柔性熱鍛線機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建及其實(shí)驗(yàn)研究

周營(yíng)平

摘 要：如今工業(yè)機(jī)器人已成為制造業(yè)中不可或缺的工具，柔性熱鍛機(jī)器人系統(tǒng)便是智能機(jī)器人在熱鍛線的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于提高生產(chǎn)線的柔性化很有意義。應(yīng)用過(guò)程中，機(jī)器人選型和上下料系統(tǒng)的構(gòu)建對(duì)生產(chǎn)極其重要，合適的熱鍛線上下料的構(gòu)建將會(huì)大大提高企業(yè)的效益。該文對(duì)熱鍛上下料系統(tǒng)機(jī)器人的選型進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，分析指出了柔性熱鍛線機(jī)器人上下料系統(tǒng)相關(guān)功能部件的構(gòu)建注意事宜，并對(duì)柔性熱鍛系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究提出了合理的實(shí)驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 熱鍛上下料 構(gòu)建 實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：TH112 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（a）-0001-02

1 柔性熱鍛線機(jī)器人選型

熱鍛是熱鍛生產(chǎn)企業(yè)的核心加工環(huán)節(jié)，在進(jìn)行柔性熱鍛線機(jī)器人選型之初，必須先了解熱鍛件的相關(guān)加工工藝要求，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備，模具、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等情況，配備合理的輔助工裝來(lái)滿足工藝、設(shè)備兼容等問(wèn)題，最后選擇滿足生產(chǎn)要求的機(jī)器人及方案布局。

熱鍛行業(yè)使用的設(shè)備各異，工作空間狹小，考慮其上下料系統(tǒng)的通用性，該文以6關(guān)節(jié)機(jī)器人的圓棒熱鍛上下料來(lái)介紹機(jī)器人和相關(guān)輔助件的選型。由于篇幅限制，只簡(jiǎn)要列出了選型方式核心思想。

（1）初期結(jié)合零件熱鍛工藝、設(shè)備參數(shù)、熱鍛模具定位精度、生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)場(chǎng)地環(huán)境及設(shè)備布局來(lái)確定機(jī)器人需求的數(shù)量、運(yùn)行速度、定位精度、臂展行程，確定機(jī)器人初始的擺放位置。（2）結(jié)合設(shè)備開(kāi)合高度、模具尺寸、熱鍛模具的工件出模方式，構(gòu)建出滿足機(jī)器人手臂不進(jìn)入模具的工件抓取結(jié)構(gòu)及手指夾片長(zhǎng)度，由熱鍛毛坯材料、規(guī)格尺寸、重量、工件抓取位置，結(jié)合手指長(zhǎng)度確定行程≥10 mm和夾持力≥12倍工件重力摩擦力的夾持力的氣缸型號(hào)。（3）由夾持夾具和工件的總重量、總慣量確定滿足負(fù)載及慣量要求的機(jī)器人，結(jié)合機(jī)器人重復(fù)定位精度、臂展及防護(hù)等級(jí)，選定機(jī)器人型號(hào)。（4）由熱鍛設(shè)備上的模具合模面至地面的高度及機(jī)器人上下料的運(yùn)動(dòng)范圍預(yù)確定機(jī)器人的底座高度，上料下料倉(cāng)等輔助部件高度。（5）結(jié)合機(jī)器人位置，組合熱鍛設(shè)備、模具、機(jī)器人底座、上料裝置進(jìn)行上下料動(dòng)作的干涉模擬，完成位置的校驗(yàn)及調(diào)準(zhǔn)，之后再確定產(chǎn)線需求的配套附件。

2 熱鍛上下料系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 加工單元標(biāo)準(zhǔn)配置

坯料經(jīng)加熱后，通常需2次或2次以上熱模鍛加工，本柔性熱鍛線以2次熱鍛加工為例作柔性熱鍛線機(jī)器人上下料介紹。系統(tǒng)由2臺(tái)熱鍛機(jī)、2臺(tái)關(guān)節(jié)機(jī)器人、2套抓手、2套機(jī)器人底座、1臺(tái)中頻爐、1套上料裝置、1套冷卻裝置、1套成品倉(cāng)、1套電氣系統(tǒng)等設(shè)備組成（見(jiàn)圖1）。

2.2 工作流程

2臺(tái)機(jī)械手各裝一個(gè)手爪，負(fù)責(zé)2臺(tái)熱鍛機(jī)的上下料任務(wù)，機(jī)床加工期間機(jī)械手完成工件的交換任務(wù)，不占用機(jī)床加工時(shí)間。流程如下：（1）毛坯從上料裝置分料至導(dǎo)向槽形成一字排列，推送氣缸將毛坯依次推送至中頻爐加熱。（2）加熱完成的坯件從中頻爐滑至末端定位機(jī)構(gòu)，當(dāng)感應(yīng)器檢測(cè)有毛坯來(lái)料時(shí)，機(jī)械手I執(zhí)行抓料動(dòng)作。（3）機(jī)械手I取毛坯后移至熱鍛機(jī)1工位上方，松手爪放工件至工位，機(jī)械手移出。發(fā)出信號(hào)后，熱鍛機(jī)上模向下運(yùn)動(dòng)，完成半成型動(dòng)作；上模上移，發(fā)出信號(hào)后，機(jī)械手I進(jìn)行抓料動(dòng)作。（4）機(jī)械手I取沖壓半成品，移至熱鍛機(jī)2工位上方，松手爪放工件至工位，機(jī)械手移出，發(fā)出安全信號(hào)后，熱鍛機(jī)上模向下運(yùn)動(dòng)，完成成型動(dòng)作，上模上移，發(fā)出信號(hào)，機(jī)械手II進(jìn)行抓料動(dòng)作。（5）機(jī)械手II抓取熱鍛成品，將其放至冷卻裝置上，冷卻完成后，將其放至成品倉(cāng)。（6）機(jī)械手I返回來(lái)料裝置上方，準(zhǔn)備抓料動(dòng)作，如此循環(huán)。

