拋光膏使用拋光液比拋光膏的生產(chǎn)效率高，且由于能持續(xù)不斷地供給所需的拋光液，可減少拋光輪的磨損和拋光劑在零件表面的停留。（3）拋光工藝參數(shù)對于一個零件拋光加工的技術(shù)要求，通常是從外觀來約束，我們根據(jù)拋光后的不銹鋼的光亮程度為例分為不同的等級，具體見REF_Ref14004\h表4。表SEQ表\*ARABIC4不銹鋼拋光等級等級外觀1表面有白色氧化膜，無光亮度2略有光亮，看不清輪廓3光亮度較好，能看出輪廓4表面光亮。較清晰看出輪廓5鏡面般光亮我們可以通過調(diào)整拋光參數(shù)來確保最終的拋光質(zhì)量，如REF_Ref14109\h圖11所示，拋光參數(shù)主要包括拋光壓力F、拋光線速度v、進給速度vp、拋光劑的選用等。不同的拋光方式所選取的拋光參數(shù)并不相同，對于選定的參數(shù)會有不同的組合適應(yīng)不同的工藝需求。其中進給速度影響略小，主要與生產(chǎn)中的效率要求關(guān)系較大，其直線進給速度一般為3~12m/min，而平板拋光時為12m/min。圖SEQ圖\*ARABIC11拋光參數(shù)①拋光壓力首先需要明確的是，并不是拋光壓力越大，拋光質(zhì)量與效率就越高。拋光壓力主要影響工件與拋光輪（墊）之間的拋光液層厚度。隨著拋光壓力的不同，工件與拋光液之間的接觸主要分為三種狀態(tài)：滑動接觸狀態(tài)、半接觸狀態(tài)、直接接觸狀態(tài)。三種狀態(tài)的拋光效果及效率見REF_Ref9084\h表5。表SEQ表\*ARABIC5拋光壓力的影響參數(shù)參數(shù)滑動接觸狀態(tài)半接觸狀態(tài)直接接觸狀態(tài)拋光壓力較小大小適中過大，且不穩(wěn)定拋光液層厚度間隙較大間隙適中，模型最佳無間隙表面摩擦力相對較小適中很大拋光效率較差較好易劃傷表面一般地，初始拋光時，使用中等偏上壓力，使拋光劑有較好的切削力，后續(xù)收光可逐漸放松壓力。②拋光速度拋光速度主要與拋光基材、拋光劑的濃度、供給量相關(guān)較大。如REF_Ref14458\h圖12所示，在拋光劑小于某一濃度值之前，拋光速度隨拋光劑濃度的增加而增加；濃度達到某一數(shù)值之后，濃度再增加，拋光速度會隨之下降。拋光劑供給量與拋光速度的關(guān)系同上。需要注意的是，由于拋光速度一般是由回轉(zhuǎn)型拋光工具的轉(zhuǎn)速決定，若線速度過大，拋光劑將會被甩出，因此拋光轉(zhuǎn)速都不宜過大。具體參數(shù)見REF_Ref14507\h表6。圖SEQ圖\*ARABIC12拋光速度與拋光劑濃度、供給量的關(guān)系表SEQ表\*ARABIC6拋光輪圓周速度參數(shù)拋光基材拋光圓周速度/m鋼鐵零件（形狀復(fù)雜）20-25鋼鐵零件（形狀簡單）30-35鑄鐵、鎳、鉻30-35銅及其合金、銀20~30鋅、鋁、錫及其合金18-25塑料10-15粗拋光時，可選用較大的圓周速度；精拋光時則選用較小的圓周速度。3.打磨工作站分類隨著打磨行業(yè)的逐步擴大，企業(yè)經(jīng)常會面臨打磨生產(chǎn)效率低，人工打磨危險系數(shù)高且成本高，打磨的質(zhì)量也不穩(wěn)定。為保證生產(chǎn)的順利進行，可以將工業(yè)機器人應(yīng)用到打磨行業(yè)中，具有以下優(yōu)勢。①便于將高噪音和粉塵的打磨環(huán)境與外界環(huán)境隔離，減少環(huán)境污染；②操作人員不直接接觸危險的打磨設(shè)備，有效避免工傷事故的發(fā)生；③能保持產(chǎn)品加工精度的一致性，不僅保證了質(zhì)量的可靠，而且降低了廢品率；④工業(yè)機器人替代人工，降低人力成本，而且也不會因為操作工的流失而影響交貨期；⑤可24小時連續(xù)工作，生產(chǎn)效率大幅提升；⑥可再開發(fā)性高，對于多樣化的打磨工件類型，適應(yīng)型較強。鑒于以上優(yōu)勢，工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動化程度高且對加工柔性有要求的生產(chǎn)線中。（1）工具型打磨工作站工具型打磨工作站，是工業(yè)機器人通過操縱末端執(zhí)行器固連的打磨工具，完成對工件打磨加工的自動化系統(tǒng)。工具型打磨工業(yè)機器人一般會配備工具系統(tǒng)，可以存儲3~5把打磨工具，包括銑削、磨削、拋光工藝加工的銑刀、打磨頭、拋光輪等，從而滿足粗、細、精等工藝加工。REF_Ref9474\h圖13所示即為末端裝載打磨工具和拋光工具的工業(yè)機器人。裝載打磨工具（2）裝載拋光工具圖SEQ圖\*ARABIC13工具型打磨工業(yè)機器人針對這些末端執(zhí)行器，一般會采用電動或氣動的方式，無論哪種驅(qū)動方式，均需要保證主軸的功率以及轉(zhuǎn)速滿足打磨所需要的工作效率和粗糙度要求。同時，如REF_Ref24104\h圖14所示，為避免工業(yè)機器人和刀具過載而損壞，裝載力控制器可以使打磨工具對工件的作用力能相對恒定，從而保持打磨工件的一致性，保證打磨精度。