用于大中型轴流风机铝叶片的机器人打磨系统

刘基照 汪义玲 吕杰森 甘瑞霞

(南方风机股份有限公司)

用于大中型轴流风机铝叶片的机器人打磨系统

刘基照 汪义玲 吕杰森 甘瑞霞

(南方风机股份有限公司)

大中型地铁(隧道)轴流风机的铝合金叶片在铸造成型后，表面需经打磨抛光才能装机使用。而叶片本身尺寸和质量比较大，不便于人工打磨。本文介绍一种用机器人代替人工的机器人打磨系统。描述了该机器人打磨系统的系统构成、工序过程、工件重复定位精度、优缺点及改进方向等内容，分析了机器人打磨系统的发展现状，最后指出应用机器人来代替人工打磨将成为未来趋势。

轴流风机；叶片；打磨；机器人；重复定位

0 引言

应用于地铁、隧道的通风系统中的大中型轴流风机（叶轮直径不小于1m），一般采用高强度铝合金材料的叶片（以下简称“大中型铝叶片”）。因为传统整体焊接钢制叶轮难以达到的“叶轮转动惯量小、风机启动和正反转切换迅速、根据实际运行工况调整叶片角度”等使用要求。

大中型铝叶片通常由叶柄、叶面两部分组成，如图1所示。其中叶柄用于将该叶片与风机叶轮的中心部分（即轮毂）连接固定，一般与轮毂上的对应凹槽有配合要求；叶面负责将空气进行压送、产生气流，其截面通常为机翼型。

图1 大中型铝叶的外形图Fig.1 the shapes of the large-and-middle-sized aluminum blades

大中型铝叶片一般采用压铸、重力等模具铸造进行批量化生产，因此制成的工件在分型面处会形成大小不一、坚硬锋利的飞边毛刺，叶片表面有或多或少的凹坑或凸点，需要经过打磨抛光工序才能安装在风机上。由于这类叶片的尺寸和质量比较大（以本公司产品为例，可达1 000mm长×350mm宽×120mm厚、净重达20kg），以往该工序采用人工完成，属于一项艰苦的工作。近年来随着机器人的应用［1］，使该工序变得轻松和高效。

1 人工打磨

人工打磨大中型铝叶片的常规做法有两种：

1）工件固定、人抓工具：打磨工人手持电动砂轮机、抛光机等小型工具，在所需打磨的工件表面上来回操作。由于手持的工具不大，与工件接触面较小，因此打磨效率很低。据本公司内部测算，采用此方法打磨一个大中型铝叶片工件需要耗时30分钟左右。因此该方法只适于此类工件打磨前的准备（如切除较大的飞边毛刺）、打磨后局部整修（如机器打磨不到的地方特别是曲率半径小的凹面打磨）；

2）工具固定、人抓工件：打磨工具较为大型（如电动砂带机、固定砂轮机），并固定安装，打磨工手持工件，将需要打磨的表面靠在工具磨削部位（如砂带机上作高速运动的砂带、砂轮机上作旋转运动的砂轮片等）上来回移动。这种做法由于工具磨削部位与工件接触面较大、且相对运动速度快，因此打磨速度可以比前者高；但工件尺寸大质量大，不便于人工抓持；打磨时所产生的磨削力较大，对打磨工人的手、手腕、手臂等部位的振动冲击也相应加大，更易产生疲劳，造成打磨工作难以长时间持续进行。

显然，人工打磨此类工件存在如下弊端：1）工人劳动强度大，对人健康伤害大；2）打磨质量不稳定：受打磨工的个人技能、精神状态等因素影响较大，容易出现纹路不整齐、磨削深浅不均、打磨遗漏等现象；3）生产效率低下。

2 机器人打磨

2.1 机器人打磨系统的选用和条件

1）由于此类工件需要打磨的面积较大，为实现高效打磨，选取类似“工具固定、人抓工件”的人工打磨做法，将大型打磨工具固定安装，机器人抓取工件，并选择比人力量大得多的机器人、打磨能力更强大（包括磨削面更宽、转速更高）的工具；

2）机器人应有多个关节，末端装有气动或电动的工件抓手，能如同人手一样抓着工件在某一空间范围内到达各指定位置、实现不同的角度变换；

3）为满足批量快速打磨要求，系统应有一定的工件重复定位精度，同类的工件可以直接调用相同的程序，避免因更换工件而需重复编程的现象；

4）系统应配置必要的人工智能，以识别工件的个体差别。例如大中型铝叶片在铸造成型时虽采用同一模具、同一工艺参数，但由于受自身冷却快慢、后续热处理、搬运等的影响，不同工件之间的扭曲程度或多或少地存在差异。如不能根据此差异自行修正既定的打磨程序，将会导致打磨出来的表面深浅不均、打磨中断等；因此可考虑在系统中配置压力传感器［2］，使机器人能如打磨工人一样感知工件表面与工具磨削部位之间的接触状况，从而使打磨过程能持续有效地进行；

