【3M】3M研磨科技助力智能制造

引言 Introduction

2020年新冠疫情突然来袭，减少人工接触、安全高效的机器人打磨进入了更多工业制造从业者的视野。而机器人研磨是一个包含了多方面、多层次内容的话题：研磨在机器人智能制造中处在何种位置、面对何种机遇？机器人对工业制造发展带来了怎样的影响？客户如果判断自己的研磨流程升级可行性，以及如何选择机器人研磨方案？

下面这篇由3M中国有限公司研磨技术部专家朱云刚带来的机器人研磨的干货，就一次性与大家深度探讨这些问题。

研磨科技助力智能制造

3M中国有限公司研磨技术部朱云刚

中国工业机器人行业的机遇

近几年，自动化需求特别强烈，主要是由下面几方面原因：

1. 劳动力短缺问题日益严重、劳动力成本日益提高

现在打磨工人普遍年龄偏大，目前手工打磨抛光的工人大多集中在70后和80后的人群。90后的大部分群体宁愿拿几千元做文员，也不愿意拿1万元做又苦又累又脏的打磨工。所以导致目前熟练的打磨工非常难招，打磨工工资逐年增加，劳动力成本不断增加。

2. 日益提高的对人体高度有害的研磨环境进行改善的需求，粉尘，噪音，脏，乱，差是大家对打磨抛光工厂的普遍看法。对整个环境的改造，也是自动化和机器人推广的推动器。

3. 日益提高的对生产效率、工艺稳定性及产品质量的要求

4. 政府强烈的制造业升级的愿望、投资和推动

5. 工业机器人机组成本大幅降价驱动工业机器人更容易普及

近几年机器人的发展趋势：

现在中国跃升为工业机器人第一大国家，随着电子、汽车的发展，工业机器人得到迅猛发展。

行业机器人排名第一位的是搬运和码垛；第二位的是焊接。焊接的打磨逐年增加，各种各样的焊缝需要进行打磨，主要的市场集中在轨道交通，工程机械、罐体及压力容器等新基建领域。焊接的工件材质主要是铝合金、碳钢、不锈钢等。

现在的瓶颈在于前道过来的焊缝质量不均一，焊接后的工件有变形，焊接位置多样及不固定等，从而使得机器人程序化的磨削方案不容易制定，增加了机器人自动化的加工难度。

研磨在机器人制造中的机遇

是什么驱动焊接机器人本世纪初期的爆发？焊接机器人在2000年达到了一个爆点，主要原因是：

1、 标准化、模块化、预设好的解决方案

现阶段成熟的打磨机器人做到标准化、模块化的只有电子、汽车行业，金属打磨很难做到标准化，由于加工对象的状况太多，很难统一标准，进行模块化设计。只有标准化，效率才能提高。集成难度降低，集成风险降低，也是焊接机器人快速发展的原因。

2、 整体成本降低

选用多种成本优化的替代方案，标准化生产，加工量的增加，才能把整个机器人的集成水平提高，成本价降下来。焊接机器人经过2005—2014年整个成本下降显著。让大多数企业可以买的起机器人。

3、技术进步

通用接口、焊缝检测、焊缝追踪，都需要一套现代化的检测体系。

机器人近年发展很快，国产机器人价格比较便宜，但力控的反馈速度不高，国产机器人在力控和机器人本体、专业的机器人打磨工具方面，还需要做进一步的研究和提高。

打磨抛光机器人系统，包括了机器人打磨，抛光，切割，去毛刺，拉丝等表面处理应用。是现代工艺机器人应用众多种类的一种，用于替代传统人工进行工件的抛光打磨工作。大到重型机械，汽车，飞机，小至手机，手表，小家电，水龙头，植入人工关节等，都离不开打磨抛光。随着我国工业转型升级和智能制造战略的推进，打磨抛光对自动化和机器人的需求也越来越多。由于研磨行业市场太多，应用行业太散，3M会优选具有一定优势、附加值高的行业，提供标准化的机器人研磨解决方案。

机器人正在转变我们的思维方式

典型的机器人打磨工作站由机器人本体、工件卡具、工件、砂带机/砂轮机、砂带/砂轮、送料台、控制系统组成，见下图。

机器人打磨主要分为机器人夹持工件打磨和机器人夹持工具打磨。

1、机器人夹持工件打磨 ，砂带是固定的，主要用于暖气片、水龙头、门把手、金属家具、锻造腔体、汽车消音器、工具、高温合金、高尔夫球头等，普遍用于小巧型的工件，机器夹持工件有力的限制，不可能加工过大的工件。

机器人夹持工件打磨

2、机器人夹持工具打磨，这种类型主要用于手机壳、3C产品的打磨,针对不同的应用开发了适合机器人使用的产品，对产品精度、强度、耐用度的要求更高，根据客户的需求改变产品。

机器人夹持工具打磨

机器人研磨的典型应用

机器人研磨的应用主要分为去除余量和表面处理。

去除余量主要是粗磨，如打磨浇冒口、去除飞边/合模线、去毛刺、去除氧化皮，去除焊缝等。表面处理主要是表面调和、表面抛光，表面拉丝等。

这些应用相对应的不同平台上的产品来支持，典型的市场主要在人工关节、医疗器械、卫浴五金、水槽、车顶焊缝、汽车零配件、交通等。 3M优势产品包括Cubitron II第二代陶瓷氧化铝砂带系列，3M尼龙产品系列以及3M金字塔砂带系列的产品组合能很好地解决以上对于研磨材料的需求。目前国内已经有很好的砂碟及砂纸的全自动快换解决方案，砂带的快换方案也在研究和开发中。专门的机器人更换磨具，省去了人工更换的时间，大大地提高了自动化率和生产效率。

