机器人打磨碳纤维复合材料工艺研究肖龙锦

机器人打磨碳纤维复合材料工艺研究肖龙锦

肖龙锦

佛山隆深机器人有限公司广东省佛山市528300

摘要：碳纤维复合材料(CFＲP)作为目前最先进的复合材料之一，以其密度小、比强度和比模量高等优异的特性被广泛应用于航空航天、交通、建筑、电器等领域。碳纤维复合材料所具有的诸多优异特性使它已经成为一种不可或缺，同时又不可多得的多功能特种工程材料。碳纤维复合材料由于其优越的性能正被广泛应用于工业领域，为提高打磨该材料的表面质量及改善打磨环境，在工业机器人基础上开发一自动打磨系统并对打磨工艺进行研究。基于被动柔顺装置(PushcorpAFD71)设计机器人打磨末端执行器，相较于传统打磨工具，它具有恒力输出、力控制稳定简单、响应快等优点。基于此，本文主要对机器人打磨碳纤维复合材料工艺进行分析探讨。

关键词：机器人打磨；碳纤维复合材料；工艺研究

1、自动打磨系统

自动打磨系统建立在6轴KUKA工业机器人之上，并在机械臂末端装备被动柔顺装置，实现打磨系统的恒力控制及自动磨削，该方式下的打磨系统特点如图1所示。

1.1硬件设置

1.1.1末端执行器集成

对于带有力控制系统的末端执行器集成，主要是基于PushcorpAFD71，该设备利用控制接入的压缩空气的气压大小来控制输出的力的大小，通过保持压力的恒定，达到输出力的恒定，该方式具有柔性控制、响应快及控制简单的特点。输出力与气压的关系如下公式所示，其中，Fo单位为N，Ps单位为MPa。

Fo=44.5Ps。

气动马达作为一种将压缩空气的压力能转换成旋转的机械能的装置，它具有结构简单、安全防爆;高适应性、温升较小;小体积能够产生高功率;启动扭矩大等特点。基于以上气动马达的优点及打磨复合材料时粉尘较多且需要水冷等特点，选择气动马达作为动力执行器。选择的气动马达(英格索兰4800D)额定功率为2.83kW，最大转速为9850r/min，额定转速为5250r/min，重6.92kg，转速随通入的压缩空气压力的增大而增加。

在机器人打磨系统中，一般选择柔软的打磨工具及游离磨料来补偿由于机器人路径偏差产生的波动。因此，选用橡胶磨轮加植绒砂纸的组合的方式合成打磨头。

1.1.2气路设计

末端执行器的柔顺恒力控制器和气动马达需要不一样的气压值且压缩空气的要求也不相同，所以对气路的规划十分必要。气路主要分两路，一路通过调压阀接通油雾器，在气压马达运转的同时给油润滑;另一路压缩空气通往恒力控制器，通过油雾分离器去除油雾，再利用高频比例调压阀控制气压，对压力输出高频检测、高频自动调节，控制进入恒力控制器的压缩空气的压力大小，从而实现恒力控制器的不同恒力输出。

1.2自动打磨系统的控制模式

磨削工艺过程需要机器人较好地贴合待加工表面运动，运动过程中，对待加工表面施加常量的外力，垂直于表面方向为力控制，其他方向为位置控制，使接触区域均匀扫过被打磨抛光表面的外轮廓，实现各处均匀的打磨。图2显示的是机器人程序的位置控制模式和力控制模式。其中，位置控制模式包括移动到P1点、移动到P2点、开启气压马达、移动到P3点、移动到P4点，关闭气压马达;力控制模式包括移动到P1点、开启恒力控制并以垂直工件表面的方式到达P2点、保持恒力移动到P3点、关闭恒力控制并移动到P4点。

图2

2、打磨参数确认及实验

在机器人打磨过程中，为了使打磨过程更加平顺，主轴轴线方向和工件表面法方向上的夹角θ宜设置为5°～15°，故取倾角θ值为(5°，10°，15°);参考气动马达额定转速及复合材料本身特性，主轴转速取值不宜过高，主轴转速n取(3000r/min，3500r/min，4000r/min);根据复合材料的材料特性及参考以往研究，机器人移动速度取(20mm/s，30mm/s，40mm/s);PushcorpAFD71输出的力，即正压力取(5N，10N，15N);结合复合材料打磨喷涂工艺，需对表面进行粗磨、半精磨和精磨处理，故砂纸粒度选取(320目，600目，1000目)，打磨过程示意如图5所示。