5）系统布置上应实现人与机器人之间的隔离（以确保人的安全）、人与打磨环境的隔离（以使人远离粉尘和噪声）。

2.2 机器人打磨系统的结构

下图2是一种适用于大中型铝叶片打磨的机器人系统。本系统的机器人本体（图中序号3）采用6轴肘节式结构，负载能力应大于所需抓取的工件质量、工件抓手的质量和打磨所产生的力之和，并取一定的安全系数（本案例负载量建议为30kgf或以上）；其第一轴（即将机器人本体固定在其基座的轴）的旋转角度建议± 185°、第六轴（安装工件抓手所在的轴）为±360°或无限旋转设计，以便于覆盖较大范围的工作区域和保证打磨所需的角度。机器人装有碰撞保护开关和接触传感器，且能防止电缆、气管在手臂上缠绕。

图2 机器人打磨系统图Fig.2 the composition of a robot polishing system

图2中序号4砂带机为主要的打磨工具（图2中为两套，配置不同粒度的砂带，分别实现粗、细加工），其磨轮作为机器人的外部轴，速度和压力由机器人控制；砂带机上装有压力传感装置，当工件压在砂带上时，压力传感装置将信号传送给系统控制柜（图2中序号6）。控制柜会根据得到的信号，命令机器人增加或减少工件对砂带的压力，以获得一致性的打磨效果。

图2中序号5打磨间为封闭的板房结构，可通过用钢制膨胀螺栓直接安装在车间地面上，四周板壁、屋顶由内部钢架和带隔音材料的彩钢板等组成，板壁上开有工件送进窗、工件送出窗、外部观察窗和检修门。上述的机器人和砂带机均安装在打磨间内，打磨时操作人员不需进入打磨间，使打磨作业与操作人员分离，确保人员安全、隔绝噪声的外传；打磨产生的粉尘通过管道引到打磨间外的集尘装置（图2中序号7）进行收集，从而隔绝粉尘与人员的直接接触。

图2中序号1工件箱用于装待打磨的工件（图2中为两套，可装工件的具体数量取决于工件箱的容量），并安装在电动滑台上，可在程序的控制下自动进出打磨间；图中序号2出件输送带用于将打磨后的工件自动运出打磨间，以便人员在外部收集。

2.3 本系统的工作过程

1）装入工件：人工将待打磨的一批工件装入打磨间外的空工件箱；

2）交换件箱：打磨间的工件送进窗遮挡打开，已装件的工件箱通过滑台送入打磨间，同时另一空的工件箱从打磨间滑出（准备装件），工件送进窗遮挡关闭；

3）抓件打磨：机器人从工件箱中顺次抓取其中某一工件，靠至砂带机的砂带上打磨，完成后把工件放在出件输送带上，此时工件送出窗遮挡打开，输送带启动，将已打磨的工件送出，然后输送带停止，工件送出窗遮挡关闭；

4）整箱完成：机器人继续抓取工件箱下一个工件，重复3）的工作，直到完成整个工件箱工件的打磨；

5）循环作业：工件箱切换，机器人重复3）、4）。

整个打磨过程按预先设定的程序自动进行，当发生缺料中断或设备故障时，系统会发出声光报警。

2.4 工件重复定位精度

为获得批量工件打磨所需的重复定位精度，在本系统中主要通过控制如下几个部分的精度进行：

1）工件在工件箱中的定位。如图3所示，工件箱内设有定位板，一般设上下两块，每块板上开有与工件某一位置的叶面截面形状一致的孔洞。当工件被插入该孔洞中时，其在工件箱内的位置就固定了。

图3 工件在工件箱中的定位图Fig.3 the location of the works in the workpiece box

2）工件箱与机器人之间的定位。由于工件箱固定在滑台上，滑台末端设有到位停止开关，其与机器人的安装底座之间的位置是固定的，因此，工件箱随滑台运动到位后，与机器人之间的相对位置也固定了。

3）工件用于机器人抓取的部位。如图3所示，大中型铝叶的叶柄部位主要形状为圆柱形，由于日后要与叶轮的轮毂上对应的安装凹槽配合，一般需经车削加工，外形尺寸比较精确、统一，因此被用作机器人抓手的夹持部位：

a）机器人与打磨工具间的定位。由于两者均固定安装，所以位置固定；

b）机器人本身的精度。各轴的重复定位精度建议在±0.15mm之内。

2.5 本系统的优缺点及改进方向

实践表明该系统可完全摒弃人工打磨的弊端，并表现出如下的明显优势。

1）可大幅度降低工人的劳动强度、技能要求和工种危害。在本系统中，打磨工人通常只是负责工件定期装卸、砂带定期更换、停机时磨出粉尘的清理等简单、低强度工作。打磨工作则由机器人按照既定的程序完成，打磨时所产生的粉尘、噪声被封闭在打磨间内，有效实现了人与恶劣环境的隔离。