以下是3M标准的六大标准应用场景：

3M酷切二代砂碟去焊缝

3M尼龙轮车顶激光焊缝打磨

3M酷切二代砂带浇冒口去除

3M旋风刷去除焊接飞溅

3M尼龙轮拉丝去毛刺

3M金字塔砂带小五金抛光

自动化打磨客户的需求,来自于两方面：

1.研磨的需求：

客户更多的考虑生产效率，产品质量及稳定性

✓ 寿命长

✓ 寿命的一致性

✓ 研磨材料批次之间的稳定性

✓ 打磨效果的一致性

2.工业市场的需求：

工业市场需求研磨应用专家，新的应用开发及技术发展

✓ 研磨应用的专家

✓ 优化的工具

✓ 实时的传感器系统

✓ 简单，易操作的模块化系统

3.下面是机床、机械手、人的打磨对比，仅供参考：

3M自动化解决方案优选的研磨产品

1、Cubitron II产品系列 

采用了3M独特的陶瓷技术以及微复制技术。这个系列产品包含了砂带，砂碟，砂纸以及其他尼龙类产品等十几个品种。Cubitron II砂带选用形状一致的三角形陶瓷氧化铝矿砂做磨料，从而使其具有高效的切削速度，更长的使用寿命，优越的冷切削性能。这款产品主要用于粗磨及去浇冒口的磨削，按客户的应用压力及不同的材质，3M都有相对应的解决方案。3M的第二代陶瓷磨料也在往细粒度发展，最细的可以生产到400+，主要是生产砂碟和砂纸。加入一定比例的3M第二代陶瓷磨料，磨削效率和寿命都有大幅提高。

3M™Cubitron II钢纸磨片982C/987C主要用焊缝去除,目前可选的粒度为36+,60+,80+。

2. 3M尼龙产品系列

采用了3M独特的无纺布技术。主要用于去毛刺，清洁，精密抛光以及调和拉丝等研磨应用场景。其特点是在不破坏被处理工件表面尺寸情况下，同时能实现工艺研磨要求。在去毛刺方面，主要研究怎样和机器人更好的配套使用，去毛刺轮怎样将五金件打磨效果更好、纹路一致。

3.3M金字塔产品系列

采用了3M独特的微复制技术以及涂覆技术。其特点是具有稳定的切削力及超长寿命，且具有始终如一的表面打磨抛光效果。可以广泛用于拉丝，线纹调和，抛光等应用。3M在产品的形状、磨料的材质、产品的应用等做细分和区分。例如做成尖状，使它切削力更好，做成平面，使它抛光性能更好。

建立研磨自动化解决方案

全产业链合作网络

1、机器人本体———机器人手臂

像机器人一样，具有5或者6轴的手臂进行各种运动

2、力控——感应器、装置

来帮助机器人控制打磨力度的额外装置，分为主动力控和被动力控。力控的装置国外的部件要20多万元，比本体还要贵，有了力控装置对于弧度、复杂型面的磨削非常重要。

3、 末端的工具

适合机器人抓取的可集成的工具，并且要具有快换装置:

4、 磨料及其附件等

磨料对应的附件也很重要，如托盘及配套的螺母等，有时候由于托盘不够软，与工件贴合不好，虽然有力控，磨料都很好，也达不到很好的磨削效果。所以，力控及柔性对于实现期望的表面处理效果和确保生产效率来说是至关重要的。

5、 硬件集成、工艺设计

硬件集成、工艺设计都需要系统集成商来完成，协调集成商与产品工艺设计、应用端的关系，选取并组装所有设备组件，确定打磨工艺，进行编程以确保在客户端可以顺利安装和平稳工作。

建立全球价值链合作网络，实现研磨自动化解决方案，适合的参数和设备至关重要。退而求其次的工艺方案会在未来很长时间内限制企业产能产效提高。无论企业处在自动化研磨的哪一阶段，3M都可以为企业提供与机器人本体制造商、自动化打磨集成商、力控、工具、配件提供商的联系，与整体自动化方案中各个环节专业解决方案提供者建立关系，以助他们确保自动化解决方案的成功。

如何快速确定您的研磨流程

是否适合升级到自动化

适合实施自动化的重要因素主要是：

01充分认识投入和产出

02部件复杂度较低

03收到的部件打磨前尺寸范围相差不大

04部件数量大，但类别较少

在考虑自动化打磨工艺方案之前,您一定要先清楚地了解您的投入和产出需求，行之有效的第一步是清楚地定义您需要得到什么样的产出，因为这些要素将决定机器人打磨的工艺流程。

部件的复杂程度、来料的形状和批次，都是确定能否上自动化的因素。如电子产品、手机壳打磨，这些形状单一、批次大的部件，非常适合自动化的生产。

如果加工的产品每次形状都有改变，计算机的编程就要改变。外形模拟、走路径，非常有经验的CIP工程师都要用1—2天时间。所以，自动化生产，还是比较适合大批量单一形状的打磨产品，并且后续的软件工程师、机械工程师都要有相应的配置，这是一个非常大的挑战。

由此得出，自动化的趋势对产品的质量和稳定性提出了更高的要求，生产商更应该在产品的应用上要根据客户的需求设计、研发产品，一个好的研发应用工程师将会给企业带来更多的财富。