工业机器人的砂芯冒口结构设计

摘要

　　根据型芯模具厂生产现场的实际调研和型芯生产的典型工艺分析，生产铸造气缸体曲轴箱用的砂芯可分为型芯成型和冒口处理两大部分。从铸模机上取出压 铸成型的砂芯表面上有冒口，需要对冒口进行打磨处理。由于砂芯打磨处理的工作区域与砂芯成型工作区相连，注芯机在压铸型芯过程中会使现场温度较高；而在对砂芯的冒口开始打磨时，切削下来的沙尘充斥着周围环境中，这种条件下工人连续的作业会对自身健康造成很大的威胁，所以工厂寻求自动化加工方案改善现状。

　　针对此工况，课题设计的一种以工业机器人代替工人进行加工的自动化处理系统，解决工人连续枯燥的体力劳动消耗，减少周围环境对人体的不良隐患，实 现砂芯的无人化加工、物流输送、管理和实时上传生产数据，对工厂的自动化生产管理，生产信息整合提供技术方案。

　　以分析打磨工艺并设计自动化打磨系统方案为基础，通过对比选取合适的自动化系统并进行整套加工系统工作流程的设计与完善；根据夹件的形状特性，对夹持砂芯的夹具进行结构设计与计算，对加工区域、加工工艺划分及加工路径规划进行了研究分析；然后在选取某型号机器人基础上，对整套系统中关键的工作设备进行结构设计，最终建立整套自动化工作站模型；以 D-H 连杆公式为基础，在给定的机器人各关节扭转角、关节角、连杆长度和偏移距离下创建连杆之间的坐标联系，对机器人的正逆运动学方程进行推导和求解；应用坐标的齐次变换、轨迹的插值规划等方面知识，通过在 MATLAB 机器人工具箱环境中规划仿真了几种机器人末端执行器的运动轨迹；最后利用 Robot Art 软件，仿真加工路径，观察是否有干涉，后置生成该加工轨迹的机器人驱动程序。

　　关键词：工业机器人，砂芯，结构设计，轨迹规划，离线仿真

Abstract

　　According to the actual investigation on the production site of the core mould factory and the typical process analysis of the core production, the sand cores used for producing the crankcase of the casting cylinder block can be pided into two parts: core forming and riser treatment. There is a riser on the surface of the sand core formed by die casting from the die casting machine, which needs to be polished. Because the working area of sand core grinding treatment is connected with the working area of sand core moulding, the core injection machine will make the field temperature higher in the process of die casting core; and when the riser of sand core begins to grind, the sand and dust cut out is full of the surrounding environment, under this condition, the continuous operation of workers will pose a great threat to their health. So the factory seeks automated processing solutions to improve the status quo.

　　In view of this working condition, an automatic processing system is designed to replace workers with industrial robots to solve the continuous and boring physical labor consumption of workers, reduce the harmful hidden dangers of the surrounding environment to the human body, realize the unmanned processing of sand cores, logistics transmission, management and real-time uploading of production data, and provide technology for automated production management of factories and integration of production information.

　　Based on the analysis of the grinding process and the design of the automatic grinding system scheme, the proper automation system is selected and the work flow of the whole machining system is designed and perfected, and according to the shape characteristics of the clamp, the structure design and calculation of the clamp with the sand core are carried out, and the machining area and The process Division and Machining path planning are studied and analyzed, and then on the basis of selecting a certain type of robot, the key working equipment in the whole system is designed, and the whole set of automatic workstation model is finally established, and the coordinate relation of each connecting rod is established under the given robot parameters on the basis of the D-H connecting rod formula. The forward and reverse kinematics equations of the robot are deduced and solved, the motion trajectory of several robot end actuators is planned and simulated in MATLAB Robotics Toolbox environment by using the knowledge of homogeneous transformation of coordinates and interpolation planning of trajectory. Finally, the robot program is generated by using Robot Art software to simulate the machining path and observe whether there is interference.

