手机中框机器人湿式精密打磨开发与应用*

汤爱军，诸进才，张建刚，张 锋，李雪成

（1.深圳市裕展精密科技有限公司，广东 深圳 518110；2.广州铁路职业技术学院，广州 510430）

0 引言

打磨是手机金属中框表面处理重要工序之一，其关系到产品的最终外观和品质。打磨的安全性、效率和良率，也直接决定产品表面处理制程的可行性和成本。目前业界手机中框、外壳等金属件打磨，多采用人工干式打磨，除了存在效率不高和良率低等问题，更严重的是存在两大安全隐患：尘肺和尘爆[1-2]。近几年来，出现了一些新的代替人工干式打磨抛光方式，如磁性研磨、流体抛光和滚筒研磨等，虽然效率高，且不产生干式粉尘，但设备体积大，设备价格高，耗材成本高，导致产品加工成本高。也曾尝试用机器人代替人工进行打磨抛光[3]，并利用安全水帘柜解决干式粉尘尘爆问题[4]，但仍不是绝对的安全解决方案，因为该方案只是排除了干式粉尘沉积堆积的隐患。

随着3C产品的更新迭代速度越来越快，产品研发和制造周期越来越短，且对产品外观品质要求越来越高，而中国作为制造大国，随着我国人口红利逐渐消失，人工成本不断上升，工人难招募，并且工人对于工作环境的安全性及舒适性要求越来越高。因此，开发利用机器人代替人工进行精密打磨，并且是绝对安全的湿式打磨，实现打磨全自动化，是手机制造企业急需解决的问题，也是企业生产制造模式创新、自动化升级改造的迫切需求[5]。

1 机器人湿式精密打磨系统开发

图1所示为一款手机金属中框，铝合金材质。外侧3D面CNC加工后，留下较深的刀纹，需要打磨去除刀纹，降低粗糙度，为后面的抛光制程作准备。

图1 手机金属中框示意图

改善前，该产品为人工打磨。工人用手持式标准气动风磨机，如图2所示，配合砂纸，进行手机中框打磨。人工打磨存在如下几个问题：（1）对工人的打磨技术要求高，良率低，仅约65%；（2）手机中框属于大批量生产，人工打磨自动化程度低，工人投入数量大；（3）人工生产效率低，CT约300 s；（4）打磨存在粉尘、噪声和振动等，生产环境恶劣，劳动强度高，易造成工人职业病，人员流失率高；（5）更重要的是，人工打磨产生的铝合金粉尘存在尘爆的工业安全隐患。因此，急需提出代替人工生产的自动化创新生产方案，并且能杜绝尘爆风险，保证工业安全。

图2 手持式气动风磨机

1.1 自动化执行主体设备方案优选

目前打磨除了人工，常用的方案还有数控打磨专用设备，如图3所示，还有越来越受自动化应用青睐的六轴工业机器人，如图4所示。数控打磨专用设备生产效率较高，但成本投入也较大，产品开发及成本回收周期长，并且由于产品适应性较差，只适合特定形状产品大批量的打磨作业[6-7]。当前手机产品更新换代快，且多是少量多样的柔性生产，所以专用打磨设备难以胜任。

图3 打磨专用机

图4 六轴工业机器人

六轴工业机器人是标准化模组化自动化的机电一体化设备，可完全模仿人工手工作业手法实现产品打磨抛光。其属于弹性自动化设备，柔性好，产品发生变化设备也可重复利用；甚至制程变化，机器人作为主设备，可搭配其他周边设备继续延用。近年来，越来越多的机器人搭配传统的各种打磨抛光方式的研究，并实现了产业化应用[8-10]。因此，综合比较，自动化执行主体设备项目组优选六轴工业机器人。

本文按实际工况、负载及打磨动作范围，选择公司自主研制的A1200六轴工业机器人，如图4所示。机器人最大负载：10 kg；臂长：1200 mm；重复定位精度：±0.02 mm；适用于打磨抛光、上下料、搬运、装配等。

1.2 精密打磨机设计

目前市场上的气动打磨工具多为人工手工打磨机，如图2所示。该产品塑料外壳，精度差，难于精准固定，安装后由于打磨振动易松动，因此不适用于机器人自动精密打磨。本文优化设计开发适用于机器人自动打磨精密气动打磨机，如图5所示。主要改善设计包括：（1）外形结构定位安装面精度；（2）气动马达偏心轴动平衡和振动频率分析；（3）减小摩擦阻力；（4）减小噪声；（5）防水改善设计。

图5 自制精密气动打磨机

其中气动马达偏心轴动平衡和振动频率分析是重点，本文利用ANSYS进行频率分析[11]，图6～9所示为模拟仿真结果，结果显示马达偏心轴XYZ方向的共振频率约7500 Hz，不在该产品打磨常用的打磨速度600～1200 r/min对应的10～20 Hz频段之间，所以可以确认偏心轴设计可行。

图6 偏心轴仿真分析坐标定义

图7 X方向频率

图8 Y方向频率

图9 Z方向频率

最终项目组设计开发的精密气动打磨机，打磨机安装面平面度0.02 mm，打磨底盘Z向震动跳动小于±0.1 mm，整机高度公差±0.1 mm，上下面平行度0.1 mm；气动马达转动顺畅，最小起动气压为0.2 MPa，最高转速可达12000 r/min，无异音，还具有一定的防尘防水功能。经测试验证，达到机器人精密打磨使用要求，平均寿命达6个月以上。

