集成工业机器人的自动打磨生产线的夹具设计*

唐林新，吴小禾

（中山火炬职业技术学院，广东中山 428436）

集成工业机器人的自动打磨生产线的夹具设计*

唐林新，吴小禾

（中山火炬职业技术学院，广东中山 428436）

为克服打磨工作粉尘多、噪声大的缺陷，将工业机器人集成到自动打磨生产线中，用于被打磨工件的自动上下料。为此设计了机器人夹具、打磨机夹具、工件料盘，从而实现了打磨工作的全自动化，完全达到了设计目的。

工业机器人；打磨；全自动化

打磨是一种用于精密加工、提高零件表面光洁度的重要的机械加工方法，但是打磨过程中产生的粉尘、噪声、振动等对操作者会产生不良影响；打磨工序耗时较长，单调的操作容易导致操作工人因精神不集中而发生事故。另外，随着国内经济的发展，沿海地区的用工成本越来越高，企业面临巨大的设备转型升级的压力。工业机器人与数控打磨机的集成系统可以很好地解决上述矛盾。

1 系统组成及工作过程

综合国内外情况可知，常见的将工业机器人与打磨工艺结合的方法是由关节型机器人（五轴或六轴）端部夹持打磨工具（或夹持工件）进行打磨[1]。这种方法可以实现对具有复杂曲面的工件表面进行打磨加工，但是也存在以下明显的缺点：

（1）由关节型机器人的构造可知其刚性较小，定位精度不高[2]，利用关节型机器人直接进行加工（无论机器人端部夹持工件或工具）会对零件的加工精度产生不利的影响；

（2）国外的全自动打磨生产线功能齐全[3]，性能先进，但一次性需投入400万以上的资金，对于国内中小企业无力承担；

（3）单件生产，通常打磨工时较长，对于提高效率不利；

（4）控制复杂，实现打磨曲面对各个关节的操作算法非常复杂。

基于以上原因，集成工业机器人的自动打磨生产线由一台工业机器人与多台数控打磨机组成，工业机器人负责数控打磨机工件的装卸工作，数控打磨机负责工件的打磨。此方案的优点在于可以同时实现多个工件的打磨，提高了工作效率；专用的数控打磨机其结构刚度、打磨精度和效果都好于前述方案。

系统工作情况如下：

（1）系统刚启动时，数控打磨机未装夹工件，此时通过通讯接口发信号至工业机器人，由机器人从料盘的待加工工件区取出工件并装夹在数控打磨机的打磨夹具[4]上，装夹完毕后通知数控打磨机可以开始打磨；

（2）工件已经打磨完毕后打磨机发信号至工业机器人，由工业机器人将工件从打磨机夹具上取下放至料盘已加工工件区；

（3）当料盘的待加工工件区工件全部加工完毕后，发报警信号通知工人更换料盘或结束工作。

为实现上述工作过程，需分别设计机器人夹具、打磨机夹具、工件料盘，以实现打磨工作的全自动化进行。整个系统如图1所示，系统由工业机器人、三台数控打磨机和工件料盘组成。

图1 集成工业机器人的自动打磨生产线

2 机器人夹具

机器人夹具用于将工件从工件料盘取出装夹于打磨机夹具上或将工件从打磨机夹具上取下放至工件料盘。其结构形状分别见图2、图3。在图3的爆炸视图中，从上至下依次为：末端执行器－气缸连接法兰，用于连接末端执行器和气缸；气缸，用于工件装入打磨机夹具时将工件推出；4只沉头螺栓，用于将气缸和气缸－弹性夹法兰连接至末端执行器－气缸连接法兰；弹性夹，用金属弹性材料制成，当弹性夹三只弹性爪伸入工件内孔后，依靠径向变形产生的摩擦力固定工件；推板，与气缸缸杆相连，利用气动力将工件从弹性爪上推出至打磨机夹具；最后是有内孔的工件。

3 打磨机夹具

图2 机器人夹具总装图

图3 机器人夹具爆炸视图

图4 打磨机总装图

打磨机结构见图4，打磨机为双碟打磨机，可分别实现粗磨和精磨。打磨机上装有Z向和X向数控滑台，可实现Z轴方向和X轴方向的直线运动。X向数控滑台装有打磨机夹具组件，其可实现绕Y轴方向的旋转运动和气动三爪绕自身轴线的旋转运动。为保证防尘效果，两只驱动电机都位于打磨机夹具组件内部。

打磨机夹具（见图5）主要由气动三爪、旋转接头、两只步进电机、同步带、齿轮对和夹具壳体组成。气动三爪用于与工件内孔配合，利用气动力使三爪径向移动夹紧工件；旋转接头[5]用于连接气动三爪和同步带，使气动三爪在旋转时压缩空气依然能进入气动三爪；同步带用与连接步进电机和旋转接头，实现步进电机驱动气动三爪旋转；齿轮对与另一只步进电机用于使整个打磨机夹具绕Y轴旋转，配合Z向和X向的直线运动共同完成工件打磨。

图5 打磨机夹具图

4 工件料盘

图6 工件料盘

工件料盘如图6所示，其材质为塑料，用于放置待加工与已加工工件。每个工件位的尺寸形状与工件的尺寸形状相配合，确保工件在工件盘上的准确定位，如此才能实现机器人夹具准确的进行工件的取出与放入。

5 结语

设计了机器人夹具、打磨机夹具及工件料盘，用于实现工件打磨的全自动化。集成工业机器人的自动打磨生产线已经投入生产并取得了良好的销售业绩，证明了本方案的合理与可行。

［1］姚立权.打磨机器人机电系统设计与研究［D］.沈阳：东北大学，2007.

［2］李占贤，陈杰，杨志杰，等.关节型机器人示教机构平衡设计与优化［J］.机械工程师，2010（9）：30-32.

［3］谭福生，葛景国.力控制技术在机器人打磨中的应用及系统实现［J］.上海电气技术，2008（12）：35-40.

［4］朱耀祥.现代夹具设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［5］SMC（中国）有限公司.现代实用气动技术［M］.北京：机械工业出版社，2008.

The Fixture Design of Automatic Grinding Line for Integrated Industrial Robot

TANG Lin-xin，WU Xiao-he
（Zhongshan Torch Polytechnic，Zhongshan528436，China）

In order to overcome dust and noise in the grinding process，the industrial robot was integrated to the automatic grinding line，it can realize automatic load and unload of workpiece.The robot fixture，grinding machine fixture，work piece tray were designed for the full automatic grinding work and the design purpose was achieved completely.

industrial robot；grinding work；full automation

TP242.2

B

1009－9492(2014)07－0012－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.004

唐林新，男，1970年生，湖南洞口人，博士，工程师。研究领域：机电一体化，工业机器人技术。

(编辑：阮 毅)

*中山市科技攻关项目（编号：20123A401）

2014－05－15