　　Key Words: Industrialrobot, Sand core, Structural design, Trajectory planning, Offline simulation

目录

　　第 1 章 绪论

　　1.1 研究的背景及意义

　　铸造而成的工件表面不可避免会存在毛刺与杂物，为去除铸件表面不平整的部分，改善表面的粗糙度至工艺要求标准，那么打磨是必不可少的一道加工工序。

　　打磨不但能加工一般金属工件表面，在处理其他非金属材质的工件、合成塑料制品时都可以做不同程度的打磨或者抛光处理。常用的打磨方式有砂轮打磨、数控机床打磨、砂带打磨，人工砂纸打磨等等，其中砂带打磨方式的打磨质量与工作效率较高且总体成本较低，所以砂带打磨的方式在是目前打磨处理中主要采用的打磨方式。

　　砂带打磨目前主要存在三种形式：手工打磨，多轴联动机床打磨与机器人打磨[1].在手工手动打磨条件下，工件的加工质量受人为因素的影响较大，比较依赖现场工人的技术与经验，当生产一些表面精度要求较高的零件时，或加工的工件具有复杂的形状[2],人工打磨耗时就会大大增加，同时工件的报废率也会随着增加，另一方面，打磨现场的工作环境一般噪音较大，打磨下来的粉尘较多，长时间处于加工环境中会影响现场工人的身体健康。

　　多轴联动机床打磨主要依据的是数控机床的工作原理，通过控制旋转的打磨工具以寻找合适的姿态对铸件待加工区域表面毛刺、飞边或冒口进行打磨抛光作业，在一批零件的量产情况下应用广泛。机床打磨中对零件加工配备的刀具数量固定且无法根据不同的零件进行自动更换，主要以打磨具有见到轮廓的铸件的外部轮廓为主。此外，打磨机床普遍采用大盘径磨轮，针对大平面、外轮廓外表面上毛刺去除效果明显，针对内腔及复杂轮廓的加工效率较低。对比以上两种打磨加工方式，采用机器人打磨方式的优点就显示出来：姿态灵活，可调动性强，适应多种加工情况及工作环境，工作效率较高。

　　由于中国的制造业和机器人技术起步较晚，在工业机器人的生产和制造方面都远远落后于欧美发达国家，导致在中国市场上还存在着大量的以人工打磨抛光为主的加工车间[3].如图 1.1 所示为手工现场打磨抛光图。目前我国许多企业对生产的铸件、塑料件和钢制品等材质工件，主要是工人手持打磨工具进行铸件的打磨处理，手持式的打磨抛光方式产生的振动和噪声也会对操作人员带来不可估量的伤害，而且手工打磨抛光过程中会产生大量的火花和粉尘，给操作人员的健康造成威胁。

　　在实际的实型铸造芯模制造厂内，如图 1.2 中图（a）、图（b）所示，铸模机成型后的砂芯由操作工人手动进行打磨处理，由于工作现场的注芯机持续作业导致工作环境的温度高，打磨砂芯产生的沙尘无法处理，工人连续作业的劳动强度高，久而久之对工人健康造成危害，所以现场急需对目前的工作方式进行技术改进。另外当前的生产工作主要由各个单台设备分别来完成，各自为政，没有形成统一的生产体系，零件的运输、管理工作滞后，生产信息不明朗，不利于生产的统一管理和调度。由于每天的产量较大，为对这些砂芯进行打磨及传递，现寻找一种自动化解决方案。

　　本课题设计一种基于工业机器人的砂芯自动打磨处理系统。研究意义在于：

　　（1）将工人从现场恶劣的环境中解放出来，避免了工人长时间打磨作业，减少沙尘、噪音对人体的危害；

　　（2）从抓取到打磨再到运输的整个加工时间根据砂芯种类以及运动轨迹决定，保证单个砂芯的打磨在两到三分钟之内，就可以充分利用注芯机压铸下一组砂芯的周期时间提高生产效率；

　　（3）在利用率为普通的情况下，该设备的回报周期为三年，该设备的经济效益建立在不断提升的生产力基础上，其他重要的经济因素还有：人工费用降低，机器人和它的外部设备利用率达到大约 98%;

　　（4）通过离线软件编程打工路径及仿真优化，可在打磨搬运中可实现对工件更好的控制，并达到高效工作的目的。

　　根据当前生产的实际情况，可以构建整套的自动化加工与物流系统如图 1.3,实现单台设备的无人化生产和多台设备的统一控制、物流输送、管理，实时上传生产数据，为企业生产、经营、管理提供信息支持。

