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第 2 卷
2014 年
12 月刊
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科学新讯


第 2 卷- 2014 年 12 月刊
机器人引导研磨清理目前研究主题



图 1:柏林生产技术中心的多用机器人单元


图 2:机器人引导的拖动研磨清理和自适应皮带研磨加工工件的振动研磨清理对比

简介

  现在的工业机器人具有广泛的应用。在生产技术领域,机器人的常见任务包括焊接、装配和处理。不断提高的灵活性和精确性使机器人也能够执行更精巧的生产操作。精确性的提高尤其集中在研究和开发机器人引导切割和处理的应用上。机器人引导切割和处理操作的巨大潜力在于加工小批次的部件及改变部件尺寸和几何形状。由于不断提高的表面粗糙度和精密公差要求,机器人引导研磨和研磨清理操作面临着挑战。除了去毛刺等应用,机器人引导处理加工也可用于自动化的手动加工,例如修复飞机涡轮叶片。由于使用越来越昂贵和复杂的集成部件,例如集成叶片盘(整体叶盘),飞机涡轮机修理工艺有很大的经济相关性。对于这些部件,即使是复杂的自动修复加工也是经济合理的。涡轮叶片的常见修复加工链,包含清理、检查、清除缺陷区域、组合焊接、恢复、处理和保证质量。恢复修复区域采用的是铣削或者带式研磨。在此以后,为清除先前加工痕迹必须处理修复区域表面并要再次达到表面粗糙度的要求。由于涡轮叶片的复杂几何形状及修复区域的位置和大小不同,现在仍然需要手动处理这些表面。恢复和处理加工步骤的自动化提高了修复工艺的可重复性并降低了成本。

多用机器人单元处理加工

  在生产技术中心(PTZ)柏林,柏林工业大学机床和制造研究所的研究员已检测机器人引导处理加工(如带式研磨和机器人引导拖动研磨清理)的适用性,现在正在开发应用。对此,多用机器人单元设置包括一个Comau NJ 370六轴工业机器人、一个自适应带式研磨站和皮带式研磨头、三个震动研磨装置和一个用于检查的3D测量设备。图1是生产技术中心的设置概述。在加工的整个过程中对部件进行检查对于涡轮叶片的自动修复工艺至关重要。在生产技术中心柏林,部件检查由3D-测量设备GOM ATOS SO完成。该系统精确度达到20μm且能数字化设定实际比较值的CAD数据部件。基于3D测量提供的数据,可以确定研磨清理工艺。

自适应机器人引导皮带研磨

  对于常用机器人引导研磨,需要克服一些很大的困难。通常的工业机器人不提供研磨操作需要的定位精度和刚度。由于该原因,所有位于柏林生产技术中心的机器人引导的研磨工艺(在此为带式研磨)都是以力控制的。在力控加工中可以使用两种设置。第一个系统是针对机器人操纵工件的单轴力控加工的气动带式研磨站。该设置与商业和工业广泛应用系统中的设置类似。力控应用很大可能位于连接到机器人的研磨头中。该系统由柏林生产技术中心开发并安装于多用机器人单元,它能控制三个轴上的力和扭矩并对研磨操作具有足够快的反应时间。

  有了这些系统,柏林生产技术中心开发了修复涡轮叶片的自适应加工策略。根据3D测量,自动设计修复工件的轨迹。工件传输速度和切割速度等技术参数从与加工结果相关的含工艺参数的大量数据库(如材料去除率)中检索。数据库是柏林生产技术中心带研磨工艺研究的结果。自适应带式研磨工艺是重复进行的,这意味着它从粗糙到精细研磨的几个步骤中,在每个步骤后都使用3D测量并要重新计算工艺参数。

机器人引导的拖式研磨清理

  强劲的涡轮机需要高质量的叶片表面。在完成修复以后也要保证高质量的叶片表面。不允许出现修复工艺痕迹,也不允许叶片出现对齐的加工痕迹。由于这个原因,使用松动磨料的整体研磨清理非常适合修复涡轮叶片的最后一个步骤。在柏林生产技术中心,整体研磨清理以振动研磨清理、机器人引导拖动研磨整理以及二者结合的方式应用。机器人引导拖动研磨清理有运动灵活性,可以控制复杂部件的加工,同时可以实现工件和研磨介质之间具有高相对速度,因此可以提高材料去除率。机器人引导拖动研磨整理的潜力如图2中所示:此处是带有固定工件的振动研磨清理与机器人引导拖动研磨清理之间的比较。测试工件由镍合金因科镍718组成,并且由机器人引导的带式研磨处理进行预加工。对于振动研磨清理,工件固定在研磨介质中深处为100mm处并缓慢旋转,以确保稳定地去除材料。对于拖动研磨清理,设置编程振幅为100mm平均深度为 100mm的正弦波倾斜运动,工件速度设置为vW = 30m/min.在此实验中,在工件的三个位置上,测量表面粗糙度Ra。该介质由非磨料陶瓷颗粒与抛光泥浆相结合组成。图2显示了两种工艺的表面粗糙度随着时间的变化。

  该实验结果显示,对于拖动研磨清理,加工时间tp = 35min后表面粗糙度下降了40%。相比之下,振动研磨清理的变化较小。而且,由于拖动研磨清理工艺的运动性,工件所有测量位置的表面粗糙度非常接近。

结论与展望

  柏林生产技术中心多用机器人单元提供了研究和开发不同研磨清理工艺的可能性,例如自适应带式研磨和整体研磨清理。这篇文章中描述的修复工艺的自动化调查为此领域进一步研究提供了一个良好的开端。例如显示了自适应带式研磨和机器人引导拖动研磨清理相结合的可能性。机器人引导拖动研磨清理与振动研磨清理技术工艺状态的对比显示了带有独特设计运动性的拖动研磨清理的潜力。

  根据上述的修复工艺,多用机器人单元使得研磨清理得到广泛应用。不同尺寸和形状的部件可以使用一种设置。特别是复杂部件的去毛刺效果很好,因为它通常仍然是一种手动工艺。在柏林生产技术中心,研磨清理领域的基本研究仍集中在理解基本的材料去除工艺及开发数值和实验模型上。在研磨清理领域,研究不仅集中于整体研磨清理和皮带研磨而且集中于使用磨料刷加工、磨料流加工、磨光和珩磨。基于通过研究获得的知识,,柏林生产技术中心的总目标是能够为广泛的应用,部件和材料设计独特的,灵活的和精确的工艺及加工系统。



联系人:Dipl.-Ing. Arne Dethlefs
Head of Finishing Technologies
Institute for Machine Tools and Factory Management
Technical University Berlin
电话:+49.30.314-22413
邮箱:dethlefs@iwf.tu-berlin.de
 
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