拋光打磨是提高壓鑄件表面質(zhì)量最重要的一道工序。針對(duì)工藝復(fù)雜的壓鑄件打磨問(wèn)題，采用雙機(jī)器人從工件兩側(cè)進(jìn)行協(xié)同打磨，可大大提高機(jī)器人打磨效率。

    目前中小企業(yè)大部分仍然采用人工打磨的方式，對(duì)工人的身心健康損害極大，少部分采用工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器夾持工件的打磨方式，但此種方式只適用于中小型壓鑄件。同時(shí)，由于目前大部分針對(duì)打磨力的計(jì)算基于經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算結(jié)果較粗糙。由于采用的刀具刀齒形狀與銑刀類似，即等效于對(duì)銑削力的研究。眾多學(xué)者進(jìn)行了銑削力的計(jì)算及建模的大量研究工作，建立了螺旋立銑刀基于前刀面摩擦力與法向力的銑削力模型，但是切削力不僅作用在刀具前刀面，而是由刀具和工件相互作用產(chǎn)生的，因此該模型有局限性。

    本文針對(duì)復(fù)雜壓鑄件的打磨問(wèn)題，采用由工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器夾持打磨工具的打磨方式，并且雙機(jī)器人協(xié)同打磨，能夠于工件兩側(cè)同時(shí)打磨壓鑄件，打磨自動(dòng)化程度更高，大大提高了打磨效率。本方案基于微元法建立了打磨力數(shù)學(xué)模型，利用Matlab得到了打磨過(guò)程的最大切削力，運(yùn)用ANSYS對(duì)夾具與工件的裝配體的薄弱部分進(jìn)行靜力學(xué)分析，可知最大等效應(yīng)力未超過(guò)材料許用應(yīng)力值的39%，同時(shí)，通過(guò)模態(tài)分析得到前6階振型和固有頻率，最高頻率413.61Hz小于激振頻率的1/4，在打磨激振力作用于夾具工件系統(tǒng)時(shí)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象,可知該方案具有一定的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)系統(tǒng)還采用了基于微元切削原理計(jì)算打磨力，分析了在雙機(jī)器人協(xié)同打磨工作過(guò)程中，壓鑄件與所設(shè)計(jì)的專用夾具裝配體在打磨作業(yè)產(chǎn)生的打磨力作用下的應(yīng)力與變形情況。

結(jié)構(gòu)與原理

    研究中采取的方案是機(jī)器人抓取打磨工具的打磨方式。在工件的兩側(cè)分布兩臺(tái)機(jī)器人，兩臺(tái)機(jī)器人于工件兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行打磨。研究中的打磨工藝布局方案設(shè)計(jì)如圖1所示，打磨工作臺(tái)上固定有專用夾具用于夾緊壓鑄件，工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器連接打磨工具，預(yù)先對(duì)機(jī)器人軌跡記錄及IO信號(hào)設(shè)置，調(diào)試完成兩機(jī)器人之間的配合。操作人員將毛坯件裝夾后，兩機(jī)器人按照示教路徑協(xié)同打磨，完成打磨后操作人員把已打磨好的工件取下，然后裝上另一毛坯。每個(gè)工作臺(tái)上的工裝只需轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄即可完成對(duì)毛坯件的裝夾。機(jī)器人在工件兩側(cè)協(xié)同打磨壓鑄件，使得打磨工作能夠有序高效地進(jìn)行，充分利用機(jī)器人手臂能夠到達(dá)的工作空間，顯著提高了打磨效率。

圖1  雙機(jī)器人協(xié)同打磨平臺(tái)

打磨力數(shù)學(xué)建模

    研究中打磨力的計(jì)算是基于微元切削原理的銑削力模型，銑削加工的機(jī)械模型一般采用Y.Altintas推導(dǎo)的切削力模型，將螺旋切削刃沿著螺旋線切分為有限個(gè)微元，在某一時(shí)刻作用在單個(gè)切削刃上的總切削力是由此切削刃上各個(gè)微元的數(shù)值積分得到。圓柱螺旋銑刀的銑削模型和受力示意圖如圖2所示，以銑刀中心線為z軸，銑刀端面為xy平面，端面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)右手定則建立銑刀坐標(biāo)系。沿銑刀軸線將每個(gè)切削刃分為有限個(gè)切削刃微元。β是螺旋角，ψ是滯后角。

    由Altintas的動(dòng)態(tài)銑削力模型，將作用在第j個(gè)切削刃上厚度為dz的切向、徑向和軸向切削力微元分別表示為：

    將參與切削的切削刃切削力求和，可得整個(gè)刀具在同一時(shí)刻同一軸向切深處的切削力，最后得出各個(gè)方向切削合力與轉(zhuǎn)速和軸向切深的關(guān)系如圖3所示。

圖3 各軸向切削合力圖

    經(jīng)以上分析計(jì)算，得出切削力在轉(zhuǎn)速10000rpm,在軸向切深為10mm時(shí)最大，結(jié)合打磨實(shí)際切削深度為1mm，此時(shí)刀具對(duì)工件的各個(gè)方向切削力的大小分別為Fx=-49.019N，F(xiàn)y=274.5N，F(xiàn)z=44.44N，接下來(lái)分析工件的應(yīng)力與變形情況在此切削力最大值時(shí)能否滿足生產(chǎn)要求。