通过以上分析，根据实验要求和现有的实际条件，选取主轴转速、机器人移动速度、打磨正压力、倾斜角和砂纸粒度作为实验的五个因素，分别用A、B、C、D和E表示，并且每个因素都取三个水平。实验方案及结果采用正交表记录，详见表1。表面粗糙度值和去除高度偏差均采用激光共聚焦显微镜(基恩士VKX_100)测量(下同)。

表1

3、实验结果与分析

3.1正交因素分析

根据正交表格分析，计算的极差结果列于表1，从表1可以看出E因子的极差Ｒ最大，为0.82，所以影响表面粗糙度的最主要因素是砂纸粒度，其次是倾角，主轴转速，正压力，影响最小的是移动速度。而且可以看出各因素最优水平为:A3(3000r/min)，B1(20mm/s)，C1(5N)，D1(5°)，E3(1000目)。

3.2单因素分析

通过单因素实验研究主轴转速、机器人移动速度等对碳纤维复合材料打磨加工的影响规律。实验中，控制单一变量，在进行某个因素的单因素实验时，保证其他因素在最佳水平。

3．2．1主轴转速对表面粗糙度的影响

在实验过程中，分别在主轴转速为3000r/min、3500r/min和4000r/min等3个水平下对碳纤维复合材料进行打磨。同时，保证砂纸粒度为

1000目;打磨正压力为5N;机器人的移动速度为20mm/s、30mm/s、40mm/s。取两点粗糙度的平均值作为表面加工部位的粗糙度值，在相同的机器人移动速度、打磨正压力、倾角、砂纸粒度以及不同的主轴转速的情况下，表面粗糙度值随着主轴转速的增大而减小。同时也发现粗糙度减小的幅度不一。

3．2．2机器人移动速度对表面粗糙度的影响

在实验过程中，分别在机器人的移动速度为20mm/s、30mm/s、40mm/s等3个水平下对碳纤维复合材料进行打磨。同时，保证砂纸粒度为1000目;打磨正压力为5N;主轴转速为3000r/min、3500r/min和4000r/min。取两点粗糙度的平均值作为表面加工部位的粗糙度值。在同样的主轴转速、打磨正压力、倾角、砂纸粒度以及不同的机器人移动速度的情况下，复合材料的表面粗糙度随着机器人移动速度的提高而增加，在20mm/s及30mm/s的移动速度下，主轴转速为3500r/min和4000r/min时的粗糙度值很接近，说明再增大主轴转速对粗糙度的影响比较小。

3．2．3倾角对表面粗糙度的影响

在实验过程中，分别在打磨头的倾角为5°、10°和15°等3个条件下对碳纤维复合材料进行打磨。同时，保证主轴转速为4000r/min，机器人移动速度为20mm/s;打磨正压力为5N、10N、和15N。取两点粗糙度的平均值作为加工部位的粗糙度值。表面粗糙度的值随着倾角的增加而增加，而且表面粗糙度上升幅度大致相等，说明末端倾角对工件表面粗糙度的影响大致成线性关系。

3．2．4正压力对表面粗糙度的影响

在实验过程中，分别在打磨正压力为5N、10N、和15N等3个条件下对碳纤维复合材料进行打磨。同时，保证主轴转速为4000r/min，机器人移动速度为20mm/s;打磨头的倾角为5°、10°和15°。取两点粗糙度的平均值作为表面加工部位的粗糙度值。表面粗糙度的值随着正压力的增加而增加，在倾角为5°时，不同正压力条件下的表面粗糙度值相差不大，说明在该条件下，只要保持正压力恒定，Ｒa就会比较小。

4、结语

提出一种基于PushcorpAFD71研发的机器人自动打磨系统，重点研究了机器人自动打磨系统的集成，并且通过正交实验和单因素实验确定主轴转速、机器人移动速度、打磨正压力、倾角和砂纸粒度等五个因素对打磨碳纤维复合材料的表面质量影响，进而研究其打磨工艺参数。最后通过碳纤维复合材料顶盖横梁的打磨应用验证该机器人自动打磨系统的实用性和优越性。

参考文献：

［1］杜善义．先进复合材料与航空航天［J］．复合材料学报，2007(1):1-12．

［2］王玲．纤维复合材料的高频物性及其应用研究［D］．南京:南京大学，2012