机器人打磨-工具篇丨PCFC恒力浮动打磨装置

抛光打磨，是制造业中一道不可或缺的基础工序，近年来，机器人打磨、抛光、去毛刺发挥着越来越重要的作用。众所周知，ATI的机器人材料去除工具是浮动的可恒力控制的柔性打磨工具，可覆盖多种不通过材料去除应用场景，如去毛刺、去毛边、倒角及其他一些表面处理等。之前我们详细介绍过ATI径向浮动毛刺清理工具RC-340、轴向浮动精加工工具ACT-390和浮动偏心振动砂光机AOV-10，今天我们将从多角度为您介绍我们的新产品-轴向浮动力控装置PCFC。PCFC的浮动和力控性能为自动化的实现过程创造了更大可能性。可完美匹配用户的刚性末端执行器，以进行比如工作台的磨削、模具打磨、切割及浇冒口去除等工作。

一、  PCFC介绍

PCFC是ATI近两年新推出的一款产品，全称Passive Compliance Force Control是被动式柔顺力控的缩写，它是一款应用极为广泛的恒力可浮动控制的末端适配工具，主要用于机器人打磨应用中对打磨工具的恒力浮动控制。

该浮动单元的末端法兰可以实现12mm的直线浮动，法兰末端可以连接多种打磨工具，机器人借助PCFC可以实现恒力浮动打磨。如下图：

PCFC结构图

PCFC的基本参数，包括重量，力的范围，力矩范围，浮动行程，尺寸大小。PCFC有三个型号，A，B，C。外形尺寸相同，浮动力的量程不同。

技术参数表

1）特点一：选配功能

PCFC还有选配的功能，工具自重补偿和浮动位置显示。如果用到这些功能，就需要用到PCFC里已经内置的电气元件，MCU微控制器，陀螺仪姿态传感器，位置传感器。此时的PCFC需要供电。

位置显示功能，需要提前校准，校准后，位置信息会通过PCFC上的指示灯做初步显示，便于调试的时候观察。另外也会通过模拟量信号，告诉机器人控制柜或者PLC，具体浮动所停留的位置，以便编程和控制。

校准示意图

校准的时候，做有个刻度表，12mm的行程，每伸出1mm, 记录一次，对应一个电压模拟量。同时指示灯也会有相应的提示。

2）特点二：自重补偿功能

工具自重补偿功能，跟称重货物的时候，“去皮”功能类似。任何工具都有自重，自重引起的重力，在打磨工具的不同姿态的情况下，会影响打磨力的大小。工具本身的重量和工具在空间中的姿态，会影响实际施加在工件上的力。工具自重补偿功能，可以保证打磨工具在不同的姿态下，和工件的接触打磨力是恒定的。

图片中，W 工具自重(Weight)，P设置压力(Extend Compliance Force)，C 工具重力补偿（Gravity Compensation ）。PCFC的工具自重补偿，基本原理是PCFC内置一个MCU（微控制器），可以通过内置的陀螺仪加速计采集到工具的空中姿态变化数据，然后MCU计算出需要多大的气压来补偿工具的重量，并通过发出模拟量调控电子比例阀，来调整输出压力，而给工具的自重归零。

以上是电子比例阀在PCFC上的位置。两个电子比例阀，一个用来抵消工具的自重，一个用来控制打磨的压力。

二、径向浮动和轴向浮动的受力说明及工具选择

我们在描述机器人打磨工具的时候，经常用到径向浮动和轴向浮动的说法。这里的径向和轴向，指的是圆形磨具的径向和轴向。绝大多数刀具或者磨具，都可以简化为一个圆柱体。打磨的时候，圆柱体磨具旋转。一种情况是圆柱体的端面和工件接触，这种时候磨具是轴向受力；另外一种情况是，圆柱的圆周面和工件接触，这种时候磨具是径向受力。

带动磨具旋转的主轴有的直向的，有的是角向的。直向是指马达的旋转轴和磨具的旋转是同心或者平行的。角向是指马达的旋转轴（外躯壳）和所带动的磨具的旋转方向是有角度的（一般的角磨机是接近90度）。

任何打磨工艺，都是先选择磨具，再选择动力工具，再选择浮动方向。也就是说，先要选择磨具的形状，直径，打磨面是圆周面或者端面，然后在选择是直向电主轴，还是角向打磨主轴。再规划工具怎么浮动，即轴向浮动或者径向浮动。

三、PCFC和工具的安装方式

PCFC可以和打磨工具的安装方式：中空平行安装，侧面平行安装，垂直安装。

平行安装指的是工具的躯干（通常为马达部分）和PCFC的浮动方向是平行的。垂直安装是指打磨工具的躯干和PCFC浮动方向是垂直的。平行安装的话，最好中空安装，侧面安装，偏转力矩要限制在15 Nm之内。