仿真分析

    針對(duì)研究中設(shè)計(jì)的適用于雙機(jī)器人協(xié)同打磨的復(fù)雜鑄件的專用夾具與鑄件的裝配體進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，步驟如下：

    （1）創(chuàng)建如圖4為夾具工件系統(tǒng)的有限元模型。

    （2）設(shè)定參數(shù)：網(wǎng)格劃分方法圓柱銷與工件接觸部位采用FaceMeshing，其余部位采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，如表2為材料參數(shù)的設(shè)定。

表2材料參數(shù)

    （3）施加約束與載荷：夾具體與工件之間的接觸關(guān)系如下表3，摩擦系數(shù)根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》常用材料的摩擦因數(shù)表選取為0.2，圓柱銷1、2、3、4與工件6間接觸關(guān)系為frictional，與圓弧夾緊板5之間接觸關(guān)系為bonded，夾具體8與圓柱銷和圓弧加緊板之間解除關(guān)系為bonded。

    夾具體底部固定，三組力分別施加在工件在實(shí)際加工過(guò)程中比較薄弱的地方，第1組作用點(diǎn)在B、E，第2組作用點(diǎn)在A、E，第3組作用點(diǎn)在C、D。由于雙機(jī)器人協(xié)同打磨，所以每次載荷同時(shí)施加工件的兩個(gè)薄弱地方，如圖4。

圓柱銷-1、2、3、4，圓弧夾緊板-5，工件-6，夾具體-7、8

圖4有限元模型載荷與約束位置

    （4）分析求解：下圖5為第三組力施加后的變形量與應(yīng)力值云圖，三組約束載荷作用后的分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4。

圖5工件應(yīng)力與變形云圖

表3結(jié)果統(tǒng)計(jì)

    如表3所示，第一組載荷作用后，最大等效應(yīng)力發(fā)生在工件右下橫梁處且值為84.475Mpa，變形最大的地方發(fā)生在圓柱銷2與工件連接的位置且值為0.10392mm；第二組載荷作用后，最大等效應(yīng)力發(fā)生在工件的一個(gè)伸出耳處且值為90.306Mpa，變形最大的地方發(fā)生在工件左上橫梁處且值為0.10048mm；第三組載荷作用后，最大等效應(yīng)力發(fā)生在工件C凸起處且值為117.81Mpa，變形最大的地方發(fā)生在工件C處圓環(huán)內(nèi)側(cè)且值為0.05461mm。

    根據(jù)工件材料的許用應(yīng)力值要求，打磨過(guò)程中刀具產(chǎn)生的打磨力施加在工件上后，工件與夾具的裝配體的最大等效應(yīng)力不能超過(guò)295Mpa，三組結(jié)果均在許用應(yīng)力的范圍內(nèi)，且最大等效應(yīng)力為許用應(yīng)力的39%，滿足生產(chǎn)要求。

模態(tài)分析

    模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性，模態(tài)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性包括固有頻率和振型。模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種近代方法。

    研究中進(jìn)行模態(tài)分析的前處理（有限元模型、材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分、接觸與約束）與前面靜力學(xué)分析一致。本部分對(duì)夾具工件系統(tǒng)進(jìn)行的模態(tài)分析結(jié)果，提取前6階的振動(dòng)模態(tài)數(shù)據(jù)。

    由于影響加工動(dòng)態(tài)特性的主要因素是較低階的固有頻率和響應(yīng)的振型，所以研究前幾階的固有頻率和振型能滿足分析的需要。由ANSYSWorkbenchModel分析模塊求解得到的夾具工件系統(tǒng)的固有頻率如下表4。

表4夾具工件系統(tǒng)模態(tài)頻率

    在前6階變形云圖中第2階固有頻率的影響最為明顯，第2階振型是工件繞X軸與Y軸扭轉(zhuǎn)且右下橫梁處變形較大。由于在打磨過(guò)程開(kāi)始前，打磨工具已啟動(dòng)轉(zhuǎn)速保持在10000rpm左右，作用在工件上的激振頻率近1840Hz，此夾具工件系統(tǒng)各階固有頻率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于激振頻率，此系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生共振。

結(jié)論

    針對(duì)工藝復(fù)雜的壓鑄件的打磨局限性，采用雙機(jī)器人協(xié)同打磨的工作方式，建立動(dòng)態(tài)打磨力模型，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)夾具與工件的裝配體施加打磨力載荷并求解，在工件薄弱部位施加打磨力載荷后，所得工件與夾具上的應(yīng)力最大值未超過(guò)材料的許用應(yīng)力值的39%，表明所設(shè)計(jì)的夾具滿足要求，同時(shí)，對(duì)夾具工件系統(tǒng)模態(tài)分析得出前6階的固有頻率和振型，最高頻率413.61Hz小于激振頻率的1/4，顯然在打磨激振力作用于夾具工件系統(tǒng)上不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，此設(shè)計(jì)具有一定的穩(wěn)定性。這在自動(dòng)化生產(chǎn)中提高零件的加工質(zhì)量和效率具有一定的意義。