工业机器人集成应用（ABB） 高级 拓展阅读 项目4 工业机器人典型集成系统应用

拓展阅读4.1打磨工艺案例实施基础光整加工，即精加工后，从工件上不切除或只切除极薄材料层，用以降低工件表面粗糙度或强化其表面的加工方法。光整加工可以获得比一般机械加工更高的加工精度和表面质量，根据工具类型的不同可以分为固结磨料加工和游离磨料加工。1.打磨工艺与打磨参数（1）打磨工艺打磨，是表面改性技术的一种，一般指借助磨具（磨削工具）来通过摩擦改变材料表面物理性能的一种加工方法，使其在精度和表面粗糙度等方面达到设计要求的工艺过程，属于光整加工中的固结磨料加工。磨削过程存在三个阶段。第一阶段为滑擦阶段，该阶段内切削刃与工件表面开始接触，工件系统仅仅发生弹性变形。随着切削刃切过工件表面，进一步发生形变，因而工件表面法向力稳定上升，摩擦力及切向力也同时稳定增加，即该阶段内，磨力微刃不起切削作用，只是在工件表面滑擦。第二阶段为耕犁阶段，在滑擦阶段，摩擦逐渐加剧，越来越多的能量转变为热。当金属被加热到临界点，逐步增加的法向应力超过了随温度上升而下降的材料屈服应力时，切削刃就被压入塑性基体中。经塑性变形的金属被推向磨粒的侧面及前方，最终导致表面的隆起。这就是磨削中的耕犁作用。第三阶段即切屑形成阶段。在滑擦和耕犁阶段中，并不产生磨屑。要真正切下金属，存在一个临界磨削深度。在磨粒切削刃推动与金属材料流动的作用下，切削刃前方的工件表面隆起，两侧面形成沟壑，随后将磨屑沿切削刃前面滑出。按照磨削精度，可以将打磨分为去毛刺、粗磨、半精磨、精磨等。①去毛刺如REF_Ref11859\h图1所示，去毛刺即清除工件已加工部位周围所形成的刺状物或飞边。图SEQ图\*ARABIC1去毛刺前后对比②粗磨如REF_Ref11947\h图2所示，对工件表面进行粗加工，粗磨精度可达到IT9~IT8，表面粗糙度Ra为10~1.25μm。图SEQ图\*ARABIC2手工粗磨③精磨如REF_Ref11999\h图3所示，对加工表面进行精磨，去除粗磨留下的加工纹路，为抛光、电镀加工等做前序准备。精磨精度可达到Ra为0.4～0.2μm。图SEQ图\*ARABIC3机加精磨（2）磨具磨具是以磨料为主制造而成的一类切削工具，分固结磨具和涂覆磨具（如砂带，又称柔性磨具）两大类。固结磨具是把磨料用结合剂固结成磨具状的材料，经过一定温度烧制而成，磨料主要起切削作用。该类磨具有三要素：磨料、结合剂和气孔，其中气孔主要起到容屑和排屑作用，亦可容纳冷却液，也有助于在磨削过程散发磨削热。如REF_Ref12430\h图4所示，固结磨具一般包括砂轮、磨头、油石、砂瓦等。（1）砂轮（2）磨头（3）油石（4）砂瓦图SEQ图\*ARABIC4固结磨具涂覆磨具，又称柔性磨具，是用粘合剂把磨料颗粒均匀粘附在可绕去基材上制成，也可以将涂覆磨具看作为多刃刀具。该类磨具也具有三要素：基材、磨料、粘结剂，其表面定向排列的磨料既能保证磨具磨削的高效率，又能为冷态磨削做准备，同时也可以大幅提升磨料的静电植砂性能。如REF_Ref12698\h图5所示，涂覆磨具一般包括砂带、砂布、砂纸等。基材粘结剂基材粘结剂磨料（1）涂覆磨具结构示意图（2）砂带图SEQ图\*ARABIC5涂覆磨具（3）打磨工艺参数对于一个零件打磨加工的技术要求，通常是从外观及尺寸处来约束，例如：打磨表面的平滑程度、打磨表面的纹路朝向、表面去除深度、有无尖锐棱角等。我们可以通过调整打磨参数来确保最终的打磨质量。打磨参数就是加工中的接触弧长、磨削用量、磨削力以及磨削温度等，不同的打磨方式所选取的打磨参数并不相同，对于选定的参数会有不同的组合适应不同的工艺需求。