任务3.5 抛光、打磨工业机器人工作站
1.任务引入
抛光、打磨工业机器人工作站基本概念
抛光、打磨工业机器人工作站（图3-6）代替人工处理工件表面毛刺，不仅省时，而且抛光、打磨效果好，效率极高，避免了抛光、打磨作业对操作工人的身体伤害，以及空气污染和噪声对操作工人身心健康的影响。目前抛光、打磨工业机器人工作站集成应用于压铸工作站及硬模浇注、砂型铸造和制芯等工序的常规作业。随着经济及技术的发展，抛光、打磨工业机器人工作站集成产品和柔性工业机器人自动化解决方案具有巨大的应用潜力，目前已经广泛应用于卫浴、IT元件、汽车零部件、工业零件、医疗器械和民用产品等高精度的抛光、打磨作业，主要用于锯割、磨削、抛光、凿边、铣削、去飞边、磨光和去毛刺等。
图3-6 抛光、打磨工业机器人工作站
抛光、打磨工业机器人工作站采用6关节工业机器人，配置动力主轴和抛光、打磨工具等，完成复杂形状铸件的外形和内腔的直边与圆边的抛光、打磨，实现传统去毛刺机床不能承担的抛光、打磨工作，可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制。
（1）抛光。
抛光是通过电动机带动海绵或羊毛抛光盘高速旋转，抛光盘和抛光剂共同作用并与待抛表面进行摩擦，达到去除漆面污染、氧化层和浅痕的目的，使产品表面变得光洁透亮，增加美观性。很多家电产品表面光洁透亮，就是经过抛光达到的效果。
抛光可分为机械抛光、化学抛光、电解抛光几种。目前抛光、打磨工业机器人使用的抛光方法主要是机械抛光。
（2）打磨。
打磨是对工件表面进行加工处理，以便去除工件尖角、毛刺等多余材料，使工件表面更加平整光洁。打磨对加工表面的要求不如抛光的要求高。
常见的抛光、打磨包括机械加工后处理，如内腔、内孔去毛刺，孔口、螺纹口去毛刺；焊缝抛光、打磨，如去除焊缝尖角，增加平整度；铸件抛光、打磨，如去除铸造毛刺、飞边等。
抛光与打磨的工艺过程是类似的，因此，在使用工业机器人进行抛光与打磨时，对工业机器人的要求、工作站的形式与结构都非常类似。在很多情况下，抛光、打磨工业机器人能同时完成这两项工作。抛光与打磨的主要不同在于抛光工具与打磨工具不同。打磨要求去除的材料较多，需要的力量较大，打磨工具是硬性工具，能快速切除工件多余材料，因此常使用各种形式的砂轮；抛光时产品表面本身已经很平整，抛光主要是为了得到高质量的表面效果，因此抛光工具多为以海绵或羊毛类材料制成的盘类、带类工具，是软性工具，通过调整摩擦，让产品表面更加光亮。
2.任务目标
1）知识目标
（1）了解抛光、打磨工业机器人工作站的基本概念。
（2）理解抛光、打磨工业机器人的特点与分类。
2）技能目标
熟练使用抛光、打磨工业机器人。
3）素养目标
培养学生对专业及以后从事职业、岗位的认同感，树立职业自信。
3.任务分析
使用工业机器人进行抛光、打磨的优点如下。
（1）稳定和提高抛光、打磨质量和产品光洁度，保证抛光、打磨产品的一致性。
（2）提高生产率，一天可24 h连续生产。
（3）改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作。
（4）降低对工人操作技术的要求。
（5）缩短产品改型换代的周期，减少相应的设备投资。
（6）具有可再开发性。用户可根据不同样件进行二次编程，以便同一工业机器人能完成不同产品的抛光、打磨工作，增强产品适应能力。
抛光、打磨工业机器人工作站中的工业机器人按照对工件处理方式的不同可分为工具型抛光、打磨工业机器人和工件型抛光、打磨工业机器人两种。
工具型抛光、打磨工业机器人工作时，使用不同的抛光、打磨工具对固定位置的产品进行抛光、打磨。该种工业机器人包括工业机器人本体和抛光、打磨工具系统，力控制器，刀库和工件变位机等外围设备，由总控制柜连接工业机器人和外围设备，总控制柜系统分别调控工业机器人和外围设备的各个子控制系统，使工业机器人按照加工需要，分别从刀库调用各种抛光、打磨工具，完成工件各个部位的不同抛光、打磨工序和工艺加工。