2.3 柔性熱鍛線上下料系統(tǒng)的構(gòu)建注意事項(xiàng)

（1）熱鍛液壓機(jī)：完成各種鍛造工藝的鍛造設(shè)備，是鍛造行業(yè)使用最廣泛的設(shè)備之一，其開(kāi)合狀態(tài)需增設(shè)開(kāi)合到位的檢測(cè)信號(hào)，與機(jī)器人進(jìn)行信號(hào)通信，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上下料的安全運(yùn)行。（2）機(jī)床壓鍛模具：①熱鍛上模、下模須有脫料機(jī)構(gòu)，防止熱鍛件粘模；②工件在下模須有放料定位及導(dǎo)向裝置，方便機(jī)械手取放；③增加高溫物料檢測(cè)信號(hào)。（3）機(jī)器人抓手：手指采用耐高溫的材料加工并使用隔熱材料與氣缸隔開(kāi)，阻擋熱量傳遞，保護(hù)氣缸和機(jī)器人本體。（4）上料裝置：上料裝置由料倉(cāng)、分料裝置、工件推送導(dǎo)向槽裝置組成。分料裝置的氣缸推料板厚度及斜角按圓棒料直徑合理設(shè)計(jì)，要求氣缸帶動(dòng)推料板作上下往復(fù)推料動(dòng)作能實(shí)現(xiàn)圓棒料自動(dòng)滾落至導(dǎo)向槽。（5）中頻感應(yīng)電爐：推送氣缸將導(dǎo)向槽的工件送至中頻感應(yīng)電爐的感應(yīng)圈，之后被快速加熱到發(fā)紅狀態(tài)，然后出料，其出料口需設(shè)置滿足機(jī)器人取料用的擋料定位裝置。（6）控制系統(tǒng)：平臺(tái)需具有良好的開(kāi)放性，支持I/O點(diǎn)的邏輯控制，方便第三方軟硬件的集成，擁有總線流程監(jiān)控，報(bào)警及信息處理功能。（7）冷卻裝置。經(jīng)兩次熱鍛成型后，工件溫度已大幅衰減，冷卻裝置需根據(jù)工藝需要按需配置。旋轉(zhuǎn)料臺(tái)上方設(shè)置冷風(fēng)氣嘴，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中工件以吹冷風(fēng)實(shí)現(xiàn)工件冷卻，其出風(fēng)溫度、壓力及流量需可調(diào)節(jié)。

3 實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)于柔性熱鍛線機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究可以分為兩步進(jìn)行。

3.1 離線仿真實(shí)驗(yàn)

利用合適的離線仿真軟件，設(shè)置好機(jī)器人及各功能部件的仿真環(huán)境，按照預(yù)先邏輯構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真，模擬完成各功能部件的所有工作任務(wù)，檢驗(yàn)機(jī)器人動(dòng)作干涉、產(chǎn)線I/O邏輯控制問(wèn)題，評(píng)估產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍及產(chǎn)能，優(yōu)化機(jī)器人軌跡程序，實(shí)時(shí)調(diào)準(zhǔn)各功能模塊相對(duì)位置，滿足產(chǎn)線生產(chǎn)要求。

3.2 在線驗(yàn)證

在離線仿真校準(zhǔn)完成后，可投入產(chǎn)線部件的加工制作。為了保證系統(tǒng)構(gòu)建的可靠性，產(chǎn)線生產(chǎn)前需要：（1）檢測(cè)識(shí)別高溫紅色物體的傳感器的可靠性，毛坯加熱至鍛壓溫度后，使燒紅工件以1 m/s的速度一字快速流過(guò)，反復(fù)測(cè)試傳感器對(duì)燒紅后物體的穩(wěn)定識(shí)別性能。經(jīng)檢驗(yàn)基恩士LR-TB2000數(shù)字激光傳感器可滿足使用要求。（2）檢測(cè)機(jī)器人手抓手指材料的耐高溫性，毛坯加熱至鍛壓溫度后，依次一字出料，連續(xù)執(zhí)行30 min以上機(jī)器人的取料上下料試驗(yàn)，機(jī)器人手抓手指每次接觸燒紅熱鍛件12 s以上，然后驗(yàn)證工件放置至熱鍛機(jī)床模具的位置是否有跑偏誤差現(xiàn)象，以檢驗(yàn)手指材料、結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的使用性能。經(jīng)驗(yàn)證，手指使用淬火硬度≥52HRC的SDK61熱作模具鋼滿足高溫穩(wěn)定使用的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

該文結(jié)合個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)機(jī)器人的柔性熱鍛線上下料系統(tǒng)進(jìn)行了核心思想的介紹，最后構(gòu)建了加熱、上下料、熱鍛等的全自動(dòng)化柔性熱鍛線機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)，可極大地滿足熱鍛行業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)，具有很大的參考價(jià)值。

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