①接触弧长接触弧长也称为磨削长度，是磨削过程中极其重要的基本参数之一，它几乎与所有的磨削参数都有关系，尤其是对磨削区的磨削温度、磨削力、工件的弹塑性变形以及表面完整性均有影响。如REF_Ref12747\h图6所示，由于工件和磨具在磨屑区的弹性变形、塑性变形、热变形以及磨粒分布的随机性，使得实际的接触弧长是几何弧长的1.15~2倍。图SEQ图\*ARABIC6接触弧长②磨削用量如REF_Ref12822\h图7所示，磨削用量一般包括磨削深度ap,磨削时的打磨头转速vs或打磨线速度v，圆周进给速度vf或进给量f、纵向进给量f纵。不同类型的进给形式包含不同的运动参数，例如在外圆或者内圆打磨中还包含有工件运转的参数，包括工件径向进给速度（或进给量），轴向进给速度（或进给量）、圆周运动转速。磨削用量各参数的范围见REF_Ref13129\h表1。图SEQ图\*ARABIC7磨削用量磨削深度ap圆周进给量Vw纵向进给量：是指工件每旋转一圈，沿自身轴线方向进给的距离。磨削速度：是指磨具的最大线速度。提高磨具速度，能有效地降低表面粗糙度Ra

表SEQ表\*ARABIC1磨削用量参数范围磨削用量粗磨精磨外圆磨削深度a0.01~0.0025mm0.005~0.015mm内圆磨削深度0.005~0.03mm0.002~0.01mm平面磨0.015~0.15mm0.005~0.015mm圆周进给量V25~30m/min15~20m/min纵向进给量f0.5B~0.8B0.2B~0.3B磨削速度20~85m/min15~50m/min在粗磨时，以提高生产率为主，宜采用较大的磨削深度和进给速度，选用磨粒较粗、组织较松的磨具。精磨时，以提高磨削质量为主，宜采用较小的磨削深度和进给速度，选用磨粒较细，组织较紧凑的磨具。③磨削力磨削力起源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成、磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削力与砂轮耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能等均有直接关系。磨削力具有尺寸效应，即磨粒切深及平均磨削面积越小，单位磨削力或磨削比能就越大。④磨削温度磨削加工，由于被切削的金属层比较薄，有60%~95%的热量被传入工件，仅有不到10%的热量被磨屑带走。这些传入工件的热量在磨削过程中来不及传入工件深处而在表面聚集，形成局部高温。可达600~1000℃。如果打磨参数选择不当，容易引起工件表面局部烧伤，打磨过程产生的加工热应力也会使得工件产生尺寸精度和形状精度的误差，甚至产生裂纹。磨削区的磨削热不仅能影响工件，也会影响磨具的使用寿命。各打磨参数之间也互相影响，不可随意自由组合。在智能制造单元系统集成应用平台中，可以通过工业机器人打磨轨迹点位的示教、运行的速度来调整磨削用量，还可以通过调整末端工具的姿态来调整接触弧长。针对铝合金车轮零件，其余磨削参数均已在系统中固化。2.抛光工艺与抛光参数（1）抛光工艺抛光是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。加工方式可以利用抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行修饰加工。抛光分为电化学抛光法、化学抛光、机械抛光、磨液抛光、超声波抛光、电解擦拭抛光等抛光方式。铝及其合金的表面大都需要进行抛光处理，以消除机械损伤和腐蚀点，常用的抛光形式大体可分为机械抛光、化学抛光和电解抛光三大类。