莱茵打磨机器人

一、打磨任务简介

1、焊缝打磨

在工程机械和容器类等设备上有很多零件要接焊在一起。例如图1就是两块平钢板从两面焊接在一起，由人工对部分焊口进行打磨。还有挖掘机大臂上焊口要部分打磨，汽车车门焊接后要精密打磨和抛光。

2、铸件表面打磨

很多铸件的实际几何尺寸与设计值误差较大，还有料口、冒口和合模线等，如几吨重的发电机组转动叶轮等。要控制砂带机把这些多余部分打磨掉，使得铸件的几何尺寸尽可能接近其CAD模型的尺寸。

3、堆焊表面打磨

一些密炼机转子等关键性零件的整个外表面要堆焊一层耐磨合金。在堆焊前要对外表面进行打磨，去掉多余的铸钢，使其几何尺寸误差在一定范围内。在堆焊后要对外表面进行打磨和抛光，保证其几何尺寸误差和表面光洁度等满足设计要求。

二、打磨要求及特点

1、这类要打磨的工件都几吨重，要吊到打磨对应的工装上。这就要求打磨机器人不能影响吊放工件操作。

2、工件太重，所以必须采用高效砂带机运动，对工件表面进行打磨。

3、工件的整个外表面或至少两个面要打磨，需要带变位功能的精确定位工装。有些工装要能带动工件精密转动，与砂带机一起数控联动才能完成打磨抛光。

4、平面的打磨需要三维机器人就可以，而转轴类需要四轴和五轴机器人带动砂带机打磨面可以转动和摆动、实时调整砂带机打磨面的法线方向使其与整打磨处工件曲面法线方向相同。

5、砂带机打磨轮及砂带宽度等的选择要精确，转动和摆动精度要高，保证适合所要求的打磨面。

6、通常轴类件的直径范围可大于φ2000mm，长度方向打磨范围可达8000mm以上，所以机器人的行程要大，刚性要好，运动速度要快，精度要高。

7、有时要可换打磨工具，如不同尺寸的砂带机和不同的打磨工件，检测工件等。

8、要能利用CAM和示教两种方法生产打磨程序。

三、推荐方案简介

随着要打磨抛光工件的差异，其打磨机器人方案和工装也不同。下面就是几个典型的方案：

1、三轴打磨机器人

本方案是针对大型平板类件焊口的打磨抛光，为此计划采用如图8所示的一台悬臂式三轴机器人，带动砂带机对焊口进行打磨抛光。

整体设备包含：

1、三轴打磨机器人1台，

2、桁架一套，

3、角度位置检测传感器（测量对转台转动停止后所停止的角度），

4、打磨砂带机1台套，

5、控制系统1套，

6、安全防护网和吸气排尘屑机构1套。

2、五轴五联动机器人

本方案是针对转子类件的打磨抛光，为此计划采用如图9所示的一台五轴机器人，带动砂带机对毛坯件进行打磨和抛光。整体设备包含： 5D机器人1台，桁架一套，重载卧式旋转平台1台套，打磨砂带机1台套，精密激光位置检测传感器1套，安全防护网和吹吸气自动排尘屑机构1套。

工作过程是机器人及砂带机处于安全停靠位置，毛坯件被人工吊放在重载卧式旋转平台上面，重载卧式旋转平台尾部顶尖以一端轴心顶尖孔为基准把整个毛坯顶到理想位置。然后人工夹紧毛坯件，接着机器人将根据工序要求对所要加工面进行打磨。根据不同的打磨和抛光工序需要人工换上对应的砂带。完成打磨抛光后机器人运动到安全的停靠位置，人工吊走零件。下面是整套系统的各个主要部分介绍：

