成楚楚;傅高升;陈鸿玲;宋莉莉;黄全杰
【摘 要】以铜合金水龙头作为砂抛对象,以ABB IRB 4400六轴工业机器人和砂抛机作为磨削机器,通过单因子试验探讨不同的磨削参数对砂带磨削量的影响规律;通过正交试验得到不同磨削参数对工件磨削量的影响贡献率,其中砂带粒度的影响最大、其次是砂带速度,同时得到磨削参数的最优组合为工件进给量0.2mm、砂带速度15m/s、工件速度60mm/s、砂带粒度80#;此外可通过提速和增加工件进给来实现磨削量的补偿.新金瓶酶2
【期刊名称】《制造业自动化》
【年(卷),期】2017(039)011
【总页数】7页(P4-10)
【关键词】城市垃圾处理工业机器人;砂抛柔性加工;砂带磨削参数;工件磨削量
【作 者】成楚楚;傅高升;陈鸿玲;宋莉莉;黄全杰
【作者单位】宁德职业技术学院,宁德 355000;福州大学机械工程及自动化学院,福州 350108;宁德职业技术学院,宁德 355000;福州大学机械工程及自动化学院,福州 350108;福州大学机械工程及自动化学院,福州 350108;宁德职业技术学院,宁德 355000;福州大学机械工程及自动化学院,福州 350108;福州大学机械工程及自动化学院,福州 350108
【正文语种】中 文
【中图分类】TP272
0 引言
随着消费者对产品的质量以及使用功能的要求的提高，也对产品外观提出了更高的要求。传统人工抛光的方式具有工作环境恶劣，生产效率低下，工人经验要求高，加工一致性低等不足。将工业机器人应用于磨抛行业，提高了产品复杂表面的磨抛质量，保证加工的一致性；减少了工人的劳动强度，改善了劳动环境；也提高了产品的生产效率，降低成本，提高了成品率[1]。
2009年本课题组与福建长江工业公司合作研发CMP-60/4-A型工业机器人自动磨抛中心，
通过福建省经济贸易委员会组织的福建省新产品新技术成果鉴定（成果鉴定证书号：闽经贸技术鉴字 [2011]2号）[2]，实现了复杂形状工件磨抛的自动化。先进的磨抛技术使加工系统对于具有复杂曲面的工件具备更强的处理能力，同时也能提高工件的加工质量和保持产品一致性。该系统融合了生产和检测技术，不仅改善了工人的工作环境、提高了产品的生产效率、降低废品率，还通过安装在磨抛设备上的自适应控制装置，实现均匀磨抛，从而保证了加工件的一致性，实现了复杂形状工件磨抛的自动化。该新产品的企业标准Q/CJQB 001-2010《工业机器人自动磨抛中心》已由福建省经贸委机电行业管理办公室组织专家进行标准审查，并完成了该企业产品标准在福建省质量技术监督局的备案工作（备案编号：闽QB/0000.0992-2010）；同时该新产品也已经福建省产品检验研究院的严格检验，其主要技术指标符合Q/CJQB 001-2010《工业机器人自动磨抛中心》的企业标准要求，并成功向福建等地的水暖卫浴企业推广十几套该设备，填补了工业机器人自动磨抛的空缺。
磨抛会使砂带变钝，磨削力减小，磨削效率降低，导致同样的磨抛路径下，磨削量减少，产生了不合格的工件。然而目前工件磨削量的补偿系统并不完善，现有的补偿方法多为力补偿，基于一定的先进设备及复杂算法，对仪器精度要求高，实现过程复杂，技术难度高，
并不适用于水龙头工件的磨削加工环境[3]。
在研发了“CMP-60/4-A型工业机器人自动磨抛中心”之后，傅高升教授课题组与其他学校、福建长江工业有限公司共同合作承担了福建省科技重大专项“智能机器人抛光系统研发与产业化项目”，国家高技术研究发展计划（863计划）“磨抛机器人及自动化生产线研发与应用示范项目”，目前已取得了一些阶段性的研究成果[4～7]。本文通过试验探讨磨削参数对工件磨削量的影响规律，为水暖卫浴产业工业机器人砂抛柔性加工单元自动化生产中砂带的在线管理系统建立提供试验依据。
1 试验设计
1.1 试验材料
工件：铜合金水龙头，尺寸为175×70×40mm，材料为铸造铜合金（牌号：ZCuSn3Zn11Pb4），具有较好的力学性能和耐蚀性，是卫浴产品常用的材料之一。该铜合金水龙头铸造毛坯由重力铸造生产。由于成型工艺的局限性，毛坯件表面凹凸不平，有飞边，成形尺寸有误差，如图1所示。
图1 铜合金试验样件
铜合金的具体成分如表1所示。
铜合金材料的力学性能如表2所示。
由表2可知，铜合金材料具有较高的硬度，抗拉强度较低、伸长率较高。
砂带材料：韩国DEERFOS鹿牌80#砂带，型号为JC122，砂带周长为4m，宽度为90mm，磨粒粒度基本尺寸范围为180～212μm，适用于铜合金，铝合金，锌合金的加工，如水龙头，锁具等的打磨抛光作业，如图2所示。
