工業機器人應用于金屬擠壓領域

郭煜　周晉峰　郭宏偉

【摘 要】本文將機器人技術引入到金屬擠壓領域，利用一臺工業機器人，來完成穿孔針更換、擠壓筒清理等多項不同的輔助功能。有效地提高了金屬擠壓過程的自動化水平與可控性，提高了金屬擠壓生產效率和產品質量。

【關鍵詞】工業機器人；金屬擠壓機；輔助機械

0 導語

隨著國內建筑業的迅猛發展以及人民生活水平的不斷提高，高鐵、飛機、汽車等正以其環保、節能、美觀、實用等特點逐漸取代傳統的金屬材料；高鐵、飛機、汽車的制造對鋁異型材的需求提出更高的要求這就必然促進對異型材擠出設備裝備的技術升級與更新換代。本文將論述工業機器人即將取代傳統擠壓機的輔助機械設備。

1 擠壓機的構成

擠壓機是由機械部分、液壓部分以及電氣部分組成。

傳統的擠壓機機械部分包括：底座、前后梁、拉桿、剪刀座、模座、上下導軌板、機械手送錠器、擠壓筒、擠壓桿組成。

液壓系統由主缸、鎖緊缸、模座油缸、柱塞油缸、閥塊、油管、油箱以及各種液壓控制閥組成。

電氣部分主要由供電柜、操作臺、PLC可編程控制器、顯示屏等組成。

2 擠壓機的工作原理

型材擠壓是對放在擠壓筒內的金屬坯料施加外力，使之從特定的?？字辛鞒?，獲得所需斷面形狀和尺寸的一種塑性加工工作的原理。

3 擠壓機的分類

根據鋁型材擠壓筒內金屬的種類，應力應變狀態，鋁型材擠壓方向，潤滑狀態，擠壓溫度，擠壓速度，工模具的種類或結構，坯料的型狀或數目，制品的型狀或數目等的不同，可分為正向擠壓法，反向擠壓法，（包括平面變形擠壓，軸對稱變形擠壓，一般三維變形擠壓）連續擠壓法等。

正向擠壓時，金屬的流動方向與擠壓桿的運動方向相同，其主要特征是錠坯與擠壓筒內壁間存在較大的外摩擦。

反向擠壓時，金屬的流動方向與擠壓桿的運動方向相反，其主要特征是金屬與擠壓筒內壁間無相對滑動，因此就不存在外摩擦。

4 本文針對機器人在國內某廠45MN臥式正向雙動擠壓機的實際應用，論述工業機器人可取代傳統擠壓機輔助設備生產的部分工藝

國內某廠60MN臥式單動正向擠壓機輔助設備功能

1）擠壓墊的更換

采用一臺單獨為其動作的機械手來完成。

2）穿孔針的更換

采用人工安裝固定穿孔針；采用液壓馬達旋轉拆除穿孔針；使用車間配置天車將拆除的穿孔針吊離設備。

3）擠壓筒清潔墊的清潔

用車間天車將擠壓墊吊至頂桿前，再用頂桿向前推進進行清掃；此法清洗不干凈、不徹底而且容易使設備接觸面產生劃痕。

4）擠壓筒的潤滑

單獨設置一套潤滑裝置來實現部件的潤滑，成本高。

目前國內擠壓機輔助設備一般采用上述生產工藝，這樣的擠壓機輔助機械存在機構繁雜、動作復雜、精度偏低的現狀，下圖為國內某廠60MN單動正向擠壓機輔助設備系統，設備配置復雜，占地面積大，線路復雜，保養及維修困難、并需大量的手動人工操作，這樣就會大大影響生產效率與型材制品質量。

傳統生產過程中的手工操作方式已無法滿足金屬擠壓加工工業的高速發展和激烈的國際競爭需求。

5 工業機器人的結構及工作原理

圖1 60MN臥式單動正向擠壓機輔助機械設備系統

機器人包括機身、臂部、手腕、末端操作器、行走機構構成、驅動系統、控制系統、感知系統構成。

驅動系統主要是控制機械系統裝置動作，根據驅動源的不同分為：電氣、液壓、氣動驅動。

控制系統主要是根據驅動系統作業指令程序和傳感器反饋的信號來完成規定的動作和任務。

感知系統由機器人內外部傳感器組成，其作用是獲得在生產過程中內外部的環境信息。

其工作原理為：控制系統發出動作指令，控制驅動器動作，驅動器帶動機械系統運動，使末端操作器到達空間某一位置和實現某一姿態，實施完成一定的作業任務，末端操作器在空間的實時位姿由感應系統反饋給控制系統，控制系統再把實際位姿相比較，發出下一個動作指令，如此循環，直達完成任務為止。