在图10中砂带机以Z轴中心为轴转动和摆动。这样就能保证砂带机打磨面与要打磨曲面局部法线矢量方向相同。重载卧式旋转平台上的转动轴叫A轴，它带动工件转动。其中B轴是砂带机以Z轴为轴心的转动轴，在±180度范围内转动砂带面。C轴是摆动轴，带动砂带以做俯仰升降运动。ABC三个轴都是由精密伺服电机（配19位绝对值式高分辨率编码器）和关节机器人专用谐波减速机来驱动，定位精度非常高，重复定位精度高于±0.05mm。A轴的转动，BC两个轴的联动就能保证砂带机上砂带面与要打磨面平行接触。X轴是沿A轴方向水平运动轴，Y轴是与X轴相互垂直的水平运动轴，两个轴的运动就能覆盖一个长方向平面区域。Z轴就是带动砂带机上下垂直运动轴。在打磨抛光过程中这六个轴可以联动，也可以是A轴转动一个角度停止后，其它五轴联动。

3、大型龙门式五轴五联动机器人

四、打磨机器人主要部件介绍

1、控制系统简介

为此我们选择德国Trimeta公司的（软件）六轴六联动高档数控系统，其功能上可以与西门子840D相比美，但更开放的高档控制系统。它具有常见六轴六联动数控系统的全部功能。它适合大跨度龙门机床两轴同步控制，具有龙门轴下沉倾斜补偿功能，3D刀具补偿，复合轴功能，多通道功能和RCTP功能。对于精密运动控制可以接收光栅尺和编码器反馈信号。该系统适合高速高精设备的控制，能以每秒10000次位置环PID调节周期精密控制确保位置精度。该系统能运行来自CAM所生成的程序，不仅编程简单，而且这个程序是以被打磨抛光物体的3D数据为基础，精度高。而关节型机器人主要靠示教编程，是以目前零件的表面为基准，偏差大，一致性不好。

1）示教编程

采用示教方式编程。通过手动操作器控制各个轴独立运动，然后把目前点存起来，自动生成打磨轨迹。这些轨迹由空间直线段和3D圆弧组成。可以对生成的程序进行图示和各种编辑，可以单步执行和连续运行等。可以把生产的程序与CAM生产的程序组合为完整的打磨程序。

2）RCTP编程方式

常见的关节机器人控制系统主要是控制机器人末端走空间直线和空间曲线，但没有RCTP功能。RCTP功能就是刀尖轨迹编程功能，就是说只要给出要加工物体表面上各个点的五轴坐标（X,Y,Z,A,C），其中XYZ表达刀具（这里是砂带中心）位置，而AC是刀的方向。那么数控系统就能自动分析成各个轴的运动量。就是说只要从CAM给出要打磨物体各点上砂带机打磨面的XYZ坐标和砂带机的打磨角度（打磨面法线方向）就可以自动生产打磨程序。

3）CAM编程方式

有了要打磨物体的3D数据模型（IGS格式和STP格式两种等），再输入一下打磨相关的参数等就用常见的CAM软件，如UG自动生产打磨抛光运动轨迹。对生产的程序可以编辑，打磨速度可以修改，可以图示等。细节见生产程序例子及在Editasc离线仿真运行录像。

4）力矩和位置方式控制

由于不知道毛刺，飞边的大小，有些面要采用力矩控制方式进给。就是说机器人控制系统保证被打磨件以一定的力压向砂带机。避免不知毛刺飞边尺寸而浪费时间或进给太快发生危险。工作时被打磨工件会快速运动到砂带机及开始打磨。打磨的压力可事先设置好。在快打磨结束前一种采用力矩控制方式来进给。在力矩控制方式下如果料口小进给速度快，否则进给速度慢。

当主要部分打磨完就剩下根部时就要精确控制，这时转给位置控制方式慢速进给到打磨完。

5）自动测量功能

用一个高速输入口输入探针，或通过串口把测量的高度值直接记录下来。同时记录下目前XYZABC各种轴对应的坐标值，这样就能得到物体的3D数据。利用该数量可以快速产生打磨程序。如果采用精密激光3D测量仪，每秒能测量3000个点，很快就能完成一个零件主要位置的测量。这些测量值也可以用于指导打磨的结果，判断打磨的状态及给出后续要打磨的量。

