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摘要：研磨和鏟刮工序是機床工具行業必不可少的加工工藝，其加工質量對機床的品質影響很大。除去勞動力成本考慮，僅從研磨和鏟刮工作技能經驗及年輕人從事該工種意愿情況來看，該工種從業人員已嚴重不足。隨著制造業的快速發展，各行業生產對機床加工的需求量迅速增長，應用“機器替人”解決企業生產瓶頸也將是發展趨勢。本方案結合企業用工情況和機器人智能技術，致力于實現鏟刮與研磨工序的無人化作業，減輕工人的勞動強度、提高產品質量和生產效率。

關鍵詞：機器人；研磨；智能鏟刮；鏟刮控制系統

為企業提高產品質量、提升生產效率、降低生產成本和改善人工作業環境是機器人智能系統的出發點。未來制造業必定向著越來越精致化、人性化、個性化的方向發展。面向機床行業自動化生產的機器人鏟刮應用對工業機器人、自動化工裝夾具、視覺技術、算法處理、力傳感技術、多工位協調作業等技術提出了新的技術要求。

機床及其他行業鏟刮、研磨工序技能人才嚴重不足的現象已然出現，企業生產瓶頸工序技能人才供需緊缺，提出對研磨和鏟刮工序的機器人應用系統研究與開發探討已是迫在眉睫。

1 項目內容

1.1 概述

在機床行業，床頭箱接觸面、尾座和床鞍與導軌等接觸面，需要進行鏟刮研磨關鍵作業工序。而現在的鏟刮作業均由資深技能工人完成，作業勞動強度大、效率低、技能經驗要求高，作業方式相對比較原始。具備機器人研發、生產制造一體化能力的廣州數控將協同相關科研單位針對項目中的難點進行攻關，提升工業機器人技術，以及工裝夾具等集成應用能力，實現研磨、鏟刮作業的智能自動化生產，解決企業生產瓶頸工序。

1.2 機器人研磨和鏟刮系統探討

鏟刮是一種提高工件尺寸精度，使工件達到工藝上規定的尺寸、幾何形狀、表面粗糙度等要求的一項精細加工工序，是許多工件機械加工中所必需的一項工藝。目前市場上對鏟刮工藝的機器人自動化尚未有研究，這將是一種全新的機器人產業化應用。目前市場上鏟刮工藝皆是依靠技能工人手工操作，應用機器人完成鏟刮工序提出了更多的創新技術要求，相對于人工鏟刮操作，無論是精準度還是效率方面都有明顯的提升，具有很大的競爭優勢。

機器人鏟刮系統替代人工進行高精度鏟刮工作，替代人工原有的上下料和鏟刮任務，解決繁重的人工體力勞動，同時可以長時間無間斷工作，避免了非自然因素停工，極大地提高經濟效率。將工業機器人配置刮刀、視覺系統和程序優化編輯等智能功能綜合應用于鏟刮項目試驗，有利于開展技術創新，開拓機器人新型技術應用、推廣。當機器人正式進入生產環節穩定生產，帶來的不僅是對人力的解放，更是生產力和生產效率的提高。因此研磨和鏟刮前期的機器人控制技術、智能應用等基礎性的技術研發、攻關就顯得尤為重要。

2 機器人研磨和鏟刮研究及解決方案

結合研磨鏟刮工藝要求，本方案將機器人研磨鏟刮系統主要分為五個方面：一是搬運模塊，其由一臺機器人負責搬運和拖動；二是涂紅丹模塊，其由另外一臺機器人負責紅丹涂抹和吹屑作業；三是鏟刮模塊，由第三臺機器人負責鏟刮作業，配浮動功能電動鏟刀或手工鏟刀；四是上料平臺，翻轉裝夾機構組成，考慮變為上料裝置；五是檢測模塊，主要由視覺檢測單元和力檢測等單元組成，再配備相應控制軟件、物流輸送系統和生產線控制系統等作為輔助功能模塊，以此實現研磨鏟刮機器人智能系統應用。

通過視覺單元實現對工件鏟刮區域的識別、判斷和檢測，通過相關程序、軟件等輔助算法自動分析和處理鏟刮特征，得出鏟刮位置和相應數據，再對鏟刮點數量和位置進行判斷識別，并輸出鏟刮位置信息。機器人根據位置信息自動執行研磨鏟刮作業任務，在鏟刮過程中由力傳感器適時檢測鏟刀單元鏟刮過程中力控大小，并實時反饋給機器人控制系統，以此適時調整機器人鏟刮進給量，進行實時浮動鏟刮。

2.1 多工位機器人協同作業構建

鏟刮單元由3臺機器人、1套上料工作臺、1個視覺檢測系統、1套涂刷紅丹工具、1套柔性鏟刮工具、1套六維力傳感器和總控制系統等組成機器人鏟刮工作站。使用視覺檢測系統執行被鏟刮工件的檢測，實現將工件面檢測和采集的數據進行自動分析、判斷和自動數據處理，得出工件面需要鏟刮的位置和數量，并自動生成機器人研磨鏟刮程序，且由控制系統、力傳感器實時控制機器人軌跡動作進行自動鏟刮及鏟刮調準工作。