工件型抛光、打磨工业机器人是一种通过工业机器人抓手夹持工件，把工件分别送到各种位置固定的抛光、打磨机床设备，分别完成抛光、打磨等不同工艺和各种工序的抛光、打磨加工的抛光、打磨工业机器人自动化加工系统。其中砂带抛光、打磨工业机器人最为典型。
抛光、打磨工业机器人工作站主要由示教器、控制柜、工业机器人本体、压力传感器、磨头组件及周边设备等组成，可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制，广泛应用于卫浴五金、IT元件、汽车零部件、工业零件、医疗器械、木材建材、家具和民用产品等行业。
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1）工具型抛光、打磨工业机器人
工具型抛光、打磨工业机器人与一般工业机器人的要求不完全相同，抛光、打磨工艺要求在抛光、打磨过程中，工业机器人要不断变换位置，以便能将需要抛光、打磨的部件全部抛光、打磨到位，同时，还需要对工件做进给运动，以便抛光、打磨适当的深度。在抛光、打磨一遍后，可能需要进行更加精细的抛光、打磨，因此，进给的准确性要求较高。同时，对于精密抛光、打磨，还要求重复精度较高，这就为工业机器人的选择提出了要求。一般工具型抛光、打磨工业机器人应该满足以下要求。
第一，工具型抛光、打磨工业机器人一般选用5关节工业机器人。这样的工业机器人有5个或5个以上自由度，可以通过改变工业机器人的姿态，使抛光、打磨工具从各种角度完成工件不同部位的抛光、打磨加工。
第二，工具型抛光、打磨工业机器人应选用具有一定刚度的工业机器人，以适应工具抛光、打磨形成的冲击力。
第三，工具型抛光、打磨工业机器人应有一定精度，以保持工件抛光、打磨的一致性。
第四，工具型抛光、打磨工业机器人的工作范围要能满足工件加工要求，防止抛光、打磨工具干涉。
工具型抛光、打磨工业机器人工作站主要包括工业机器人系统，控制系统，抛光、打磨系统，安全系统，应用系统以及周边辅助设备。
第一，工业机器人系统包括工业机器人本体、工业机器人控制柜和示教器。
第二，控制系统是连接整个工作站的主控部分，它由PLC、继电器、输入/输出端子组成一个控制柜，接收外部指令后进行判断，然后发给工业机器人本体信号，从而完成信号的过渡、判断和输出，属于整个工作站的主控单元。
第三，抛光、打磨系统包括抛光、打磨电源，抓取夹具，抛光、打磨转轮和运送机构。选择一个好的抛光、打磨电源是关键，它能保证稳定和可靠地进行抛光、打磨。
第四，安全系统包括挡光帘、外围工作房和安全光栅。
第五，应用系统包括变位机，抛光、打磨工装，抛光、打磨相关装置。
第六，辅助设备包括抛光、打磨片，排烟装置等。
（1）示教器。
示教器是在可编程工业机器人中用来注册和存储机械运动或处理过程与线路的记忆设备。当加工一个产品时，示教器收集相应的工艺路线、旋转度数、前进速度和进给力量等参数并写入内存。当这些数据被读取时，工业机器人就会以示教时的特定顺序、特定程度和速度重复执行示教时的动作。因此，示教器是一种智能自动设定系统参数的工具，可以减少用户编程与系统设置的工作量，提高工作效率。
（2）控制系统。
控制系统是工业机器人的控制核心，主要包括控制计算机、传感器、存储设备、通信与网络接口等，完成记忆、示教、与外围设备联系、坐标设置、人机交互、位置伺服及故障诊断等作用，通过编程，可以控制操作机完成指定的工作任务。工具型抛光、打磨工业机器人控制系统能按照输入程序，对驱动系统和执行机构发出指令信号，进行控制；通过示教和离线编程，控制工业机器人的位置、腰部姿态、腕部角度和抓手位置，充分满足各类工件的不同位置要求，完成抛光、打磨工艺加工。
（3）工业机器人本体。
工业机器人本体是工业机器人的支承基础与执行机构，包括传动部件、机身及行走机构、臂部、腕部及手部。工具型抛光、打磨工业机器人可以像人一样通过变换身体和手腕姿态，完成一系列的抛光、打磨工作。
（4）压力传感器。