　　1.2 国内外砂带产品材质研究现状

　　近年来对于工件的打磨加工需求与日俱增，磨削领域的发展获得极大的上升空间，各行各业都随处可见磨削加工的身影，而机械行业的表现更是独占鳌头。

　　同等条件和环境下，砂带磨削的加工效率几乎超过了常规的车、铣、刨、磨等工艺。加工后的成品抛光精度以及打磨后的粗糙度也非常出色，可以与同类型的砂轮加工方式媲美，此外砂带打磨机构整体构造简单，加工成本比铣削低。砂带磨削需求的加工空间是非固定的，可以选择工件接触砂带或者砂带机构运动磨削工件方式，比其它打磨方式有更大的灵活性。

　　欧美等工业发达国家自 20 世纪 60 年代就开展了砂带生产线的研制工作，最 终实现砂带自动化生产则可追溯到 20 世纪 70 年代。当时已开始采用静电植砂、水溶性树脂、固化后多向柔曲和搭接，对砂带进行了大规模的工业性生产。在砂带材料性能的研究中，SX Yuan,B Bi[4]以铝合金材料为研究对象，在砂带磨削加 工技术的基础上，对铝合金砂带磨削机理进行了深入的实验研究；J.J.Gagliardi[5]

　　研究了单层和多层碳化硅砂带磨削花岗石中，功率、磨削力与材料切除率之间的关系，并和柔性金刚石砂带作对比，结论是金刚石砂带切除率高，磨削力和磨削功率小，工件加工表面损伤小，磨削温度低。

　　到了 80 年代，一种具有划时代意义的磨料--陶瓷刚玉磨料，为重载强力和超长寿命砂带的制造奠定了基础。90 年代至今，随着人们对砂带品种和性能要求的不断提高，各类高档强力、精细和特殊形态的砂带先后被研制出来。国外砂带产品系列发展至今，砂带的材质如金刚石、锆刚玉、陶瓷磨料、复合磨料及堆积磨料砂带都已得到应用。国际上知名的砂带品牌有德国 Hermes、VSM、美 国 3M、韩国 DEE R、日本牛头等[6].美国 3M 公司以锆铝氧化物合成物作为磨料发明出了 Cubicut 砂带，磨削效果理想；德国研发出了具有多国专利的空心球复合磨粒，其制作的砂带使用寿命长，切削效率高，成本低[7].

　　随着我国工业发展和国外新技术引进以及砂带磨削技术和砂带制造技术的不断发展，对砂带的磨削技术研究不断提高。如北京市胶合板厂、上海印刷机械厂、沈阳市大理石厂以及沈阳市陶瓷分厂等单位对非金属材料进行砂带磨削试验都取得了较好的效果，我国机械行业也有了设计研究砂带磨床的专业队伍，沈阳市机电设计院于 1982 年设计的带锯连续抛光机和橡胶板砂带平面磨床已分别在上海与沈阳成功地用于生产。

　　当下国内生产技术不断更新，研究人员队伍逐步扩大，张磊，余维才等[8]研 究出 5 头无心外圆砂带磨床磨削 12Cr1MoVG 合金钢管的磨削工艺，发现表面材料去除量受磨削压力、砂带线速度、磨料种类及粒度影响较大。王维朗，潘复生[9]等对不锈钢材料磨削进行了研究，试验发现不锈钢加工表面的缺陷主要是磨削裂纹和磨削烧伤，其产生的关键原因是磨削热。在产品生产方面，国内目前有山东淄博环宇磨料有限公司、浙江黄岩三联特种抛光磨具有限公司等众多家涂附制品、研磨剂、胶粘剂等制造公司。