圖SEQ圖\*ARABIC14工具型打磨工業(yè)機器人受力方式對于打磨工業(yè)機器人本體，可以通過導(dǎo)軌行走，擴大其作業(yè)范圍，滿足了利用不同打磨場所布局的作業(yè)需求。對于大多數(shù)待打磨的零件，通常需要打磨作業(yè)的部位有多個面，為便于工業(yè)機器人夾持的各種打磨工具，避免工作干涉以達到打磨部位，可以為工件配置變位機，如REF_Ref24051\h圖15所示，為輪轂打磨工作站配置的翻轉(zhuǎn)復(fù)式變位機，以翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)兩種動作姿態(tài)滿足輪轂零件的全方位打磨要求。打磨工位打磨工位旋轉(zhuǎn)工位圖SEQ圖\*ARABIC15打磨變位機（2）工件型打磨工作站如REF_Ref24218\h圖16所示，工件型打磨工作站是一種通過工業(yè)機器人末端來夾持工件，把工件分別送達到各種位置固定的打磨機床設(shè)備，分別完成磨削、拋光等不同工藝和各種工序打磨加工的打磨工業(yè)機器人自動化加工系統(tǒng)。圖SEQ圖\*ARABIC16工件型打磨工業(yè)機器人受力方式按照打磨工藝要求，可以為打磨工業(yè)機器人分別配置砂帶機、毛刷機、砂輪機以及拋光機。工件型打磨工業(yè)機器人的末端工具即為夾爪，可根據(jù)打磨需要配置力控制器，通過力傳感器，及時反饋工業(yè)機器人在打磨過程中工件與打磨設(shè)備的附著力，防止工業(yè)機器人過載或工件打磨過度，從而確保工件打磨的一致性，防止產(chǎn)生廢品。工業(yè)機器人+砂輪打磨機（2）工業(yè)機器人+砂帶打磨機圖SEQ圖\*ARABIC17工件型打磨工業(yè)機器人

（3）搬運型打磨工作站如REF_Ref24665\h圖18所示，在工業(yè)機器人配置磨床類型的打磨工作站中，工業(yè)機器人主要給磨床提供上下料，以及磨床之外的工件搬運，打磨工藝由磨床來保證。這種打磨工作站一般用于對零件打磨工藝要求較為復(fù)雜的工況，例如汽車發(fā)動機曲軸的打磨拋光。圖SEQ圖\*ARABIC18工業(yè)機器人+磨床拓展閱讀4.2激光技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用汽車制造是國家經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，也是工業(yè)生產(chǎn)中自動化程度較高的產(chǎn)業(yè)，在工業(yè)自動化、智能化上總是占據(jù)“領(lǐng)頭羊”的地位。1.激光切割技術(shù)的應(yīng)用激光平面切割技術(shù)的應(yīng)用在激光切割應(yīng)用技術(shù)中，平面切割占90%以上。從原來傳統(tǒng)的機械沖壓加工，到激光切割設(shè)備的單張板材加工，發(fā)展到汽車行業(yè)需要的整卷板材的激光加工，替代傳統(tǒng)加工方式，無需使用模具，縮短了汽車制造的研發(fā)和生產(chǎn)周期，現(xiàn)已實現(xiàn)激光切割的多頭聯(lián)動技術(shù)，使汽車行業(yè)柔性生產(chǎn)效率提升一倍。激光三維切割技術(shù)的應(yīng)用目前隨著激光切割技術(shù)的進一步普及，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴大，在汽車、航空航天等領(lǐng)域的制造中，立體板材模型的需求量日益增加，這也迫使市場的格局逐步從平面切割需要向三維立體切割轉(zhuǎn)型。汽車鈑金件加工件如機蓋、后蓋箱、水箱架、保險杠，汽車非金屬件加工如工汽車安全氣囊面板處，均包含了三維立體切割加工需求。激光焊接技術(shù)的應(yīng)用汽車白車身頂蓋激光自動焊接系統(tǒng)是一項對車頂與車身進行組焊的焊接技術(shù)。汽車安全氣囊爆發(fā)由一個氣體發(fā)生器控制，爆發(fā)時發(fā)生氧化反應(yīng)，生成大量氣體，產(chǎn)生爆發(fā)。因此，汽車安全氣囊內(nèi)膽的密封性要求非常高，需要避免過熱現(xiàn)象。激光焊接強度高，熱影響區(qū)小，焊接變形?。痪雀?，重復(fù)性好；非接觸性加工，無需夾具和填充材料，加工成本低；且無夾雜風(fēng)險。激光焊接是非常適宜的加工手段。汽車保險杠是異形件，傳統(tǒng)的沖壓方式很復(fù)雜，容易產(chǎn)生變形和應(yīng)力，采用激光方式，不需要復(fù)雜的夾具系統(tǒng)，焊接接頭強度高，可達到與母材等強度；激光焊接的平整，被焊工件在生產(chǎn)過程中不會損傷其它部件；無加工應(yīng)力，無變形，適合后續(xù)組裝精度要求。激光標記技術(shù)的應(yīng)用激光標記技術(shù)具有永久性，標記不會因時間、環(huán)境等元素的改變而消退，不容易仿制和更改，防偽性高的特點。屬于非接觸式加工，安全環(huán)保，適用性廣，可提供多種標記方式，可以對多種金屬、非金屬材料（鋁、銅、鐵、木制品等）加工。效果極其精細，雕刻精度高，最小線寬可達0.04mm。標記清晰、持久、美觀；運行成本低，加工效率高、開發(fā)速度快等優(yōu)勢