摘要：研磨和铲刮工序是机床工具行业必不可少的加工工艺，其加工质量对机床的品质影响很大。除去劳动力成本考虑，仅从研磨和铲刮工作技能经验及年轻人从事该工种意愿情况来看，该工种从业人员已严重不足。随着制造业的快速发展，各行业生产对机床加工的需求量迅速增长，应用“机器替人”解决企业生产瓶颈也将是发展趋势。本方案结合企业用工情况和机器人智能技术，致力于实现铲刮与研磨工序的无人化作业，减轻工人的劳动强度、提高产品质量和生产效率。

关键词：机器人；研磨；智能铲刮；铲刮控制系统

为企业提高产品质量、提升生产效率、降低生产成本和改善人工作业环境是机器人智能系统的出发点。未来制造业必定向着越来越精致化、人性化、个性化的方向发展。面向机床行业自动化生产的机器人铲刮应用对工业机器人、自动化工装夹具、视觉技术、算法处理、力传感技术、多工位协调作业等技术提出了新的技术要求。

机床及其他行业铲刮、研磨工序技能人才严重不足的现象已然出现，企业生产瓶颈工序技能人才供需紧缺，提出对研磨和铲刮工序的机器人应用系统研究与开发探讨已是迫在眉睫。

1 项目内容

1.1 概述

在机床行业，床头箱接触面、尾座和床鞍与导轨等接触面，需要进行铲刮研磨关键作业工序。而现在的铲刮作业均由资深技能工人完成，作业劳动强度大、效率低、技能经验要求高，作业方式相对比较原始。具备机器人研发、生产制造一体化能力的广州数控将协同相关科研单位针对项目中的难点进行攻关，提升工业机器人技术，以及工装夹具等集成应用能力，实现研磨、铲刮作业的智能自动化生产，解决企业生产瓶颈工序。

1.2 机器人研磨和铲刮系统探讨

铲刮是一种提高工件尺寸精度，使工件达到工艺上规定的尺寸、几何形状、表面粗糙度等要求的一项精细加工工序，是许多工件机械加工中所必需的一项工艺。目前市场上对铲刮工艺的机器人自动化尚未有研究，这将是一种全新的机器人产业化应用。目前市场上铲刮工艺皆是依靠技能工人手工操作，应用机器人完成铲刮工序提出了更多的创新技术要求，相对于人工铲刮操作，无论是精准度还是效率方面都有明显的提升，具有很大的竞争优势。

机器人铲刮系统替代人工进行高精度铲刮工作，替代人工原有的上下料和铲刮任务，解决繁重的人工体力劳动，同时可以长时间无间断工作，避免了非自然因素停工，极大地提高经济效率。将工业机器人配置刮刀、视觉系统和程序优化编辑等智能功能综合应用于铲刮项目试验，有利于开展技术创新，开拓机器人新型技术应用、推广。当机器人正式进入生产环节稳定生产，带来的不仅是对人力的解放，更是生产力和生产效率的提高。因此研磨和铲刮前期的机器人控制技术、智能应用等基础性的技术研发、攻关就显得尤为重要。

2 机器人研磨和铲刮研究及解决方案

结合研磨铲刮工艺要求，本方案将机器人研磨铲刮系统主要分为五个方面：一是搬运模块，其由一台机器人负责搬运和拖动；二是涂红丹模块，其由另外一台机器人负责红丹涂抹和吹屑作业；三是铲刮模块，由第三台机器人负责铲刮作业，配浮动功能电动铲刀或手工铲刀；四是上料平台，翻转装夹机构组成，考虑变为上料装置；五是检测模块，主要由视觉检测单元和力检测等单元组成，再配备相应控制软件、物流输送系统和生产线控制系统等作为辅助功能模块，以此实现研磨铲刮机器人智能系统应用。

通过视觉单元实现对工件铲刮区域的识别、判断和检测，通过相关程序、软件等辅助算法自动分析和处理铲刮特征，得出铲刮位置和相应数据，再对铲刮点数量和位置进行判断识别，并输出铲刮位置信息。机器人根据位置信息自动执行研磨铲刮作业任务，在铲刮过程中由力传感器适时检测铲刀单元铲刮过程中力控大小，并实时反馈给机器人控制系统，以此适时调整机器人铲刮进给量，进行实时浮动铲刮。

2.1 多工位机器人协同作业构建

铲刮单元由3台机器人、1套上料工作台、1个视觉检测系统、1套涂刷红丹工具、1套柔性铲刮工具、1套六维力传感器和总控制系统等组成机器人铲刮工作站。使用视觉检测系统执行被铲刮工件的检测，实现将工件面检测和采集的数据进行自动分析、判断和自动数据处理，得出工件面需要铲刮的位置和数量，并自动生成机器人研磨铲刮程序，且由控制系统、力传感器实时控制机器人轨迹动作进行自动铲刮及铲刮调准工作。