2、力传感器

计划安装力传感器，以避免空打磨和打磨量太少来浪费时间，以避免打磨量太大会对设备造成损失的问题。我们采用力矩控制方式和额外的力传感器（安装在砂带机上）。

3、重载卧式旋转平台

其结构类似于大型卧式车床，由高精度主轴箱转轴，手动锁紧卡盘（也可以选择液压），带顶杆的尾座，两组托轮，主轴箱侧顶紧机构等组成。由松下2KW伺服电机配德国产减速机组来驱动工件转动。减速机组的第一级是一台蜗轮蜗杆减速机，蜗轮蜗杆减速机的输出驱动下两级齿轮减速，总减速比大约900。这样减速机组的总体效率大于30%，其额定输出扭矩大于2700Nm，就能精确驱动主轴转动，可以正转，反转及停止。伺服电机带有抱闸，转动一个角度就可以精确停止及抱紧，也可以联系慢慢转动，参与插补。该轴作为一个数控轴—A轴，由机器人控制系统控制，与其它四个轴一起组成五轴五联动设备。在主轴的输出端安装一个17位高分辨率编码器，每转可以分为13万分以上。如果工件转动直径为1500mm，那么周长为4713mm，编码器对应园周面上分辨率高于0.037mm。重载卧式旋转平台的额定承受负载能力大于10吨。由于尾座和两组托轮的位置（在轴心方向）可调节，所以能装夹工件的长度范围：1000mm~4000mm。允许装夹工件的最大转动直径为1600mm。主轴的转速范围：-2.5 ~ +2.5转/分，工件转动直径为1500mm时对应的线速度为196mm/秒。按照我公司以前配织布机电子送径系统减速比的经验，可以把减速比加大到2000:1。

4、砂带机

选择正确的砂带能大幅提高打磨效率及打磨质量。为此我们选择世界顶级产品，德国VSM公司的砂带。砂带机我们请一专业公司为我们设计。同一砂带机可以更换不同的砂带，来完成初打磨，精打磨和抛光操作。

5、精密测量传感器（作为选项）：

零件自身尺寸有误差，放置到工装上角度也无法精确确定。所以在打磨前先测量一下工件的相对位置，以便校对工件位置偏差。也可以采用精密激光测距仪来精确测量打磨精度。这里采购德国产精密激光测距仪，精度高于0.05mm。能每秒测量3000个点以上。

6、机器人防护机构：                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

1、物理级防护网和机床式防护罩，

2、传感器信号互锁，确保每步以传感器信号为基准，

3、安全锁，急停按钮，蜂鸣器，工作状态指示灯等安全措施，

4、光电安全幕墙，确保人机安全，

5、软件限位，软件位置互锁等。

6、安全培训和全面细致的安全操作手册

7、更换其它型号打磨件

定位工装要设计成能适应贵公司几乎全部的轴类件（待具体化），然后选择对应的打磨程序就可以。

8、电控箱等电器部分

1、数控系统：

德国Trimeta公司产品，详见前面介绍或联系供方。

2、安全与环保

设备整体安全考虑包括：双手启动、设备防护罩、紧急停止开关、警示标识等，根据不同的单元选择适当的安全方案。

拧紧单元采用双手操作，减少意外事故的发生几率。

设置的紧急停止按钮，方便人员在紧急情况下的处理，按下紧急停止按钮时，设备切断相应单元的控制电源、气源。

设备应有良好可靠的接地，采用防漏电装置。

设备与人接触的部分采用倒角，保证设备使用舒适安全。

通过传感器等检测元件对全线进行监控，出现故障时停机等待人工处理。

设计考虑噪声与人机工程，设计选型兼顾考虑器件的环保性能。

3、系统其它部分

控制系统电箱里采用的主要低压元件均采用著名公司产品，气动元件、光电开关、行程开关等均采用国际知名产品。

电控柜内装有冷却风机及维修用电源插座。

由于篇幅有限，仅简单介绍前面的三个典型方案，其它更多的方案及方案的细节请联系：

李刚