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工業(yè)機(jī)器人在鑄件清理自動化中的應(yīng)用

更新時間:2022-04-15 點擊數(shù):724

鑄造是制造業(yè)的基礎(chǔ),隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,鑄造行業(yè)也得到了迅猛發(fā)展,但是在發(fā)展過程中鑄件清理自動化很少被重視,一直依靠人工打磨。人工打磨車間勞動環(huán)境惡劣、安全性差,打磨工人勞動強(qiáng)度大,并容易得職業(yè)病。隨著鑄造生產(chǎn)的規(guī)模不斷擴(kuò)大、環(huán)保的要求不斷提高、人力成本的不斷上升,鑄造清理自動化已成為鑄造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

   自從20世紀(jì)60年代誕生了工業(yè)機(jī)器人,它就成為人力的最佳替代方式,替代人工處理重復(fù)性高、定位準(zhǔn)確、危險性大、批量生產(chǎn)的工作。隨著傳感器技術(shù)、電腦技術(shù)和人工智能的發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人逐漸從呆板、機(jī)械向柔性、智能方向發(fā)展,并逐步應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個行業(yè)和其它領(lǐng)域(如航天、醫(yī)療),它也將應(yīng)用于鑄件清理,將人工解放出來,實現(xiàn)鑄件清理的自動化。

1 現(xiàn)有鑄件清理模式

   鑄件清理是鑄造流程的最后工序,圖1描述了鑄件清理的通常流程,其中清砂、粗拋、精拋、機(jī)加工主要由機(jī)械設(shè)備來完成,去澆冒口指人工敲掉殘余澆冒口和排氣針,打磨是對人工敲掉澆冒口、排氣針的殘余和飛邊進(jìn)行磨削。目前打磨的方式有人工打磨、鑄件磨削機(jī)和機(jī)器人打磨。

(1)人工打磨

   鑄件打磨目前主要是由人工打磨來完成,對于小的工件,工人拿著工件在砂輪機(jī)、砂帶機(jī)上打磨,對于大的工件工人拿著手動工具配切割片、旋轉(zhuǎn)銼進(jìn)行打磨,對有色鑄件工人拿錘子、鑿子進(jìn)行清理。

(2)鑄件磨削機(jī)

   鑄件磨削機(jī)主要用于發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋、曲軸箱等鑄件的多面磨削, 以及同類鑄件飛邊、平面的粗磨削。相比于人工打磨,鑄件磨削機(jī)具有加工效率高、打磨質(zhì)量好的優(yōu)點。它主要適用于生產(chǎn)批量大的鑄件。

(3)機(jī)器人打磨

   現(xiàn)代六軸工業(yè)機(jī)器人能夠在惡劣的環(huán)境下持續(xù)工作,并能很好地模擬人手臂的各種動作,其機(jī)器人打磨主要特點有以下6點:

1)高精度的重復(fù)性:現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人(以Kuka機(jī)器人為例)的空間重復(fù)定位精度達(dá)到0.012mm,保證加工的準(zhǔn)確。

2)高級控制系統(tǒng): 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人普遍采用高級編程語言,可以通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的加工工藝,對外形復(fù)雜的工件也能夠?qū)崿F(xiàn)自動化打磨。

3)強(qiáng)大的擴(kuò)展性:機(jī)器人打磨單元既可以作為獨立的單元,也可以通過工業(yè)通信方式將機(jī)器人工作單元集成到自動化生產(chǎn)性中,通過中央管理系統(tǒng)實現(xiàn)單元生產(chǎn)的最優(yōu)化和整線生產(chǎn)效率的最大化。

4)靈活性: 快換法蘭盤使得機(jī)器人能夠快速地更換抓手,實現(xiàn)一個單元能夠打磨多種鑄件。離線編程技術(shù)能夠快速開發(fā)新工藝、降低工藝開發(fā)風(fēng)險,并且無需生產(chǎn)單元停機(jī),克服了磨削專機(jī)的缺點。

5)大承載:機(jī)器人的承載范圍從5Kg到1500Kg, 可以根據(jù)實際應(yīng)用需要選擇合適的機(jī)器人。

6)大范圍:機(jī)器人的工作可達(dá)范圍從0.5m到3.8m,還可以給機(jī)器人加配第7軸運動導(dǎo)軌,擴(kuò)大它的運動范圍。

2 鑄件清理自動化的難點

  在人工打磨時工人能夠通過目視判斷工件的冒口、飛邊的位置、大小,采用合理的打磨工具和打磨方式,通過觸覺感知控制磨削進(jìn)刀量和進(jìn)給速度。而傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備只能按設(shè)定的工藝進(jìn)行工作,這是目前制約鑄件清理自動化發(fā)展的瓶頸。圖2列出了鑄件清理自動化的難點。