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床和管道等众多行业。压力传感器的作用是将压力转换为电信号输出，从而方便控制。工具型抛光、打磨工业机器人通过压力传感器，将作用在抛光、打磨工件上的力量转换成电信号，反馈到控制计算机，控制计算机通过分析，确定对抛光、打磨工件施加力量的大小，及其他进给参数。以确保抛光、打磨力量适中，保护抛光、打磨工具和被加工件不被损坏。压力传感器如图3-7所示。
图3-7 压力传感器
（5）磨头。
工具型抛光、打磨工业机器人所用的磨头是切除多余材料的工具。磨头的形状与材料种类与加工对象有关，如抛光表面，可能用纱布磨头；加工金属表面，可能用砂轮或金刚石磨头。按材质可将磨头分为陶瓷磨头、橡胶磨头、金刚石磨头、合金钢磨头、砂面轮磨头和树脂轮磨头等。磨头的形状根据抛光、打磨工件的情况不同而五花八门，有柱形、球形、锥形和盘形等。
（6）抛光轮。
抛光轮分为缝合轮、非缝合轮、整布轮和皱褶轮。缝合轮多用粗平布、麻布及细平布等缝合而成；非缝合轮、整布轮多用细软棉布制作而成；皱褶轮（也称为风冷布轮）将布轮卷成45°角的布条，缝成连续的、有偏压的布卷，再把布卷装在带沟槽的中间圆盘上，形成皱褶状。
（7）工具系统。
①对工具系统的要求。
第一，工具型抛光、打磨工业机器人的刀库系统能储存3～5把抛光、打磨工具，以方便对不同部位、不同要求的表面进行抛光、打磨。不同的工业机器人的刀库系统不同，这主要与工作性质有关。比如抛光、打磨一些形状与结构复杂的零件，为了能完成每个部位的抛光、打磨工作，需要使用不同大小和形状的刀具，这就要求刀库系统能储存更多种类的抛光、打磨刀具。当被加工件形状简单时，就可以减少刀具的数量和种类。
第二，抛光、打磨工具包括进行铣削、磨削、抛光工艺加工的铣刀、磨头和抛光轮等，以满足粗、细、精等工艺加工要求。当加工余量极大时，可以使用铣刀进行抛光、打磨，去除大量多余材料；当加工余量较大时，可用磨削工具进行粗磨与精磨；当加工余量极小时，可用抛光工具进行抛光。根据被加工件表面要求的不同，抛光分粗抛光、半精抛光和精抛光等多道工序。
②抛光、打磨工具。
a.气动工具。
气动抛光、打磨机主要是利用压缩空气带动气动电动机对外输出动能的一种气动工具。
气动抛光、打磨机广泛应用于铁板、木材、塑料件和轮胎表面研磨，船舶、汽车和飞机零部件的精细抛光，去毛边、除锈和去油漆等。
气动抛光、打磨机的主要特点：有多种外形结构，适合各种角度操作，体积小，转速高，研磨效率高，噪声低，振动小，具有强力的吸尘效果，长时间使用不疲劳。其缺点是在工作过程中需要添加空气压缩机等制气设备。
气动抛光、打磨工具可以直接或通过改造后安装到工具型抛光、打磨工业机器人的末端执行器上，完成抛光、打磨任务。
b.电动工具。
电动抛光、打磨机是使用电动机来驱动抛光、打磨头的一种工具，是一种新型的可以用在木板、竹子、塑料、金属、石材、玉器、陶瓷和玻璃等软、硬材料上雕刻抛光、打磨的机器。
电动抛光、打磨机的主要特点如下。
第一，用电源提供动力，无须提供气泵，摆脱气源等因素的困扰，可为用户节约生产成本。
第二，行程长，效率高，节能，环保，质量小，噪声小，携带方便。
第三，经济实用，配件充足，维修方便。
（8）末端执行器。
末端执行器是一个安装在移动设备或者工业机器人手臂上，能够拿起一个对象，并且具有处理、传输、夹持、放置和释放对象到一个准确的离散位置等功能的机构。末端执行器是直接执行作业任务的装置，大多数末端执行器的结构和尺寸都是根据不同的作业任务要求来设计的，形成了多种多样的结构形式。通常，根据其用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具（如焊枪、喷嘴和电磨头等）3类。工业机器人的末端执行器安装在操作机手腕（在配置有手腕的情况下）或手臂的机械接口上。在多数情况下，末端执行器是为特定的用途而专门设计的，也可设计成用途稍微多一点的低通用型末端执行器。