　　1.3 机器人-砂带联动打磨研究现状

　　工业机器人在目前生产线中可以实现联动柔性化生产，其具有的万能性和可编程控制性是最具有竞争优势的特点。尤其在加工不同批次工件中，可通过对机器人程序的更改重置完成对新产品的自动化加工。另外机器人的可持续工作及稳定的加工精度也是缩短生产周期提高生产效率的重要保障，对产品的加工质量的一致性也是其优势所在[10,11].发达国家早在上世纪就着手研究工业机器人与砂带的联动配合磨削抛光技术，瑞士机器人公司 ABB 首次将砂带磨抛机和关节工业机器人结合在一起应用在打磨行业，取得非常好的表面磨削效果，极大地提高了生产效率和企业自动化程度，也开启了工业机器人应用于打磨行业的发展序幕。

　　发展至今技术领先的机器人砂带打磨加工系统供应商有瑞典的 ABB 公司、西班牙的 MEPSA 公司、德国 KUKA 公司等。如图 1.4 所示的管道磨削系统，可对细长类圆形工件进行打磨抛光加工，可去除由于焊接、切割等工艺留下的边缘凸起和毛刺。如图 1.5 所示，为德国 IKV 机器人公司开发的机器人水槽磨削抛光系统，该系统使用 IKV 工业 6 轴机器人，主要用于水槽等中大型件外表面的磨削和抛光加工，系统的特点是装备了一套自动上下料装置，使系统可实现全自动、无人化作业。

　　当下机器人砂带打磨研究形式中，总体加工系统主要可分为两类。第一种是工业机器人末端执行机器安装特定夹具夹持工件，通过机器人各轴联动将工件移动至砂带机上进行打磨。第二种是机器人末端联接某种打磨工具，通过软件提取，机器人识别出工件加工区域的表面轨迹，进而对工件进行固定轨迹的打磨。不论哪种方式，都是要规定机器人事先需要行走的末端轨迹，将驱动程序导入机器人的示教器中执行运动命令，在与砂带进行接触打磨过程中，还要根据工件材质，打磨因素影响及工艺要求具体设置机器人进给运动参数，保证加工的高质量高效率[12].

　　在研究初期，研究者主要是针对机器人手持磨削工具进行加工为主来设计系统，这种方式主要是针对一些精度要求不高的零部件，同时加工区域具有一定的局限性。随着技术研究的逐渐成熟，机器人夹持工件进行打磨加工的自动化系统逐渐发展起来，同时保证加工精度因变得愈发重要[13],在磨削抛光过程中，机器人与砂带之间的磨削力对最后加工的精度，表面粗糙度等影响较大，所以磨削力大小的控制也是决定整个机器人磨削系统质量的最主要决定因素[14].对于质量要求较高的部件来讲磨削力的合理控制非常的重要[15].研究人员 Vatzkitchev 还根据磨砂中工件的尺寸和精度的不同，得出主要结论为：砂带磨削过程中接触轮的动态形状变化可以引起接触面与接触力的变化[16].

　　伴随国内对于机器人砂带打磨系统的要求与日俱增，许多大学与企业研发部也开始联合致力于机器人打磨系统中砂带磨削力控制技术的研究。相比于国外成熟的联动打磨加工系统，国产自动化加工系统仍存在许多技术上的空缺与不足[17].华中科技大学研发了汽车模具磨拋的机器人设备，主要研究方向为打磨机器人路径规划和加工参数的影响[18].吉林大学经过数年攻克了砂带磨削抛光复杂 曲面工件的技术难题，研制了很多结构类型的砂带打磨设备，如串并联综合砂带磨削机器人，重点研究机器人加工自由曲面的运动学特性、打磨轨迹规划与及控 制优化领域[19].清华大学研究者结合大量的实际临床加工数据和大量的机器人领域理论知识，构建了一套成熟的机器人磨削系统的磨削加工模型，为部件的加工提供一套准确的精度，参数等加工条件，极大地便利了技术人员的工艺设计[20-22].

