机器人自动打磨系统在机车大型构件的应用

尹保亮　任科生

摘 要：针对大型钢构件焊缝自动打磨这个车体制造工艺的薄弱环节，本文分析了司机室焊缝自动打磨工艺需求，探讨了离线编程、激光测量及力控装置等组成自动打磨系统的关键技术，并以机车车体司机室为研究对象，实现了外表焊缝自动化打磨和高质量光滑表面，为大型构件焊缝打磨自动化的发展提供实践参考。

关键词：机器人；自动打磨系统；机车大型构件

引言

目前，我国机车车体焊接技术日趋成熟，已逐步实施自动化生产，而焊缝打磨主要以原始的手工打磨为主，但其已无法满足制造生产效率和加工精度的提升要求。随着机器人与信息技术的发展，开发适用车体的自动打磨系统代替人工，是时代发展潮流。本文以机车车体司机室大型结构件焊缝自动打磨为研究对象，通过研究机器人自动打磨等相关核心技术，实现司机室外表焊缝自动打磨和高质量光滑表面。

1 司机室焊缝自动打磨工艺需求

司机室是机车车体重要部件，外形尺寸为3085*3098*2590（mm），外表为三维复杂曲面，重量约2吨，是大型钢结构件。长期运行时焊缝因振动易产生疲劳裂纹，去除焊缝余高使焊缝表面平整光滑，既能消除應力集中的影响，防止在棱角处产生裂纹，也能为涂装和装配等后道工序提供更好的表面质量和外观质量。

司机室尺寸大、打磨部位多，传统的磨抛数控机床受到严重的范围限制，无法直接应用于焊缝打磨，目前主要采用人工打磨方式，但存在噪音、火花与粉尘、安全防护困难、成本高、效率低、加工质量不可控等问题，因此需要一套高生产率、高质量和高稳定性的焊缝自动打磨系统。

2 自动打磨系统方案设计思路

（1）由于机车司机室为不便夹持、移动，因此本研究选用工具型自动打磨系统，即工件不动，打磨系统移动的模式。

（2）考虑工程化应用的效率与效益，应减少编程时间，应避免空打磨和打磨量太少浪费时间，避免打磨量太大对设备造成损失等问题。

（3）基于以上所述，自动化自动打磨系统（如图1、2）主要由机器人本体、打磨工具系统、力控制器、工装夹具以及总控制柜等装置组成，总控制柜的总系统分别调控机器人和各个子控制系统，机器人分别从刀库调用各种打磨工具，在激光测量系统和力控系统的配合下，根据离线编程完成工件各个部位的不同打磨工序，该系统既能应对各种复杂形状的焊缝，同时又能实现均匀打磨，提高被加工表面质量一致性。

该系统主要配置如下所述：

（1）机器人KUKA210-2700：工作轨迹范围保证机器人运动轨迹完全覆盖产品打磨的表面；

（2）工装台及夹具：实现工件定位；

（3）轨道：用于承载机器人等设备长度方向移动；

（4）激光测量系统：检测焊缝，为加工轨迹提供数据；

（5）打磨装置：电主轴（动力单元）、打磨工具；

（6）实时力控系统：实现打磨力自动调节，保证打磨力稳定输出。

3机车司机室焊缝打磨试验

3.1试验目的

运用上文所述焊缝打磨系统方案实际打磨某型机车司机室外表焊缝，以检验系统能够实现自动打磨。

3.2试验过程

司机室外部焊缝打磨流程是工件工具装夹-工件工具定位-打磨路径编程-自动打磨-检测-工件卸载，其中加工路径编程及自动打磨是其中的关键环节。

3.2.1焊缝打磨路径离线编程

由于机车司机室焊缝较多，并且很多是圆弧和曲线，如果采用示教再现的方法，工作量大、效率低，工程运用不现实，因此选用离线编程。首先，将工件的3D数据模型载入编程软件；然后，通过工装夹具进行工件定位，使机器人明确工件及工具的坐标系位置；最后，通过编程软件自动生成打磨运动路径。

3.2.2机器人自动打磨

3.2.2.1焊缝实时识别

利用激光测量系统对焊缝部位进行扫描检测，实时“观察测量监控”焊缝的几何形状、尺寸、位置、加工余量，并实时对这些数据进行分析运算，获得焊缝的相对外形尺寸误差，对路径进行纠偏和修正，边打磨边自动补偿各种误差，确保焊缝打磨平整效果。

3.2.2.2焊缝打磨力控制

与在焊接及喷涂等作业时只需控制机器人的轨迹和姿态不同，在打磨过程中，机器人会与工件紧密接触，因此打磨时机器人控制模式应及时从位置轨迹控制转换为力控制状态。此时打磨工具和工件接触面法向力是否保持恒定决定了打磨的精度和均一性，因此要求机器人应具有接触力的感知和控制能力，消除机器人因运动、受力和刚度问题产生的抖动现象。

本试验采用力矩进给控制方式，与待加工表面保持平稳的力接触。从而对焊缝余高进行去除。在打磨过程中，控制接触力使其大小控制在设定值。通过力控装置，与系统进行信息交互，对打磨作业过程中的打磨力机型自动调节，使打磨力的稳定输出，保证打磨平稳性与表面质量（如图3）。

3.3试验结果

（1）焊缝变形、错位、焊缝超宽、焊缝超高等焊接缺陷均能够较好的处理（如图4），但咬边、内陷等缺陷不能处理。

（2）焊缝余高基本去除，尺寸偏差小于0.2mm；表面平整光滑，粗糙度小于Ra25。

（3）焊缝打磨完成率99%，效率约为人工打磨2倍。

4结论

机器人自动打磨系统通过离线编程、激光测量、力控系统等先进技术集成，把人力从繁琐的机器人示教及繁重的人工打磨作业中解脱出来，实现自动高效稳定生产，达到司机室大型构件复杂表面焊缝去余高的加工要求，满足轨道交通等高附加值产业对外观形象的高要求。

参考文献：

[1]胡建勇.新型机器人自动打磨工艺探析.铸造装备，2012（12）.

[2]王云生，王军.汽车制造业中自动抛光系统的研究[J].客車技术，2016（03）：12-16.

[3]徐蛟.基于机器人自动打磨系统的设计与实现[J].产业与科技论坛，2017，16（04）：89-90.