现代金属制造商正在运用自动化技术，他们可能拥有自动化激光切割，甚至机器人折弯机或焊接系统，尤其是在大批量生产的情况下。但到了打磨和表面精加工，情况就大不相同了。这些工序仍然主要依靠手工操作，制造业劳动力短缺加剧了这一现状。

“在整个应用领域，发现劳动力流失率高达40%至80%。”

Ariyan Kabir解释说，这个问题普遍存在于高混合的制造领域。机器人技术在汽车和其他高产量生产领域占据主导地位，但在高混合和高产品组合的运营中，情况并非如此。事实上，不仅在美国，而且在全球范围内，后者恰好构成了制造业最大的细分领域。

Kabir是GrayMatter Robotics的联合创始人兼首席执行官，该公司开发了一种自动化方法，用于金属制造中最易变的工艺领域之一：表面精加工，包括研磨、喷砂、抛光和打磨，该公司不局限于硬件。“我们会根据应用场景，将合适的机器人、传感器和工具与我们专有的GMR AI技术相结合，从而使机器人实现自主操作。”

该公司的历史可以追溯到2016年，当时联合创始人卡比尔·沙阿（Kabir Shah）和布鲁尔·沙阿（Brual Shah）与中心主任萨蒂安德拉·古普塔（Satyandra Gupta）教授（GrayMatter的首席科学家兼第三位联合创始人）一起在南加州大学先进制造中心工作。在那里，两位创始人与众多制造商进行了交流。他们了解到熟练工人面临的挑战，尤其是在高混合制造中打磨和精加工等繁琐的工作。即使在离线编程和仿真方面投入了大量资金的工厂，也无法花时间模拟数千个不同零件的机器人程序。研究人员知道，要使自动化在这些环境中切实可行，机器人必须具备自主性。

卡比尔说：“所有这些都促使我们在2020年推出GrayMatter Robotics。”

无需模型

虽然大多数自主自动化技术专注于自动驾驶汽车和物料搬运应用，但自主技术也开始在一定程度上渗透到整个金属制造价值链。尤其是在焊接领域，某些新兴技术会将实体CAD模型与其面前的零件组件进行比较，确定需要焊接的位置，然后自行确定最佳焊接方案。其中一些技术已经采用“机器人即服务”模式进入市场。工厂并不完全“拥有”这些系统，而是需要支付使用费。

GrayMatter也采用了类似的“机器人即服务”模式，但正如Kabir所解释的那样，研磨和表面精加工有一些与其他自主制造技术不同的特性。首先，GMR AI平台不使用CAD模型。相反，视觉传感器会扫描摆放在它们面前的每个零件。然后，AI会确定零件的几何形状和需要进行表面精加工的位置，然后开始工作。

机器人运行精加工程序，读取机载传感器的反馈并进行必要的工艺调整。它还会根据作业需要自动更换光盘或其他耗材。系统还会扫描机器人单元的电缆和其他组件是否存在不必要的接触，以确保它们不会缠绕在工件上。

“某些零件也不需要固定，”Kabir说道，只要工件尺寸足够大，能够稳固地固定在一个表面上，并且机器人能够到达所有需要的表面。“操作员只需将零件滚入，锁定轮子，就完成了。”

其他设置涉及两台机器人串联工作。大型工件的应用则可能涉及安装在轨道、高架龙门架和其他各种装置上的机器人。有些应用涉及多个工序。Kabir描述了一种涉及角焊缝打磨的工艺。打磨完成后，机器人会变成砂磨盘，将其涂抹在整个工件表面，为粉末喷涂做好准备。

“尤其是在打磨方面，机器人可以根据扫描数据自行检测出较粗的焊缝，”Kabir说道。“整个操作过程保持自主。但在某些应用中，焊缝可能非常细。在这种情况下，操作员可以用记号笔标记焊缝。”这样，机器人就能“看到”这些标记，并只打磨这些区域。

同样，对于打磨或抛光，如果产品表面仅需要打磨某些区域，操作员可以使用遮蔽胶带标记需要避开的区域。机器人会根据扫描数据确定哪些区域需要打磨，哪些区域需要避开。

推动进程

对于机器人研磨和精加工而言，优化工艺物理至关重要。正如Kabir所解释的，适用于手动工艺的流程并不一定适用于机器人。例如，手动磨床或砂光机的停机时间可以让研磨介质、砂轮和备用介质有时间冷却。

另一方面，机器人可以施加更大的力，并连续运行数小时。如果设计和选择不当，耗材可能会迅速老化。自动化系统需要合理的力、转速、接触角、磨料顺序以及其他十几个参数。例如，这类系统可能需要从粗砂到细砂采用不同的降速顺序。

该公司采用结构光扫描仪、激光扫描仪和高保真二维扫描仪的组合。每个单元使用哪种组合取决于所需的视野、所需的精度、所需的周期时间以及其他特定于应用的变量。当然，材料也很重要，包括其不透明度和反射率。

卡比尔说道，“我们现在正在为某些航空航天部件生产镜面抛光表面。为了扫描高反射材料，我们有时会使用蓝色激光。在其他情况下，我们称用导向涂层，”这是一种对比色的薄层，通常由细粉末制成，这种方法在手动金属抛光应用中已经使用多年。

自主研磨和砂磨技术利用触觉和压力传感器来调整施加的力。即便如此，机器人也从未模拟过人类。熟练的人员会以特定的方式操纵抛光介质，但机器人并非人类。Kabir表示，“使用机器人，我们的产量通常比手动方式高出两到六倍。而我们只有通过推动工艺物理的发展才能做到这一点。”

该公司专注于研磨、砂磨、喷砂和抛光，但也涉足了涂层和喷漆等其他工艺领域。机器人系统尚未安装在在线粉末喷涂系统上，但它们已在大型喷漆室中用于固定部件的喷涂作业。Kabir表示，“目前，我们专注于表面精加工和表面处理领域。但未来，我们将为不同的手持式工具工艺操作制定更长远的发展路线图。”