埃夫特机器人在打磨抛光领域的应用 埃夫特机器人在打磨抛光领域的应用
李先亮 何志新
（安徽埃夫特智能装备有限公司，安徽芜湖，241009）
摘 要
本文介绍打磨抛光机器人用于替代传统人工进行工件的打磨抛光工作，主要用于工件的表面打磨、棱角去毛刺、焊缝打磨、内腔内孔去毛刺、孔口螺纹口加工等工作，可应用于卫浴五金行业、IT行业、汽车零部件、工业零件、医疗器械、木材建材家具制造、民用产品等行业。其主要优点：提高打磨质量和产品光洁度，保证其一致性；提高生产率，一天可24小时连续生产；改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作；降低对工人操作技术的要求；缩短产品改型换代的周期，减少相应的投资设备；可再开发性，用户可根据不同样件进行二次编程；具有可长期进行打磨作业、保证产品的高生产率、高质量和高稳定性等特点。
关键词：机器人，打磨抛光，生产率，稳定性
0 引言
在一些传统制造行业，抛光打磨是最基础的一道工序，但是其成本占到总成本的30%。目前社会劳动力成本越来越高，这种不需要文化要求的岗位，其薪酬相对过去越来越高，有的甚至月薪超过1万元。以卫浴行业为例，同样的岗位，如果使用抛光打磨机器人，三年可回收成本，而且产品品质更好，抛光打磨颜色更均匀。因此，随着人口红利的消失、产品成本降低和产品质量提高等因素的要求，打磨抛光机器人的市场前景一片光明。
虽然在打磨抛光领域使用机器人有很多优点，但是在实际应用中仍然有一定的难度。机器人的稳定性，外围设备是否满足机器人的生产要求，现场工艺等都会影响最终生产出来的产品质量。对此，安徽埃夫特智能装备有限公司（以下简称埃夫特）设计出一台适用于卫浴行业的柔性打磨机器人，填补了国内同类工业机器人空白。该机器人在市场上的成功应用，也标志着埃夫特公司在打磨抛光领域成功地迈出了第一步。
图1 工业机器人安装量
图2 工业机器人保有量
1 打磨抛光机器人需求现状
各类权威数据表明，我国工业机器人的需求量以每年35%-45%的速度增长，具体销售量2013年为36560台，2014年为57096台，2015年为66000台，预计今年的安装量会突破70000台。其中，据不完全统计，打磨抛光机器人占比大概在15%左右，计10500台。
在打磨抛光机器人产品中，国外品牌大概占有70%的市场，计7350台，故国内打磨抛光机器人的市场占有量大致为3150台。如果埃夫特公司在3年内能占领10%的市场，则计年销售315台，每台打磨抛光机器人含配套设备以50万元计（针对不同产品打磨系统价格差距较大，以平均计算），公司仅打磨抛光机器人的销售额就能达到15750万元。如果毛利率达到30%，则打磨抛光机器人销售年毛利可达到4725万元。（仅供参考，部分数据来源于互联网）
从以上数据可以看出，打磨抛光市场很大，而且每年都在增长。当然，国外机器人在市场中目前占据绝对垄断地位，如果国内产品想要占据更多的市场份额，就要提升自己机器人的品质，这是一个长期的过程。
就行业分布和市场分布来看，国内机器人市场目前的潜在客户主要集中于东南沿海和工业经济发达的省份，如浙江省的宁波、黄岩、台州、温州、杭州；江苏省的昆山、苏州、无锡、常州、南京；广东省的佛山、东莞、开平、中山、珠海；山东省的济南、潍坊、青岛及上海、深圳、北京等地。卫浴、五金及零部件行业对机器人的需求量相对较大，具体潜在市场分布和行业分布见图3。
图3 打磨抛光机器人潜在市场分布和行业分布
2 Efort 打磨机器人
埃夫特公司的机器人有各种型号，其中常被用于打磨领域的产品有三种，分别是ER3-C60，ER20-C10，ER50-C20。如图4所示。
图4 ER50-C20，ER20-C10，ER3-C60实物图（从左往右）
表1 机器人参数