我们将着重介绍应用比较广泛的机械抛光工艺。如REF_Ref13299\h图8所示，进行工件抛光时，涂有抛光剂的抛光轮高速旋转，工件与抛光轮摩擦产生高温，使工件金属塑性提高。在抛光力的作用下，金属表面产生塑性峦形，凸起的部分被压入并流动，凹进的地方被填平，从而使细微不平的表面进一步得到改善。抛光抛光进给方向工件抛光前抛光中抛光后图SEQ图\*ARABIC8机械抛光原理抛光是以得到光滑表面或镜面光泽为目的的机械加工，有时也用以消除光泽（消光），不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度。按照机械抛光的流程和精度，抛光加工分为粗抛、中抛和精抛三个等级，如REF_Ref13338\h图9所示为不同抛光等级对应的加工质量，可根据对工件的抛光质量要求执行相应的抛光工艺流程。图SEQ图\*ARABIC9抛光工艺流程（2）抛光工具与抛光膏①抛光工具如REF_Ref43402508\h错误！未定义书签。所示，抛光工具包括抛光轮、抛光盘等，一般用多层帆布、毛毡或皮革叠制而成，不同抛光等级对抛光工具的要求也不同。抛光时，高速旋转的抛光轮（圆周速度在20m/s~30m/s）压向工件，使磨料对工件表面产生滚压和微量切削，从而获得光亮的加工表面，表面粗糙度一般可达Ra0.63～0.01微米；当采用非油脂性的消光抛光剂时，可对光亮表面消光以改善外观。（1）手动抛光（2）抛光轮（3）抛光轮图SEQ图\*ARABIC10抛光工具及使用根据抛光的工作状态，抛光工具需要满足两个基本要求，即不仅要有合适的弹性和刚性，还要对抛光剂有良好的保持性，这是决定其抛光能力和表面加工质量的重要因素。可以根据抛光工具的用途来选择材质，具体选用规则可参见REF_Ref25687\h表2。考虑到使用的灵活程度，作为工业机器人末端的抛光工具，我们选择毛毡式抛光轮。

表SEQ表\*ARABIC2抛光工具材质的选用用途选用材料品名柔软性对抛光剂保持性粗抛帆布、压毡、硬壳纸、软木、皮革差一般中抛棉布、毛毡较好好精抛细棉布、毛毡、法拉绒或其他毛织品最好最好液中抛光细毛毡、脱脂木材好浸含性好②抛光剂抛光剂由粉粒状的抛光材料与油脂及其他成分的介质混合而成，分为抛光膏和抛光液。抛光膏主要分为红色抛光膏、白色抛光膏、黄色抛光膏及绿色抛光膏。抛光液使用的抛磨材料与抛光膏相同，不同之处在于使用的粘结剂在室温下呈液态的油或水乳剂。使用时抛光液由加压供料箱等设备打入喷枪，再喷至抛光轮上。供料箱的压力由抛光液的年度、所需供给量等因素决定，抛光基材与抛光液/膏的对应关系见REF_Ref13753\h表3。表SEQ表\*ARABIC3抛光剂选择参考抛光基材抛光膏/液锌、铝、铜及其合金红色抛光膏钢铁金属磨光后“油光”红色抛光膏一般金属及锌、铝、铜粗抛红（黄）色抛光膏铬、镍、不锈钢与硬质合金绿色抛光膏塑料胶木、有机玻璃等白色抛光膏使用抛光液比抛光膏的生产效率高，且由于能持续不断地供给所需的抛光液，可减少抛光轮的磨损和抛光剂在零件表面的停留。（3）抛光工艺参数对于一个零件抛光加工的技术要求，通常是从外观来约束，我们根据抛光后的不锈钢的光亮程度为例分为不同的等级，具体见REF_Ref14004\h表4。表SEQ表\*ARABIC4不锈钢抛光等级等级外观1表面有白色氧化膜，无光亮度2略有光亮，看不清轮廓3光亮度较好，能看出轮廓4表面光亮。较清晰看出轮廓5镜面般光亮我们可以通过调整抛光参数来确保最终的抛光质量，如REF_Ref14109\h图11所示，抛光参数主要包括抛光压力F、抛光线速度v、进给速度vp、抛光剂的选用等。