  按GB/T 6414—1999《鑄件 尺寸公差與機(jī)械加工余量》的鑄件公差等級標(biāo)準(zhǔn),一個40-63mm長的鑄件,按公差等級9可以允許在長度方向上有2mm的公差。機(jī)械設(shè)備按設(shè)定程序打磨,將會出現(xiàn)打磨不到位或打磨過多傷及本體的問題。而且人工處理澆冒口、氣針后的殘余也會大小不一,鑄造過程中產(chǎn)生的披縫也使得鑄件飛邊的厚度和高度不一,這些因素決定了自動化打磨無法向加工中心那樣設(shè)計工藝,控制進(jìn)刀量和進(jìn)給速度,對打磨工具和刀具提出了更高的要求。

  除了打磨工藝之外,自動化打磨設(shè)備還要考慮環(huán)保和安全,設(shè)計吸塵排屑系統(tǒng),對于有色鑄件(鑄鋁件、鋁鎂合金)要做防爆設(shè)計。不同鑄件需要設(shè)計不同的抓手(機(jī)器人抓工件)和夾具(機(jī)器人抓工具),抓手、夾具的設(shè)計既要考慮重復(fù)定位的準(zhǔn)確性又要考慮能夠打磨盡量多的部位。


3 機(jī)器人打磨技術(shù)

  機(jī)器人的工作軌跡是事先設(shè)定的,無法應(yīng)對鑄件毛坯的公差和飛邊大小不一的問題。傳感器、機(jī)器視覺技術(shù)融入到機(jī)器人應(yīng)用,使機(jī)器人自動化打磨成為現(xiàn)實。


(1)柔性裝置

 所謂柔性裝置是指在保持恒定打磨力的條件下,讓打磨刀具(砂輪、旋轉(zhuǎn)銼)能夠依照鑄件打磨部位尺寸的變換而自動發(fā)生偏移或偏轉(zhuǎn)。按其機(jī)構(gòu)和工作原理可以分為電子式和機(jī)械式。

 電子式柔性裝置利用力傳感器實時監(jiān)測打磨力,機(jī)器人運動控制系統(tǒng)按打磨力的變化實時調(diào)節(jié)機(jī)器人的姿態(tài)、位置等參數(shù),通過閉環(huán)控制實現(xiàn)機(jī)器人保持恒定力來打磨鑄件。一維力傳感器只感應(yīng)打磨預(yù)應(yīng)力,機(jī)器人的運動速度和位置隨著預(yù)應(yīng)力的變化而變化。對于外形復(fù)雜而且加工質(zhì)量要求高的鑄件打磨采用六維力傳感器,它能感知X、Y、Z方向的力和扭矩,根據(jù)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù),機(jī)器人運動控制器調(diào)節(jié)機(jī)器人運動速度、位置、姿態(tài),保證最優(yōu)的打磨工藝。

 機(jī)械式柔性裝置在打磨過程中隨打磨力的變化產(chǎn)生自適應(yīng)的偏移,保持打磨力動態(tài)的平衡。簡單的打磨可以利用一維柔性裝置,實現(xiàn)一個方向上的自適應(yīng)。對于外形復(fù)雜的鑄件,例如處理曲線的飛邊,一維柔性無法同時響應(yīng)兩個方向力的變化,就需要二維柔性。和電子式柔性裝置相比較,機(jī)械式柔性裝置的實時性更好,但由于無法感知偏移量,無法保證打磨質(zhì)量,只能起到保護(hù)工具的作用。格林策巴赫機(jī)械(上海)有限公司研發(fā)了帶柔性反饋機(jī)制的柔性裝置,控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r的獲得偏移量,實時修正打磨參數(shù),依據(jù)反饋數(shù)據(jù)繪制打磨刀具實際的工作軌跡,重而能夠判斷是否清理干凈鑄件,并采取相應(yīng)的措施。

(2)機(jī)器視覺

  柔性裝置給機(jī)器人配上了觸覺功能,那么機(jī)器視覺將給機(jī)器人安上眼睛。如果機(jī)器人有了視覺功能就能夠自動抓取工件,識別打磨部位位置和冒口、飛邊的尺寸,打磨后能夠進(jìn)行質(zhì)量檢測。

  利用相機(jī)鏡頭對鑄件拍照,通過圖片信息處理軟件計算鑄件的擺放位置,將位置坐標(biāo)傳送給機(jī)器人控制系統(tǒng),機(jī)器人自行抓取鑄件。這樣可以節(jié)省夾具的設(shè)計,簡化上下料的設(shè)計,實現(xiàn)多規(guī)格鑄件的混線自動打磨,避免了人工操作錯誤。