6 機器人的金屬擠壓系統組成與布局

本系統主要有金屬擠壓機本體、上料機構、機器人輔助系統、電氣控制部分組成。其中金屬擠壓機主機是完成金屬擠壓加工和生產的基本設備，通過擠壓將金屬坯錠一次加工成管、棒、T型、L型等型材。上料機構主要將預處理后的金屬坯錠輸送帶到金屬擠壓機的擠壓筒內。機器人輔助系統主要由機器人本體、地裝導軌、工裝系統、機器人控制器組成。主要完成自動化換穿孔針、擠壓筒清理、擠壓筒潤滑、模具清理、模具潤滑、拍照檢查擠壓筒內孔和模具表面、坯料在擠壓筒內轉動等功能。電氣控制部分控制著系統各組成部分的協調工作。其技術的先進性、完善性和可靠性，控制方法的靈活性和有效性直接決定了生產線的自動化程度和生產效率。

為了能夠充分發揮機器人金屬擠壓系統的最大生產能力，根據擠壓機的生產工藝、物流方向和機器人的工作范圍及現場實際情況，可對系統進行合理的規劃和開發。

國內某廠的45MN雙動正向擠壓機的設備安裝過程中設計單位運用機器人替代了所有擠壓機輔助設備的功能來實現穿孔針更換、擠壓筒清理、擠壓筒潤滑、坯料旋轉、拍照檢查等功能。

1）機器人的金屬擠壓系統輔助設備工作流程

擠壓筒打開——機器人開始動作——更換穿孔針——擠壓筒及模具進行清理、潤滑——潤滑后的擠壓筒、模具拍照檢查并確認清理潤滑效果——根據清理潤滑效果及機器人采集的數據來確定是否對擠壓筒和模具進行再次清理、潤滑——當擠壓筒與模具清理潤滑效果良好并且加熱爐準備完成時——機器人更換工裝，從模具加熱爐抓取穿孔針并將穿孔針安裝至擠壓機穿孔針座上——上料機構將坯料送至擠壓筒內后，機器人對坯料進行旋轉，以達到充分潤滑的目的——最后機器人退出擠壓機，擠壓機進行擠壓。

2）機器人控制系統

機器人可做施工現場控制

如：擠壓力、穿孔力、擠壓流程控制等

機器人外部監控

如：擠壓設備狀態監控和產品位置監控等機器人過程控制

如：所有擠壓產品的性能數據的采集及收集。

3）采用工業機器人生產工藝的優勢

可以用一臺設備代替多臺單獨設備進行同樣甚至更多可開發的工作。減少了車間使用面積以及設備基礎的施工建設，由于機器人的自動化強度高，所以大大減低了生產成本，提供工作效率；降低了傳統人工操作的危險性；增加精準度，提高時效，用機器人清潔擠壓筒，更能使其干凈徹底，最關鍵的是可以提高擠壓筒的使用壽命，大大降低設備維修成本。同時機器人是可開發項目，可將其開發增加更多的使用工序，如：更換頂桿、還可代替送錠機將坯料運送至擠壓中心等等待開發的功能。

4）采用工業機器人的特點

相對于只能實現單一功能的金屬擠壓機專用輔助設備，工業機器人具有柔性化的特點，其只需調用不同程序，換用不同工裝，即可完成多臺不同擠壓機輔助設備的工作，從而取代多臺不同的擠壓機輔助設備，其成本優勢更加明顯。

7 結束語

工業機器人是機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科高新技術于一體的機電一體化數字化裝備，具有長期工作可靠性高和穩定性好，并且能夠承擔和替代人的許多工作任務。對提高產品的質量與產量、保障人身安全，改善勞動環境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節約原材料消耗以及降低生產成本，減少資源消耗和環境污染起到了巨大的作用，是國內金屬擠壓領域發展的必然方向。

[責任編輯：朱麗娜]