　　1.4 主要研究内容

　　通过对打磨技术现状、种类及应用上进行详细对比分析，采用机器人与砂带组合打磨形式进行砂芯冒口的自动化打磨处理工作。以工业机器人为打磨系统核心，通过工业机器人联动与砂带打磨机接触打磨来代替人工进行砂芯磨口的自动化打磨工作。具体研究内容如下：

　　（1）构建砂芯冒口打磨自动化加工系统，组建系统所需的设备并建立自动化打磨工作站模型；根据工件的外形特征、结构特点、设计末端夹具，计算夹具夹取范围与张合角度，确定夹具驱动方式，设计定位周转台结构；

　　（2）讨论砂带打磨过程中的影响因素，对部分因素可能产生的误差进行计算，最终确定主要影响打磨的相关因素，对砂带打磨机构进行各部分的结构设计；

　　（3）对选取型号的工业机器人建立 D-H 连杆坐标系，同时根据机器人各轴参数进行该型号机器人运动学分析，建立正向运动学方程；采用代数逆解法，根据空间中某时刻机器人末端位姿求解各关节运动参数，在 MATLAB RoboicsTool中，对目标直线、圆弧、曲线的运动轨迹进行插值计算与仿真，为后续的加工路径离线编程提供理论支持；

　　（4）对比选取符合当前情况下的机器人轨迹编程形式，在离线软件中插入整体加工轨迹中关键的路径点，记录相对应的机器人各轴与工件坐标参数，通过RobotArt 离线编程软件，编辑砂芯冒口打磨加工轨迹，并结合整套打磨系统，后置输出所有加工轨迹程序，为以后同类项目的实施提供了参考。

　　1.5 本章小结

　　首先阐述了课题研究的背景和研究意义，规划出用机器人代替人工打磨砂芯的工作系统流程，结合国内外打磨技术发展研究现状，介绍人工打磨、机床打磨及工业机器人打磨的相关内容，并对三种打磨方式进行对比分析，系统阐述了工业机器人打磨技术研究现状，在选取机器人砂带打磨方式基础上，制定主要研究内容及工作步骤，为后续研究方向明确思路。

　　第 2 章 加工影响因素分析及打磨机构设计
　　2.1 砂带打磨加工的工作原理
　　2.2 打磨阶段影响因素分析
　　2.2.1 砂带粒度分析
　　2.2.2 打磨过程中去除率与磨削力的影响
　　2.3 砂带打磨机结构设计
　　2.3.1 砂带打磨形式对比分析
　　2.3.2 砂带打磨机结构设计
　　2.4 本章小结

　　第 3 章 砂芯冒口自动化打磨系统构建
　　3.1 机器人打磨系统类别
　　3.2 自动化打磨系统设计
　　3.3 工业机器人
　　3.3.1 机器人工作空间介绍
　　3.3.2 IRC5 控制柜

　　3.4 末端执行器设计
　　3.4.1 总体结构设计
　　3.4.2 夹具力学关系计算
　　3.4.3 夹持范围计算
　　3.4.4 手抓夹持精度的分析计算
　　3.4.5 驱动方式及气缸选型
　　3.5 定位工作周转台设计
　　3.6 砂芯打磨工作站的建立
　　3.7 本章小结

　　第 4 章 工业机器人运动学分析与轨迹规划
　　4.1 工业机器人运动学方程建立
　　4.1.1 机器人位置矩阵方程
　　4.1.2 机器人姿态矩阵方程
　　4.2 机器人运动学分析
　　4.2.1 D-H 坐标变换公式
　　4.2.2 IRB 2600/1.85 D-H 坐标系建立
　　4.2.3 正向运动学推导
　　4.2.4 逆向运动学求解

　　4.3 MATLAB 机器人工具箱中的轨迹规划
　　4.3.1 三次多项式插值
　　4.3.2 五次多项式插值
　　4.3.3 直线、圆弧与曲线的轨迹插补
　　4.4 本章小结

　　第 5 章 加工轨迹编程及路径实施仿真
　　5.1 机器人的编程方式
　　5.1.1 示教器手动编程
　　5.1.2 离线编程
　　5.2 系统中各坐标系的确立
　　5.3 打磨加工轨迹的实施
　　5.4 打磨加工轨迹离线仿真
　　5.5 本章小结

第 6 章 结论与展望

　　6.1 结论

　　目前某砂芯铸造模具厂在对铸造完成的砂芯进行冒口打磨处理依然采用人工打磨方式，手工打磨效率低下，打磨产生的沙尘对工人身体造成危害。本文针对于其加工现状，从提高生产效率和改善工作环境出发，为其研究设计一套砂芯冒口自动化加工的整体系统，将机器人应用到砂芯搬运及冒口打磨处理加工过程中，通过软件编写砂芯从抓取到打磨，最后到摆放运输的整体工作轨迹程序，从 而实现砂芯冒口的自动化打磨处理工作。研究过程中结论总结如下：