图2 鹿牌80#砂带
砂带的涂层为密植砂，磨料是碳化硅（SiC），含量在97%～98.5%，硬度高，呈脆性，易碎裂。磨料碳化硅是将石英砂（SiO2）、石油焦（或煤焦）、木屑等原料通过电阻炉高温冶炼而成的，具体的组成成分如表3所示。
表1 铜合金成分表元素Cu Sn Zn Pb P（杂质）质量百分比%其余2.0～4.0 9.0～13.0 3.0～
6.0≤0.05元素Al（杂质）Fe（杂质）Si（杂质）Sb（杂质）杂质总和质量百分比%≤0.02≤0.5≤0.02≤0.3≤1.0
表2 铜合金力学性能硬度/HB抗拉强度bσ/MPa伸长率sδ/%≥590≥215≥10
表3 碳化硅成分组成化学成分Al2O3 SiO2 TiO2 Fe2O3 CaO+MgO K2O+Na2O成分百分比/%微量≥98.50微量≤0.60微量微量
碳化硅化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好。碳化硅的硬度很大，莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），磨料的性能参数如表4所示。
表4 磨料性能参数项目黑碳化硅基本矿物α-SiC晶系六方体泽黑密度/（g.cm3）≥3.12堆积密度/（g.cm3）1.45～1.56莫氏硬度9.15显微硬度/（kg.mm2）3100～3280研磨能力（已金刚石为1作比较）0.25韧性系数0.7～0.9
1.2 磨削试验设备
设备和仪器主要有：ABB IRB 4400-60/1.9机器人、砂抛机。设备的具体功能及优势如下：
1）试验用工业机器人
由于磨削铜合金水龙头工件磨削量大，ABB机器人IRB 4400-60/1.9是一款机身紧凑的机器人，其机械臂可承受载荷高。IRB4400机器人的具体技术参数，如表5所示。口罩成型机
表5 ABB IRB 4400-60/1.96技术参数项目参数值最大持重（含工装）60kg最大臂展半径1.96m运动轴数6轴重复定位精度0.20mm
ABB 4400的工作范围如图3所示。本文中所用的工件是铜合金水龙头，是一种典型的空间曲面，表面曲率变化复杂，加工难度较大。为了控制工件的磨削量，实现定量磨削，加工时，一般选用容易控制磨削位置的接触轮式，以保证砂带与工件之间的接触力，试验现场如图4所示。
图3 IRB 4400工作范围
图4 试验现场
保安单元2）试验用砂抛机
本次试验所用的砂抛机是本课题组为承接的863计划重大项目“磨抛机器人及自动化生产线研发与应用示范”所设计的，其主要技术参数如下：（1）工作轮材料为聚胺脂复合材料；（2）工作轮直径：φ60mm～φ150 mm；（3）工作轮宽度：25mm～120mm；（4）工作轮硬度：邵氏硬度30～60；（5）磨抛机进退行程：0～300 mm；（6）砂带速度：0～30m/s。
草本精华砂抛机具体三维及实物图如图5所示。
1.3 试验内容
为了研究不同磨削参数对磨削量的影响规律，寻对磨削量影响最大的磨削参数，得到补偿磨削量的最佳方式，本文进行了以下的试验。
1）分别改变砂带速度、磨抛进给量，测量工业机器人磨削前后的工件磨削量，探讨不同磨削参数对磨削量的影响；
图5 砂抛机三维及实物图
连接扣件
2）设计正交试验探讨砂带速度、工件进给量、工件速度和砂带粒度四个因素对磨削量的影响贡献率，寻对磨削量影响最大的最优的磨削参数组合。
通过ABB RobotArt软件进行磨削路径离线编程，设定水龙头的单向直线磨削路径，后通过在线示教修正，T字形水龙头大平面的磨削路径如图6所示。
图6 工件测试磨削路径示意图
2 砂带磨削参数对磨削量影响的试验结果及分析
在砂带的磨削过程中，砂带的磨削参数包括：磨削线速度、工件进给运动速度和磨削深度，这些参数的变化均会造成砂带与工件之间的接触力、接触面积发生变化，从而导致磨削量发生改变。
本节将对磨削试验得到的数据结果进行处理分析，从而得到不同磨削参数对磨削量的影响规律。根据数据所呈现的趋势和特征，总结在实际磨削中的变化规律，获得参数的最优选择、补偿的依据等。
2.1 单因子试验结果及分析
1）砂带速度对磨削量的影响
在工件速度为60mm/s、工件进给量为0.2mm，砂带粒度为80#的条件下，改变砂带速度，测量工件的磨削量，结果如图7所示。
图7 砂带速度对磨削量的影响
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