产品型号轴数有效载荷/kg重复定位精度/mm周围温度/℃最大臂展/mm ER50-C20 6 50 ±0.15 0-45 2146 ER20-C1O 6 20 ±0.08 0-45 1722 ER3-C60 6 3 ±0.02 0-45 630
在这三种型号机器人当中，ER50-C20、ER20-C10是最先被应用于打磨抛光行业的，也是比较成熟的产品，被广泛应用于卫浴行业的角阀、五金打磨抛光。
ER3-C60机器人可用于小工件（3kg以下）的打磨及抛光。
抛光打磨市场很大，其中五金锻件打磨抛光市场相对成熟，所以，遵循市场规律，埃夫特打磨机器人最先被应用的领域便是卫浴行业的五金打磨。经过市场磨砺和检验，埃夫特在积累了宝贵经验的同时，也取得了一定的成绩，获得了甲方的高度认可，为进一步提高质量、拓宽市场打下了坚实的基础。
3 打磨抛光工艺分析
机器人打磨抛光在本质上是在模仿人手打磨抛光，所以仅仅有机器人是远远不够的，其现场工艺往往决定了最后生产出的产品质量。因此，设计人员对现场打磨抛光工艺的熟知非常重要。
埃夫特公司通过几个打磨抛光项目的实施，在各个方面验证了打磨抛光工艺的重要性。具体情况如下（以小角阀为例）。
打磨对砂带的要求很高，且粗细比（砂带型号）搭配要合理，一般是按由粗到细的顺序。在生产中根据实际情况来配置一套打磨机中砂带的条数，一般为2到4根；抛光时，抛光轮的选取同样重要，尤其是抛光轮的消耗问题，通常使用麻轮进行粗抛，使用布轮进行精抛。就小角阀而言，打磨时需要4根砂带，其中四大面分别进行粗磨，中磨和精磨；四小面进行中磨和精磨；脖子部分只进行中磨作业，然后所有部分进行粗抛和精抛作业。整体要求表面无碰伤、刮伤、裂痕、夹伤、波浪皱纹等。
表2 砂带的具体参数（以小角阀为例）
用途粗磨中磨精磨砂带型号60#，80# 120#，180#，240# 400#，600#，800#
各个待打磨抛光工件都需要用夹具与机器人相连接，且被固定于上件台上，所以选取适当的夹具很重要。夹具既要满足打磨抛光的强度要求，又要满足机器人运动的要求，不能出现大的干涉。以小角阀为例，夹具须与小角阀口径匹配，且机器人配合夹具在上件台上取件时，要尽量避免触碰，所以夹具的设计应尽量简单。
打磨机的使用需要用到若干动力轮，就打磨小角阀而言，需要四个动力轮，分别为主动轮、张紧轮、惰轮和接触轮。因为打磨作业基本上是在接触轮上完成，所以接触轮的选材很重要，既要考虑消耗问题，又要考虑硬度要求。通常，接触轮的消耗量很小，应该考虑砂带的消耗量。
抛光机的使用需要与工业蜡配合，且所选取的抛光轮需要满足抛光机的动平衡。当机器人夹取工件进行抛光作业时，需要满足工件的抛光要求，不能出现大的干涉。就小角阀而言，一般抛光进行一次，就要使用一次蜡。
打磨抛光时，机器人先夹取工件，再在打磨机、抛光机上进行打磨抛光，所以打磨机、抛光机的稳定性至关重要。稳定性包括：动平衡，干涉情况，砂带是否跑偏等。打磨机、抛光机要留有较大的空间以满足机器人的运动要求。根据实际生产要求，有时需加延时系统。
打磨抛光是一个系统工程，要求把机器人、打磨机、抛光机以及配套的自动化装备作为一个有机的整体，且待生产的工件的一致性较好，只有这些要求全部达到才能生产出合格的产品。任何一个环节没有达到要求，都会使生产出的产品不合格，而且通常甲方对产品的要求都很高，不允许出现大批量的残次品。
现场打磨抛光时，首先考虑的是打磨机和抛光机的设计，其次是夹具的设计，接着是上件台的设计。这些设计都要注意干涉和稳定性问题。从机器人在上件台上夹取工件开始，到机器人夹取工件在打磨机、抛光机上进行打磨抛光，分别进行粗磨、中磨、精磨、粗抛、精抛等，再到机器人将工件放在上件台上结束，整个过程需连贯统一。
图5 现场设备图
4 现场调试测试情况
上述项目主要调试的是小角阀打磨抛光，难度较大，所以具有一定的示范性。下面是一些现场具体调试测试情况。