不同的抛光方式所选取的抛光参数并不相同，对于选定的参数会有不同的组合适应不同的工艺需求。其中进给速度影响略小，主要与生产中的效率要求关系较大，其直线进给速度一般为3~12m/min，而平板抛光时为12m/min。图SEQ图\*ARABIC11抛光参数①抛光压力首先需要明确的是，并不是抛光压力越大，抛光质量与效率就越高。抛光压力主要影响工件与抛光轮（垫）之间的抛光液层厚度。随着抛光压力的不同，工件与抛光液之间的接触主要分为三种状态：滑动接触状态、半接触状态、直接接触状态。三种状态的抛光效果及效率见REF_Ref9084\h表5。表SEQ表\*ARABIC5抛光压力的影响参数参数滑动接触状态半接触状态直接接触状态抛光压力较小大小适中过大，且不稳定抛光液层厚度间隙较大间隙适中，模型最佳无间隙表面摩擦力相对较小适中很大抛光效率较差较好易划伤表面一般地，初始抛光时，使用中等偏上压力，使抛光剂有较好的切削力，后续收光可逐渐放松压力。②抛光速度抛光速度主要与抛光基材、抛光剂的浓度、供给量相关较大。如REF_Ref14458\h图12所示，在抛光剂小于某一浓度值之前，抛光速度随抛光剂浓度的增加而增加；浓度达到某一数值之后，浓度再增加，抛光速度会随之下降。抛光剂供给量与抛光速度的关系同上。需要注意的是，由于抛光速度一般是由回转型抛光工具的转速决定，若线速度过大，抛光剂将会被甩出，因此抛光转速都不宜过大。具体参数见REF_Ref14507\h表6。图SEQ图\*ARABIC12抛光速度与抛光剂浓度、供给量的关系表SEQ表\*ARABIC6抛光轮圆周速度参数抛光基材抛光圆周速度/m钢铁零件（形状复杂）20-25钢铁零件（形状简单）30-35铸铁、镍、铬30-35铜及其合金、银20~30锌、铝、锡及其合金18-25塑料10-15粗抛光时，可选用较大的圆周速度；精抛光时则选用较小的圆周速度。3.打磨工作站分类随着打磨行业的逐步扩大，企业经常会面临打磨生产效率低，人工打磨危险系数高且成本高，打磨的质量也不稳定。为保证生产的顺利进行，可以将工业机器人应用到打磨行业中，具有以下优势。①便于将高噪音和粉尘的打磨环境与外界环境隔离，减少环境污染；②操作人员不直接接触危险的打磨设备，有效避免工伤事故的发生；③能保持产品加工精度的一致性，不仅保证了质量的可靠，而且降低了废品率；④工业机器人替代人工，降低人力成本，而且也不会因为操作工的流失而影响交货期；⑤可24小时连续工作，生产效率大幅提升；⑥可再开发性高，对于多样化的打磨工件类型，适应型较强。鉴于以上优势，工业机器人已经广泛应用于自动化程度高且对加工柔性有要求的生产线中。（1）工具型打磨工作站工具型打磨工作站，是工业机器人通过操纵末端执行器固连的打磨工具，完成对工件打磨加工的自动化系统。工具型打磨工业机器人一般会配备工具系统，可以存储3~5把打磨工具，包括铣削、磨削、抛光工艺加工的铣刀、打磨头、抛光轮等，从而满足粗、细、精等工艺加工。REF_Ref9474\h图13所示即为末端装载打磨工具和抛光工具的工业机器人。装载打磨工具（2）装载抛光工具图SEQ图\*ARABIC13工具型打磨工业机器人针对这些末端执行器，一般会采用电动或气动的方式，无论哪种驱动方式，均需要保证主轴的功率以及转速满足打磨所需要的工作效率和粗糙度要求。同时，如REF_Ref24104\h图14所示，为避免工业机器人和刀具过载而损坏，装载力控制器可以使打磨工具对工件的作用力能相对恒定，从而保持打磨工件的一致性，保证打磨精度。图SEQ图\*ARABIC14工具型打磨工业机器人受力方式对于打磨工业机器人本体，可以通过导轨行走，扩大其作业范围，满足了利用不同打磨场所布局的作业需求。