2）可获得稳定的打磨质量。如图4所示，经过机器人打磨的表面纹路整齐、深浅均匀，且同类规格的工件均采用同一程序完成，所获得的打磨效果都是统一的。

图4 机器人打磨的效果图Fig.4 the polishing effect using the robot system

3）可大幅度提高打磨效率。由于机器人的动作比人迅速、允许的磨削力大，比相对较快的“工具固定、人抓工件”方式的人工打磨仍可缩短打磨时间一半或以上，一般5分钟左右即可完成一个工件的打磨。且由于系统可不停地工作，总体效率可比人工提高3～5倍；

另外，通过更换工件箱、抓手等工装夹具，本系统还可以应用于其它类型和材料工件的打磨，例如铝合金轮毂、小型铝合金叶片、钢制焊接构件和铜制品等。

当然，本系统也存在一些缺点，例如：

1）不太适合以前未打磨的、单件小批工件的快速打磨。对于不同的工件类型，机器人打磨需要预先设置不同的程序，而编程本身需要一定的技巧和时间，对于单件小批量工件，机器人打磨会比人工打磨费时，因此不建议采用此系统，除非原来已有程序或考虑到日后还有这些工件的加工。

2）对待打磨工件有一定要求。例如同类工件的个体差异不能太大,一般需打磨部位的偏差应在10mm以内；较大的飞边毛刺需要预先通过人工敲掉、切割等方式去除，否则会影响工件在工件箱的定位和砂带的使用寿命，且目前这些部位采用人工处理相对简单快速。

3）某些部位打磨不到：由于砂带比较宽和磨轮直径的影响，难以打磨工件表面曲率半径比较小的凹面、或叶柄附近抓手与工件间距较小的部位等。

但是这些缺点主要基于本系统而言，不能代表机器人打磨系统的共性，且随着配置的改变或技术进步，这些缺点是可以克服的，例如：

1）目前已出现了很多简单快速的编程方法，例如离线编程、拖动示教［3］等，可实现编程工作的简化；

2）在本系统中增加其它型式的工具如电动切割机、固定砂轮机、指状铣刀等，可以进行更大范围、更多种类的加工，包括自动切除较大飞边毛刺、清理加工各种小孔洞等；

3）给机器人配备视觉系统［4］，可大为降低工件定位的要求；

4）上下件也采用机器人，可进一步将本系统改造为全自动无人值守打磨生产线。

3 结论

由于打磨抛光注重的是工件打磨后的外观，而非工件的尺寸精度，因此相对于焊接、装配等工序而言，本工序对机器人的要求并不高。目前国内外很多机器人制造厂家如德国KUKA、日本FANUC、瑞典ABB、沈阳新松、广州数控等公司的产品都可用于大中型铝叶的打磨。同时由于机器人的视觉、力传感、声音识别等智能技术的日益成熟，打磨工具及辅助设备的自动化、互联通讯等能力不断提升，客观上促进了机器人系统在各种打磨中的应用可行性不断加大、成本不断下降、效率不断提高。

综上所述，采用机器人打磨大中型铝叶片不仅可行，而且与人工打磨的相比好处很多，值得在风机制造行业中推广。

［1］张红霞.国内外工业机器人的发展现状和趋势研究[J].电子世界，2013(12):5，7.

［2］张庆伟，韩利利，徐方，等.基于打磨机器人的力/位混合控制策略研究[J].化工自动化及仪表，2012，39(7):884-887.

［3］孔文秀，赵宁.机器人示教臂系统的示教实现[J].机械与电子，2015(10):76-80.

［4］贾东永，黄强，田野，等.基于视觉前馈和视觉反馈的仿人机器人抓取操作[J].北京理工大学学报，2009(11):983-987.

Application of a Robot System to the Polishing of Aluminum Blades of Large-and-middle-sized Axial Fans

Ji-zhao Liu Yi-ling Wang Jie-sen LvRui-xia Gan
(Nanfang Ventilator Co.,Ltd)

Aluminum blades of large and medium sized metro axial fans should be polished before assembly.Since the aluminum blades have a large size and heavy weight,it is difficult to polish them by hand.In this paper,a robot polishing system is introduced.The system composition,working process,resetting accuracy,advantages,disadvantages,and improvements of the robot system are discussed.The analysis of the present status of the robot polishing system confirms that the wide application of robot systems will become a trend in the future.

axial fan;blade;polish;robot;resetting accuracy

TH432.1;TK05

：1006-8155-(2017)01-0082-04

ADOI：10.16492/j.fjjs.2017.01.0012

2016-07-17 广东 佛山 528225