工具型抛光、打磨工业机器人的末端执行器需要抓住一些抛光、打磨工具，如磨头，并传递动力使抛光、打磨工具高速旋转，完成抛光、打磨的任务。工具型抛光、打磨工业机器人的末端执行器属于专用工具类的末端执行器。其磨头动力由手部电动机提供，属于电动工具。在抛光、打磨工业机器人中，气动工具也较常用，液压工具使用较少。
（9）导轨。
工具型抛光、打磨工业机器人可以通过导轨行走，以扩大工作范围，有利于不同车间场地的工业机器人单元的布局。导轨相当于给工业机器人增加了一个自由度。导轨行程大，可扩展工业机器人的工作空间。导轨的形式可以是直线型、半圆形等。
（10）工件变位机。
在抛光、打磨过程中，由于工件的不同部位需要抛光、打磨，如果只靠工业机器人的自由度变位，可能有些部位的抛光、打磨难以实现，因此，可以配置工件变位机，通过工件变位机的回转或翻转，达到抛光、打磨所有工件部位的作用。工件变位机的形式多种多样，目前市场上的工件变位机多用于焊接工业机器人，工具型抛光、打磨工业机器人可以使用这些设备，如果抛光、打磨零件特殊，可以自行设计工件变位机。
2）工件型抛光、打磨工业机器人
工件型抛光、打磨工业机器人主要适用于中小零部件的自动化抛光、打磨加工，还可以根据需要，配置上料和下料的工业机器人，完成抛光、打磨的前后道工件自动化输送。
（1）工件型抛光、打磨工业机器人概述。
①工件型抛光、打磨工业机器人的基本要求。
a.工件型抛光、打磨工业机器人的负载和臂载必须满足工件质量需要，有足够的工作范围，防止工件在抛光、打磨过程中与抛光、打磨设备发生干涉。被抛光、打磨的工件由夹持器夹持后，在不同的抛光、打磨设备上抛光、打磨，抓手应能承受一定的力量，有一定的刚度，不至于将工件损坏或使工件变形；抓持工件的部位要合适，保证不损坏工件，能方便地将需要抛光、打磨的部位加工到位。
b.工件型抛光、打磨工业机器人根据车间场地情况可按“一”字形排列，通过导轨，分别在各种抛光、打磨设备上完成不同的抛光、打磨工序。也可以按“品”字形布局，成为抛光、打磨加工岛，工业机器人在各类抛光、打磨设备中回转完成工件的各种抛光、打磨工艺和工序。
②工件型抛光、打磨工业机器人配备的抛光、打磨设备。
工件型抛光、打磨工业机器人配备的抛光、打磨设备主要根据抛光、打磨要求进行设计，目前市场上存在大量不同类型的抛光、打磨设备。在进行抛光、打磨工作时，要根据抛光、打磨材料类型，抛光、打磨工件的形状及大小，抛光、打磨工艺要求，选择不同的抛光、打磨设备。机械零件的抛光、打磨常用配置如下。
第一，按抛光、打磨工艺要求，分别配置砂带机、毛刷机、砂轮机和抛光机等。
第二，按精度要求，分别配置粗加工、半精加工和高精加工等各种工艺的抛光、打磨设备。
（2）工件型抛光、打磨工业机器人的主要组成。
工件型抛光、打磨工业机器人主要由工业机器人本体、砂带、毛刷等抛光、打磨设备组成，还包括控制柜、抓手和力控制器等外围设备。控制柜分别控制工业机器人及抛光、打磨设备，从而实现工件的一次装夹，可以完成不同抛光、打磨工艺和工序，使加工效率大幅提高，并能保持工件抛光、打磨的一致性，保证加工质量。
工件型抛光、打磨工业机器人本体、控制柜和力控制器等设备与前面介绍的工具型抛光、打磨工业机器人基本相同，不同之处在于工件型抛光、打磨工业机器人要求强度高，能支承的质量大。工件型抛光、打磨工业机器人能举起质量较大的工件，而工具型抛光、打磨工业机器人只需要举起抛光、打磨工具即可。下面对工件型抛光、打磨工业机器人特有的设备进行介绍。
①工件型抛光、打磨工业机器人的抓手。
a.工件型抛光、打磨工业机器人的抓手，根据工件质量，采用单手爪、双手爪或四手爪。
b.工件型抛光、打磨工业机器人的抓手，根据工件形状，采用真空吸附式或电磁吸附式等。
②工件型抛光、打磨工业机器人的力控技术。
工件型抛光、打磨工业机器人可根据抛光、打磨需要配置力传感器，通过力传感器及时反馈在抛光、打磨过程中工件与抛光、打磨设备的附着力以及抛光、打磨程度，防止工业机器人过载。力控技术可确保工件抛光、打磨适度，保证工件抛光、打磨的一致性，防止产生废品。
5.任务评价
任务评价见表3-5。
表3-5 任务评价