对于大多数待打磨的零件，通常需要打磨作业的部位有多个面，为便于工业机器人夹持的各种打磨工具，避免工作干涉以达到打磨部位，可以为工件配置变位机，如REF_Ref24051\h图15所示，为轮毂打磨工作站配置的翻转复式变位机，以翻转和旋转两种动作姿态满足轮毂零件的全方位打磨要求。打磨工位打磨工位旋转工位图SEQ图\*ARABIC15打磨变位机（2）工件型打磨工作站如REF_Ref24218\h图16所示，工件型打磨工作站是一种通过工业机器人末端来夹持工件，把工件分别送达到各种位置固定的打磨机床设备，分别完成磨削、抛光等不同工艺和各种工序打磨加工的打磨工业机器人自动化加工系统。图SEQ图\*ARABIC16工件型打磨工业机器人受力方式按照打磨工艺要求，可以为打磨工业机器人分别配置砂带机、毛刷机、砂轮机以及抛光机。工件型打磨工业机器人的末端工具即为夹爪，可根据打磨需要配置力控制器，通过力传感器，及时反馈工业机器人在打磨过程中工件与打磨设备的附着力，防止工业机器人过载或工件打磨过度，从而确保工件打磨的一致性，防止产生废品。工业机器人+砂轮打磨机（2）工业机器人+砂带打磨机图SEQ图\*ARABIC17工件型打磨工业机器人

（3）搬运型打磨工作站如REF_Ref24665\h图18所示，在工业机器人配置磨床类型的打磨工作站中，工业机器人主要给磨床提供上下料，以及磨床之外的工件搬运，打磨工艺由磨床来保证。这种打磨工作站一般用于对零件打磨工艺要求较为复杂的工况，例如汽车发动机曲轴的打磨抛光。图SEQ图\*ARABIC18工业机器人+磨床拓展阅读4.2激光技术在汽车制造中的应用汽车制造是国家经济发展的支柱产业，也是工业生产中自动化程度较高的产业，在工业自动化、智能化上总是占据“领头羊”的地位。1.激光切割技术的应用激光平面切割技术的应用在激光切割应用技术中，平面切割占90%以上。从原来传统的机械冲压加工，到激光切割设备的单张板材加工，发展到汽车行业需要的整卷板材的激光加工，替代传统加工方式，无需使用模具，缩短了汽车制造的研发和生产周期，现已实现激光切割的多头联动技术，使汽车行业柔性生产效率提升一倍。激光三维切割技术的应用目前随着激光切割技术的进一步普及，其应用领域也逐步扩大，在汽车、航空航天等领域的制造中，立体板材模型的需求量日益增加，这也迫使市场的格局逐步从平面切割需要向三维立体切割转型。汽车钣金件加工件如机盖、后盖箱、水箱架、保险杠，汽车非金属件加工如工汽车安全气囊面板处，均包含了三维立体切割加工需求。激光焊接技术的应用汽车白车身顶盖激光自动焊接系统是一项对车顶与车身进行组焊的焊接技术。汽车安全气囊爆发由一个气体发生器控制，爆发时发生氧化反应，生成大量气体，产生爆发。因此，汽车安全气囊内胆的密封性要求非常高，需要避免过热现象。激光焊接强度高，热影响区小，焊接变形小；精度高，重复性好；非接触性加工，无需夹具和填充材料，加工成本低；且无夹杂风险。激光焊接是非常适宜的加工手段。汽车保险杠是异形件，传统的冲压方式很复杂，容易产生变形和应力，采用激光方式，不需要复杂的夹具系统，焊接接头强度高，可达到与母材等强度；激光焊接的平整，被焊工件在生产过程中不会损伤其它部件；无加工应力，无变形，适合后续组装精度要求。激光标记技术的应用激光标记技术具有永久性，标记不会因时间、环境等元素的改变而消退，不容易仿制和更改，防伪性高的特点。属于非接触式加工，安全环保，适用性广，可提供多种标记方式，可以对多种金属、非金属材料（铝、铜、铁、木制品等）加工。效果极其精细，雕刻精度高，最小线宽可达0.04mm。标记清晰、持久、美观；运行成本低，加工效率高、开发速度快等优势