　　（1）通过分析工业机器人打磨工件的特点，结合实际砂芯打磨加工工艺流程，提出了一种利用工业机器人代替人工的新方法，选取自动化打磨加工系统所需设备，设计柔性砂带打磨机构和定位周转台结构，创建整体系统工作站模型，为同类产品的加工提供了借鉴；

　　（2）通过对砂芯数据与现有夹具系统分类的分析，结合课题组的砂芯冒口自动化处理系统项目，进行夹具结构方案设计与驱动方式分析，详细对设计的夹具夹持范围和精度进行计算校核，防止夹具与工件不匹配而造成打磨事故。为适 应机器人夹持打磨这种加工方式提出了一种末端夹具的结构设计与计算，给同类夹具设计提供了参考的资料；

　　（3）对本系统使用的工业机器人进行运动学分析，建立了机器人各个连杆D-H 坐标系方程，对 IRB2600/1.85 机器人进行了运动学正向公式推导，推算出机器人末端位姿矩阵方程；使用代数分解解法对运动学逆解进行了求解，推算出机器人个关节位姿矩阵方程。对求得的结果和工业机器人的实际参数进行了比对，从而确定所推导的运动学公式正确性；

　　（4）在建立的工作站内利用 robotart 软件进行加工路径分析，确定砂芯冒口打磨阶段中机器人末端具体运动轨迹，将编写的路径过度点构建成整体加工轨迹，后置输出轨迹驱动程序，将编写的程序导入示教器中，便可进行现场实验仿 真调试。

　　6.2 展望

　　在研究生的三年时间内，通过对机器人自动化加工系统方面的学习了解以及打磨工艺的研究，本课题的研究取得了初步的成果，但是由于本人的专业知识和实验条件的限制，整套加工系统的细节方面还有待提高，某些方面仍存在着一些不足之处有待解决，包括以下几点：

　　（1）将压铸完成的砂芯从铸模机下料过程中的定位系统和定位原件设计选取；

　　（2）砂带打磨机构的具体驱动控制方式，在加工过程中是否存在没有分析到的影响打磨控制因素；

　　（3）在进行软件的离线仿真过程中，自建的空间站每个主要设备的的坐标系定位是否与实际现场条件相符；同时仿真过程中，忽略了机器人和打磨机可能因接触摩擦产生的抖动或产生打滑的问题，这些不稳定因素是否对最终打磨效果产生不可忽略的影响，这些细节方面还需要现场的模拟实验去验证优化。

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　　[52]Bruno, Oussama. Springer Handbook of Robotics[M].Springer,2008.

致谢

　　时间荏苒，岁月匆匆，研究生的三年已经接近尾声，感谢在母校学习的时间里，学校以及学院提供给我的一切教学资源，让我能在撰写论文的过程中里得到莫大的支持与帮助。

　　本文在导师田国富教授的悉心指导下完成，从开始选题、研究相关资料、准 备中期审查到撰写论文，田老师在方方面面给与我了莫大的帮助与指导。在撰写论文的过程中，田教授在我遇到瓶颈的时刻及时给我做出学术上的指导，同时给予我克服困难的动力，另外在生活上，就像一位家长一般细心尽责关心我们的生活琐事，并一起分享生活趣事和处事经验，让我们实验室真正像个大家庭一样，彼此鼓励，共同进步。在此向田国富教授致以真诚的敬意。

　　同时感谢学长和学姐们给我提供的一切学习资料及帮助指导，感谢实验室的同学们在生活中的陪伴，让我的每一天充满了意义，希望大家在日后能够工作顺利，生活愉快。

　　还要感谢我的父亲和母亲，你们是我生活学习中最坚实的后盾，在我求学的道路上给予我无私的帮助与关爱。

　　最后感谢各位盲审老师，所有答辩组专家能在百忙之中抽出时间对我的论文进行审阅与指导。

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