此项目在启动之后，由于对工艺流程的了解，进展较顺利。然而甲方所生产的每批次件的一致性较差，给乙方生产调试带来了诸多困难。因为机器人打磨精度要求很高，任何微小的误差都可能造成产品不合格，通过埃夫特机器人重复编程、离线编程等功能，最终解决了各个问题。此外，因为一开始就考虑了耗材的问题，所以对于材料的使用一直都很顺利。
因为项目启动前进行了仿真操作，所以现场操作未出现干涉情况，经过一段时间的验证与思考，笔者发现仿真和实际情况还是有一定的差距。所以，设备在设计时应更多地考虑仿真与实际的差别，更多地考虑细节。
抛光补偿问题一直以来都是很有难度的，这次在现场笔者进行了尝试，采用机器人补偿，尝试用机器人世界坐标系进行补偿，初步效果不错，所以后期准备详细机器人补偿方案，备案伺服补偿方式，且一切以甲方要求为准。
该套打磨设备采用了4条不同型号的砂带，用的是埃夫特柔性打磨机器人。首先进行小角阀粗磨加工，使用60或80号砂去掉表面的粗糙面和坑洼；再用180或240号砂带进行中磨，把表面磨细和修整外形轮廓；接下来用320或400号砂带进行三次磨削，使表面趋于较理想外观，线条清晰、结构匀称；紧接用600或800号砂带进行精加工，使表面达到理想外观轮廓，光洁无瘕庇，并已定型为真实外观实体；最后进行布伦抛光（加腊）使表面光滑明亮，各线条更流畅顺滑。就现场观察来看，打磨效果很好，机器精度和运动控制都很到位。
图6 角阀打磨抛光效果图
此次现场调试的小角阀很具有代表性，在业内也算难度比较大的，所取得的成绩不容易，未来还要形成标准化，规模化的生产模式，对电气调试、机械设计人员要求更加严格。
该项目尽管在调试及试生产过程中遇到了一些困难，不过由于对打磨抛光工艺较了解，最终的结果得到客户高度肯定。
5 成本分析
根据现场所了解的情况，下面简单做一下用户成本收益分析。
以小角阀打磨抛光为例，广东地区打磨抛光工人月工资8000-11000不等，计每人每月10000元左右。分日班和夜班，12小时制，每班2人。
一台国产打磨抛光机器人，加上打磨系统、夹具、打磨抛光设备、配套设备、安装调试维护保养等费用计100万元以内。
一台打磨机器人24小时不间断作业可以替代2班，每班2人，等于实际替代4名打磨抛光工人作业，考虑机器人效率比人工慢，一台机器人实际代替3人。
3名工人的年工资：
10000×3×12=360000
即36万元，而采用机器人除了购置成本，再考虑每年的设备保养费用，固用打磨抛光机器人替换传统人工仅需3年左右就可收回成本。（粗略估计）
6 总结
机器人在打磨抛光领域的应用，在国内目前还处于萌芽状态，有小部分企业表示愿意尝试使用机器人代替传统人工进行打磨抛光作业。笔者分析认为：珠三角地区多为中小型民营企业，这些民营企业家都有开拓进取的精神，而现代科技制造与新工艺、新技术、新工具的使用和革新与公司领导人的思维和远见有密不可分的关系，他们正是新技术的实践者。
用机器人打磨调试现阶段还存在一些问题，但是使用机器人打磨抛光是一个趋势。企业只有顺应趋势，才能在未来的打磨抛光市场占据有利的位置。而埃夫特机器人正是站在这样的高度上，依托柔性打磨机器人平台，为企业用户提供了一个新的工作平台，进而也为自己拓宽和发展了机器人打磨抛光市场。
参考文献
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［4］（美）克来格（Craig J.J）.机器人学导论.机械工业出版社.2006.
［5］打磨机器人调研报.http：//wenku.baidu.com/link？url= GvCspOQoYep_8i01HVbZGGrsoX6GWfRP0fSP1up0fd0ESYO6E4Z_RJWCkC_wHwKYJwGm4W - xCCBH_nGl3pCjC2hY--bmNyX-I1lBhq3o9tO