可以连接的常用工具有直向电主轴（或者气动主轴），角向磨光机（电动或气动角磨机），另外还有偏心振动圆盘砂光机，偏心振动方砂机，砂带机，或者其他的打磨工具。

四、PCFC的打磨经典案例

1.角磨机打磨弧焊焊缝案例

拼焊后的平面焊缝打磨，电动角磨机和PCFC垂直安装。配的磨具是弹性百叶盘，用的是百叶盘的端面打磨，百叶盘在做轴向浮动。百叶盘弹性磨料，打磨出表面，过度更平滑，也可以让机器人打磨的容错性更高。

在PCFC提供恒力的情况，打磨焊缝是否到位，主要看打磨的次数，或者说打磨的时间。

角磨机可以自动更换砂碟。采用类似于电主轴锥形刀柄的方式。先把磨具砂碟装在夹具上，夹具上有个锥形连接口，可以和角磨机自动连接，摆放好后相当于一个磨具库。通常一个砂碟的寿命在十几或几十分钟，所以需要新旧更换。另外也有需要不同力度更换的情况，因此自动化打磨都需要一个磨具库，跟CNC机床的刀具库是类似的。

弧焊拼焊后，拐角区域的焊缝需要简单清理。利用百叶盘磨具的外圆部分，配合PCFC的轴向浮动，可以完成恒力打磨。

2.角磨机打磨摩擦焊案例

现在越来越多的铝合金型材拼起来后产生摩擦焊。摩擦焊一般需要除去的是溢料。溢料比弧焊的焊缝更容易去除。用的打磨工具也是电动角磨机+百叶盘砂碟。

3.角磨机打磨不锈钢焊缝

1）中空安装打磨主轴的案例一

PCFC是一个中空浮动套，可容纳直径是62mm的主轴。图中的电动角磨机的躯干部分直径小于62mm, 通过一个夹具装在浮动铜套里，这就是中空平行安装。这种安装方式，和被打磨工件接触的是砂碟的圆周面，也是砂碟是径向浮动。

打磨不锈钢拐角区域，百叶盘磨平焊缝，无纺布砂碟抛光磨平后的区域

2）中空安装打磨主轴的案例二

左图是在PCFC里，中空安装了一个气动马达主轴。上面装了一个钢丝刷，对工件表面进行打磨。和被打磨工件接触的是刷子的端面，刷子是轴向浮动。

PCFC也可以负载一个直径小于62mm的电主轴。电主轴有个好处，就是可以调速，另外更换刀柄的方法也比较成熟。磨具需要新旧更换或者型号更换。

4.直柄打磨机打磨拐角

直柄打磨机和PCFC垂直安装，即打磨机的躯干（电机部分）和PCFC的浮动方向垂直。

直柄打磨机，打磨拐角焊缝。磨具是圆柱形砂轮，和工件接触的是磨具的圆周面，磨具是径向浮动。

5.圆盘偏心振动砂光机打磨平面

偏心振动打磨机，主要用于打磨平面。可以配合砂纸，也可以配合百洁布。砂纸有一定的切削力，百洁布主要是清洁和调和作用。也可以配合抛光垫，对表面进行抛光。

案例分别用砂纸和百洁布，对模具表面进行打磨和清洁

使用偏心振动砂光机带着海绵垫对表面进行抛光

6.方形偏心振动砂光机打磨平面

偏心振动方砂机，也是用于打磨平面。砂纸托盘是方形的，可以打磨到直角拐角区域。

7.砂带机

砂带机又称锉刀砂带机，形状接近往复挫，可应用场景为焊接后的焊缝打磨，压铸后的飞边、顶针印打磨等。砂带机既可以垂直安装，也可以中空平行安装。

8. PCFC带着打磨工具，固定在桌面上

该案例是将PCFC放在桌面上，机器人抓着工件去靠近打磨工具进行打磨。

左图案例为双头打磨机，一头是无纺布砂轮，另外一头是尼龙针刷。两者结合起来高效清理铝合金型材切口的毛刺。

右图案例是将砂带机固定在PCFC上，对钢棒的表面进行去锈抛光。

9. PCFC和夹具配合，装在机器人末端

夹具固定在PCFC上，PCFC再固定在机器人末端，然后抓着工具去靠近打磨工具。在打磨的压力方向上，有PCFC浮动，可以实现恒力打磨。

PCFC是一个直线浮动机构，根据磨料与工件接触的圆周面或者端面形况，确定是轴向浮动还是径向浮动，选择直向主轴或者角向主轴，或者砂带机，偏心振动砂光机。然后设计出一个合理的恒力打磨方案。