精密拋光用上機器人，能成嗎？

能成！

機器人拋光技術被廣泛應用在現代工業制造中，通常作為最終的精加工工序來改善零部件表面的質量。隨著航空航天、能源動力、電子信息等領域的快速發展，對高端零部件的需求也日益迫切，涌現出了一大批對性能指標要求苛刻的精密復雜曲面零件，此類高端零件往往對其表面完整性的要求極高。目前，大多表面具有高完整性的復雜曲面零件仍采用人工拋光技術來加工，但受限于工人的技能水平、疲勞程度和專注度等因素，難以保證拋光表面質量的一致性。

機器人加工系統具有加工靈活性強、自動化程度高和加工成本低等特點，在復雜曲面零件的加工制造過程中具備明顯優勢，也是發展機械制造領域新質生產力的重要工具。

機器人拋光加工的基本思路是在機器人末端安裝專用拋光裝置，依據拋光工具的形狀和去除能力規劃拋光路徑和進給率，結合轉速、下壓力等參數調控實現不同零件表面的拋光制備。然而，傳統6自由度串聯結構的工業機器人存在定位精度低、剛度性能差、運動耦合性強等問題，難以維持拋光工具與零件表面實時、穩定的接觸狀態，極易造成材料去除量分布不均和表面波紋度增大。

而機器人力控精密拋光技術是將機器人拋光技術拓展應用到表面完整性高的復雜曲面零件制造過程的有效途徑。隨著智能制造技術的不斷發展，相關研究人員搭建了具備力覺感知和控制能力的機器人拋光加工系統，在機器人拋光系統的接觸力控制、運動規劃和參數優化等方面開展了大量研究，為機器人精密拋光加工奠定了基礎。

機器人拋光接觸力控制技術

拋光工具與零件間的接觸狀態受拋光接觸力直接影響，隨著接觸力增大，加工接觸區的面積和接觸應力都會增大，而穩定、理想的材料去除過程需要嚴格控制拋光接觸力的大小。受制于機器人本體定位誤差／自激振動、拋光工具自旋振動等因素的影響，機器人末端拋光工具往往難以維持與零件表面緊密、穩定的貼合。

如圖下(a)所示，尤其在復雜曲面零件的拋光過程中，零件表面曲率的變化將導致不同位置處的接觸狀態存在差異，拋光后表面往往會出現欠切、過切等材料去除不均問題，使得零件表面粗糙度和波紋度增大。

拋光接觸力控制技術是保障材料去除均勻性的有效途徑，其控制系統一般選取拋光接觸力作為控制變量，使用具備位置修調能力的力控執行器作為被控對象，結合拋光場景和加工需求設計適宜的力控制器。按照力控執行器的結構差異，將力控拋光系統劃分為基于機器人本體的力控系統和基于末端執行器的力控系統。前者通過調節機器人的關節力矩／位置實現末端拋光工具接觸力的輸出，后者將機器人用于位置控制，力控調節過程依賴于機器人末端掛載的具備自驅動能力的拋光裝置，2種接觸力控制系統的結構分別如下圖(b) 和下圖(c)所示。

機器人拋光運動規劃技術

機器人拋光運動軌跡規劃和機器人加工位姿優化是保障零件表面加工質量的關鍵技術。拋光接觸力控制技術能維持理想的接觸狀態，在此基礎上，拋光路徑對零件曲面的覆蓋均勻性和沿路徑的駐留時間適配性是進一步保障材料去除均勻性的關鍵因素，不當的拋光路徑形狀、間距和進給速度，會在零件表面留下大量拋光加工紋理和高低起伏的中頻形貌誤差，從而降低零件的使役性能，同時拋光路徑規劃結果也會對拋光機器人運動的平穩性造成直接影響。進一步地，機器人的運動誤差和關節劇烈運動會對力控制的穩定性和拋光材料去除的準確性產生不同程度的影響。

現有研究通過考慮材料去除均勻性和準確性，基于接觸狀態模型和材料去除模型規劃適應于零件曲面信息的拋光路徑，結合機器人運動學和動力學特性對拋光過程的影響，從誤差標定與補償、加工姿態優化、機器人本體構形再設計等方面，提升拋光機器人的運動精度及光順性，最終實現精密拋光加工。

機器人拋光工藝參數優化技術

工藝參數優化技術是提高機器人拋光后零件表面完整性和加工效率的主要手段，同時也是機器人自動化拋光系統的一項關鍵任務。從微觀角度看，拋光過程中磨料受到拋光壓力的作用被壓入零件表面，同時在工具旋轉運動和進給運動共同驅動下與零件表面發生相對運動，進而不斷發生刮擦、撞擊等相互作用實現材料去除，經過一定次數的反復拋光，最終的零件表面形貌具有不同程度的中頻波紋度和高頻粗糙度等特征。

針對機器人精密拋光制造的需求，應面向拋光去除過程的穩定性，限定拋光壓力、工具轉速、工具進給和拋光次數等工藝參數的許用區間，通過建立不同工藝參數下的表面粗糙度建立預測機制，考慮表面粗糙度和表面波紋度約束，建立效率最優的機器人拋光工藝參數規劃方法。在此基礎上，綜合考慮前道工序劃痕和磨料的磨損因素，建立具備在線監測能力的智能工藝控制系統。

機器人力控精密拋光技術是智能制造領域重要的組成部分，目前被逐漸應用到航空葉片、光學元件、反射鏡等零件的精密拋光過程，用以提高加工效率和降低加工成本。

參考來源：

[1]王英鵬等．機器人力控精密拋光技術研究進展

[2]郭東明．高性能制造

[3]孫玉文等．復雜曲面的測量加工一體化