1.3 打磨头安装方向优选设计

依打磨动作轨迹要求及机器人动作原理集成打磨头，其通常有两种安装方式：（1）打磨机搓动方向垂直于机器人六轴，如图10所示；（2）打磨机搓动方向平行于机器人六轴，如图11所示。

图10 打磨机搓动方向垂直于机器人六轴

图11 打磨机搓动方向平行于机器人六轴

集成打磨头安装方式一的优势是可利用机器人六轴旋转，实现整个产品连续打磨。不足之处是打磨力产生的力矩较大，对机器人五轴组件，包括减速机、轴承、马达等，存在的损伤风险加大。而安装方式二的优势是不存在打磨力对五轴组件损伤风险。缺点是单纯靠机器人，无法实现产品整圈周面的连续打磨。本文创新地设计开发了一种可用于产品旋转的第七轴，搭配六轴机器人实现七轴联动。该方案既实现了产品整圈周面连续打磨，又避免了打磨力矩对机器人五轴组件损伤的风险。并且本方案所采用的高精度旋转轴与机器人配合可实现精密打磨，机器人仅需要做打磨所需的摇摆和前后搓动动作，相比方案一仅靠机器人走打磨轨迹，更精密，更有利于产品高品质打磨。

1.4 打磨粉尘工业安全防患消除创新解决方案

当前人工打磨多采用干式打磨，打磨会产生粉尘，生产环境恶劣，对工人存在尘肺等职业病危害。而且像镁铝合金等易燃易爆粉尘，如果密闭空间堆积和扬尘浓度达到一定程度，遇到火源的情况下，即可能会产生尘爆和二次爆炸。尘爆发生的3个必要条件是在密闭空间一定浓度的干式易燃易爆粉尘、氧气和起火点。氧气天然存在，起火点是意外因素，而人工打磨干式飘浮粉尘的产生，是尘爆工业安全的最危险的安全隐患。消除粉尘工业安全隐患，常用的方法是粉尘收集打磨台[6,12]或安全水帘柜[4]，这些方案是对干式粉尘湿式沉积浸泡和收集，还不是绝对的安全解决方案，且对设备要求较高，占地面积较大，成本高。

验证开发湿式打磨方案，即与耗材厂商一起开发水性砂纸，打磨时直接喷淋打磨液，使干式打磨变成湿式打磨，从源头上杜绝了干式粉尘的产生，完全杜绝了尘爆的安全隐患，实现了绝对的工业安全，也改善了车间的工作环境。项目组设计开发的水循环装置，如图12所示。

图12 水循环装置

打磨液经过打磨台水槽内的第一级过滤棉（30µm）流入打磨液循环装置，进入水箱前，先后经过第二级过滤棉（10µm）和第三级过滤棉（5µm），才流入搅拌水箱，由搅拌水泵抽出到打磨喷淋头。三级过滤，过滤颗粒由大到小，逐级过滤，可有效过滤杂质和大颗粒打磨颗粒，且打磨液还可对打磨面起冲刷冷却降温、润滑作用，提升打磨品质。

为保证多路水的较大流量供给，确保打磨过程打磨颗粒的冲刷效率，水泵选用台湾斯特尔泵浦，型号：SPC8-25，功率：770 W，最大流量240 L/min，最大扬程：16 m。优化水路，可供4根φ10的喷液管同时喷液，且每根喷液管水流量大于或等于13 L/min；制作钣金材料为：SUS304，t=2 mm，工艺要求：折弯满焊烤漆，不漏水，整体美观。

2 机器人湿式精密打磨应用

系统整合以上核心功能零部件设计，以及其他功能部件，包括自动撕换砂纸机构、双工位移动滑台和具有密封防水功能的科技感外观设计等，完成了以六轴工业机器人A1200为核心的手机中框自动湿式精密打磨系统，如图13～14所示。主要功能模组包括六轴工业机器人、三工位集成精密打磨头、双工位移动滑台和产品定位装夹治具、水循环装置、自动撕换砂纸机构以及铸铁底座和科技感外观机罩等等。

图13 机器人打磨方案整体外观

图14 机器人打磨设备功能模组

通过实验验证，优化得到了适用于铝合金手机中框湿式打磨的各种工艺参数及水平，实现用机器人湿式打磨代替人工干式打磨，确保工业安全的同时，CT降至180 s，生产效率提升了66%，一次良率也提升了30%至95%。该设备在公司得到大量应用推广，如图15所示，产生了良好的有形经济效益和无形经济效益。

图15 机器人湿式精密打磨设备批量制作应用推广

3 结束语

针对当前手机中框人工干式打磨存在的效率不高和良率低等问题，特别是存在尘肺和尘爆两大安全隐患，项目组系统整合自动打磨主体优选设计，适用于机器人湿式打磨的精密打磨机设计，集成打磨头安装方式优化设计，湿式打磨验证开发，以及打磨液循环装置设计等，完成机器人湿式精密打磨系统开发。实验验证开发确认，该机器人湿式精密打磨系统，可有效代替人工干式打磨，确保工业安全的同时，生产效率和良率分别提升了66%和30%，在公司得到大量应用推广，并对其他制程的自动化升级改造产生了创新引领作用，具有良好的有形经济效益和无形经济效益。