  利用機(jī)器視覺的三維掃描技術(shù)可以對鑄件進(jìn)行掃描獲得CAD數(shù)據(jù),通過和模型CAD數(shù)據(jù)的比對識別冒口、飛邊的大小,然后利用離線編程技術(shù)結(jié)合工藝規(guī)則生成機(jī)器人打磨程序,該種方式非常適合大型和特大型鑄件的自動化打磨. 機(jī)器視覺還可以對鑄件打磨后進(jìn)行表面質(zhì)量檢測,不合格的進(jìn)行再處理。自動檢測保證了大批量生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量,在同一工位發(fā)現(xiàn)問題并及時處理,節(jié)約了流轉(zhuǎn)時間和返工成本,如果將檢測結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫里,還可以提高質(zhì)量追溯性。

(3)標(biāo)準(zhǔn)化模塊化

  機(jī)器人打磨涉及大量的非標(biāo)設(shè)計和量身定制,如何提高其穩(wěn)定性、擴(kuò)展性和維護(hù)性一直是一個難題,標(biāo)準(zhǔn)化系列化開發(fā)是未來的趨勢。圖4展示的是格林策巴赫機(jī)械(上海)有限公司研發(fā)的緊湊型標(biāo)準(zhǔn)化打磨單元,該單元針對的是50公斤以下的鑄鐵件,采取機(jī)器人抓工件的打磨方式。單元集成了柔性砂帶機(jī)、柔性動力頭、砂輪機(jī)三類打磨工具,鑄件不同部位采用不同的打磨方式,將打磨效率和打磨成本有機(jī)的結(jié)合起來,做到最優(yōu)化。

  采用雙工位旋轉(zhuǎn)臺上料,旋轉(zhuǎn)臺上裝帶定位裝置的托盤,安裝旋轉(zhuǎn)臺上方的攝像頭對托盤上的工件進(jìn)行類型識別,和有無工件的判定,防止人工上料錯誤發(fā)生。對于打磨節(jié)拍快的工件,可以增加視覺的定位功能引導(dǎo)機(jī)器人自動抓取鑄件,工人只需將工件放到托盤上。對于表面加工質(zhì)量高的工件還可以通過視覺進(jìn)行質(zhì)量檢測,對打磨不合格的鑄件,可以馬上進(jìn)行精整。在旋轉(zhuǎn)臺上方設(shè)有抓手支架,支持單元打磨多種工件。

  標(biāo)準(zhǔn)單元還集成了排屑、吸塵系統(tǒng),對打磨的鐵屑、粉塵進(jìn)行回收,降低打磨車間的粉塵污染,通過合理的布局設(shè)計減少了占地面積、方便了多個單元在車間里的連排布局,對于復(fù)雜的鑄件還可以通過多個單元的組合實現(xiàn)一次上料自動打磨完成,無需單個單元的機(jī)器人更換抓手來多次抓取,也無需人工多次上下料,提高打磨效率。

  單元的控制系統(tǒng)提供友好、簡便的操作界面,提供鑄件打磨工藝管理功能,一個類型的鑄件對應(yīng)一種工藝,操作人員可以按生產(chǎn)計劃來更換打磨的鑄件類型;提供生產(chǎn)管理功能,記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù);監(jiān)控刀具使用情況,在刀具壽命到期時,及時提醒操作員更換刀具;實時地監(jiān)控所有的設(shè)備,實時提供信息、警告和故障報警,出現(xiàn)故障后能引導(dǎo)操作員檢查故障原因和恢復(fù)生產(chǎn)。


4 鑄件清理自動化發(fā)展展望

  使用機(jī)器人打磨是一個必然趨勢,但就機(jī)器人清理自動化而言機(jī)器人打磨只是實現(xiàn)了打磨工序,在各工序間還是由人工完成鑄件的流轉(zhuǎn),清理自動化的方向應(yīng)該是從澆鑄出來到進(jìn)倉庫不落地的在各工序自動流轉(zhuǎn),采用輸送線、AGV小車、機(jī)器人搬運等自動化技術(shù)將各工序自動的銜接起來。在生產(chǎn)自動化的基礎(chǔ)上還可以實現(xiàn)信息流的自動化,納入生產(chǎn)實施系統(tǒng)(MES),通過網(wǎng)絡(luò)采集各生產(chǎn)單元和設(shè)備的數(shù)據(jù),提供實時的生產(chǎn)信息,根據(jù)ERP系統(tǒng)內(nèi)訂單管理信息的變動,實時的生成和更新生產(chǎn)計劃。

  總而言之當(dāng)前鑄件清理自動化還處于起步階段,在清理工藝的研究、設(shè)備開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)管理等方面有很大的空間去研發(fā)、開拓創(chuàng)新。


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