对多工位机器人协同作业流程图设计如图1所示：

图1 作业流程图

（1） 搬运作业

搬运机器人需要将工件从一个工位搬运到另一个工位，工位需要设置自动定位装置，可自动定位、固定来料工件。

（2）红丹涂抹、拖动机器人、吹屑机器人作业

机器人需要将红丹均匀的涂抹至需要铲刮的零件表面，不能出现漏涂现象。平台定位装置自动定位零件后，机器人附带基准拖板对零件铲刮面进行来回推动合研，使零件凹凸位置实时显现出来，为后续视觉检测作准备。涂抹的废屑、废红丹，机器人手抓设置清理机构执行零件表面的自动清理。

（3）零件翻转，装夹机构的设计

零件装夹需要实现对零件的自动定位及夹紧。涂抹红丹后的零件需要进行位置调节，上料平台及其零件装夹机构的设计需要满足零件任意位置的翻转、定位要求。

（4）视觉检测系统

对被铲刮零件表面进行视觉拍照对比检测，检测出色差、位置的高度差的数据。经过图像数据进行分析处理，确定需要进行铲刮面的区域，检测各个位置的高度差后实时对铲刮点的数量、位置、高度等数据进行判断和输出，实现由控制系统控制机器人的自动研磨铲刮作业。

（5）柔性铲刮系统

通过力传感器实时数据反馈控制系统来控制机器人轨迹动作，实时调节研磨、铲刮力的大小，实时贴合工件铲刮面，实现铲刀的柔性浮动控制和微量进给。

（6）多工位协同作业

此应用场景由物料传送、翻转、搬运、铲刮、涂抹、吹铁屑、合研、力传感器系统和视觉传感系统等组成，本铲刮系统方案主要是针对机器人铲刮工序方面的研究，以视觉系统、力传感检测等检测装置来实时收集数据并且实时分析计算数据，与机器人进行联动铲刮工作。本方案研究的核心是视觉与铲刮系统的联动工作，对搬运、输送、翻转和装夹等市场均比较成熟的应用，此铲刮系统中不作深入的探讨和研究，仅作为对整个应用场景的构建示意用。

红丹涂抹、研磨拖动、吹屑、视觉检测及柔性铲刮系统三维构建示意图如图2所示。

图2 三维构建示意图

2.2 研磨和铲刮平台构建及研究效果

流程中机器人搬运单元、输送线输送单元、翻转和装夹单元市场应用均比较成熟，此铲刮应用系统实际构建中不作相关输送平台的搭建和分析。在此重点对机器人铲刮单元难点做细节探讨和研究。

平台由上料翻转变位机、铲刮、涂抹、吹铁屑、合研、力传感器系统和视觉传感系统等组成。针对机器人铲刮工序方面的研究，以视觉系统、力传感检测等检测装置来实时收集数据并且实时分析计算数据，与机器人进行联动铲刮工作。红丹涂抹、研磨拖动、吹屑、视觉检测及柔性铲刮系统等研究平台构建实物，如图3所示。

图3 研究平台构建实物

铲刮单元实现了机器人视觉系统自动识别铲刮面凸面位置，并分析凸面铲刮后铲面的效果是否达到铲刮技术要求。经过系统软件控制，实现了机器人自动执行多次铲刮修补的功能。机器人铲刮平台实际铲刮应用动作、效果如图4所示。

图4 机器人铲刮动作、效果

铲刮过程中相机根据程序自动拍照，实时检测和识别铲刮点位，有效生成铲刮程序。柔性铲刀铲刮的效率约为1M×0.5M平面/100s，视觉拍摄实时显示工件对应点位的机器人铲刮动作，智能化程度优良，操作方便。

对于柔性铲刀系统实现的替代铲刮人员粗铲、半精铲工序工作，直接改善了劳动者工作环境和劳动强度，提供了更高时长的工作。一天可24小时连续生产，降低了铲刮工序对人工技术的要求，有效节约了人力，促进了生产节奏。

3 结论

通过对铲刮、研磨技术工艺的分析，文中对机器人铲刮智能系统进行了研究与开发探讨。根据行业发展结合公司产品对机器人智能铲刮系统总结及要求如下：可以采用视觉系统、力传感器作为铲刮、研磨的检测工具，研发配套与机器人更简单数据通信、数据转换计算的智能力传感器系统和视觉等系统作为机器人铲刮应用的强大智能化功能模块支撑点，以此大大提高机器人工件铲刮研磨的质量和效率。可将机器人机床相关铲刮研磨经验和相关智能技术推广至广泛的工业产品机器人打磨抛光领域应用，前景不可估量。因此机器人相关铲刮、研磨应用其及相关场景应用技术值得深入研究、攻关、做精做细和大力推广。

摘自《自动化博览》2020年5月刊