對多工位機器人協同作業流程圖設計如圖1所示：

圖1 作業流程圖

（1） 搬運作業

搬運機器人需要將工件從一個工位搬運到另一個工位，工位需要設置自動定位裝置，可自動定位、固定來料工件。

（2）紅丹涂抹、拖動機器人、吹屑機器人作業

機器人需要將紅丹均勻的涂抹至需要鏟刮的零件表面，不能出現漏涂現象。平臺定位裝置自動定位零件后，機器人附帶基準拖板對零件鏟刮面進行來回推動合研，使零件凹凸位置實時顯現出來，為后續視覺檢測作準備。涂抹的廢屑、廢紅丹，機器人手抓設置清理機構執行零件表面的自動清理。

（3）零件翻轉，裝夾機構的設計

零件裝夾需要實現對零件的自動定位及夾緊。涂抹紅丹后的零件需要進行位置調節，上料平臺及其零件裝夾機構的設計需要滿足零件任意位置的翻轉、定位要求。

（4）視覺檢測系統

對被鏟刮零件表面進行視覺拍照對比檢測，檢測出色差、位置的高度差的數據。經過圖像數據進行分析處理，確定需要進行鏟刮面的區域，檢測各個位置的高度差后實時對鏟刮點的數量、位置、高度等數據進行判斷和輸出，實現由控制系統控制機器人的自動研磨鏟刮作業。

（5）柔性鏟刮系統

通過力傳感器實時數據反饋控制系統來控制機器人軌跡動作，實時調節研磨、鏟刮力的大小，實時貼合工件鏟刮面，實現鏟刀的柔性浮動控制和微量進給。

（6）多工位協同作業

此應用場景由物料傳送、翻轉、搬運、鏟刮、涂抹、吹鐵屑、合研、力傳感器系統和視覺傳感系統等組成，本鏟刮系統方案主要是針對機器人鏟刮工序方面的研究，以視覺系統、力傳感檢測等檢測裝置來實時收集數據并且實時分析計算數據，與機器人進行聯動鏟刮工作。本方案研究的核心是視覺與鏟刮系統的聯動工作，對搬運、輸送、翻轉和裝夾等市場均比較成熟的應用，此鏟刮系統中不作深入的探討和研究，僅作為對整個應用場景的構建示意用。

紅丹涂抹、研磨拖動、吹屑、視覺檢測及柔性鏟刮系統三維構建示意圖如圖2所示。

圖2 三維構建示意圖

2.2 研磨和鏟刮平臺構建及研究效果

流程中機器人搬運單元、輸送線輸送單元、翻轉和裝夾單元市場應用均比較成熟，此鏟刮應用系統實際構建中不作相關輸送平臺的搭建和分析。在此重點對機器人鏟刮單元難點做細節探討和研究。

平臺由上料翻轉變位機、鏟刮、涂抹、吹鐵屑、合研、力傳感器系統和視覺傳感系統等組成。針對機器人鏟刮工序方面的研究，以視覺系統、力傳感檢測等檢測裝置來實時收集數據并且實時分析計算數據，與機器人進行聯動鏟刮工作。紅丹涂抹、研磨拖動、吹屑、視覺檢測及柔性鏟刮系統等研究平臺構建實物，如圖3所示。

圖3 研究平臺構建實物

鏟刮單元實現了機器人視覺系統自動識別鏟刮面凸面位置，并分析凸面鏟刮后鏟面的效果是否達到鏟刮技術要求。經過系統軟件控制，實現了機器人自動執行多次鏟刮修補的功能。機器人鏟刮平臺實際鏟刮應用動作、效果如圖4所示。

圖4 機器人鏟刮動作、效果

鏟刮過程中相機根據程序自動拍照，實時檢測和識別鏟刮點位，有效生成鏟刮程序。柔性鏟刀鏟刮的效率約為1M×0.5M平面/100s，視覺拍攝實時顯示工件對應點位的機器人鏟刮動作，智能化程度優良，操作方便。

對于柔性鏟刀系統實現的替代鏟刮人員粗鏟、半精鏟工序工作，直接改善了勞動者工作環境和勞動強度，提供了更高時長的工作。一天可24小時連續生產，降低了鏟刮工序對人工技術的要求，有效節約了人力，促進了生產節奏。

3 結論

通過對鏟刮、研磨技術工藝的分析，文中對機器人鏟刮智能系統進行了研究與開發探討。根據行業發展結合公司產品對機器人智能鏟刮系統總結及要求如下：可以采用視覺系統、力傳感器作為鏟刮、研磨的檢測工具，研發配套與機器人更簡單數據通信、數據轉換計算的智能力傳感器系統和視覺等系統作為機器人鏟刮應用的強大智能化功能模塊支撐點，以此大大提高機器人工件鏟刮研磨的質量和效率。可將機器人機床相關鏟刮研磨經驗和相關智能技術推廣至廣泛的工業產品機器人打磨拋光領域應用，前景不可估量。因此機器人相關鏟刮、研磨應用其及相關場景應用技術值得深入研究、攻關、做精做細和大力推廣。

摘自《自動化博覽》2020年5月刊