機(jī)器人在鑄件自動(dòng)打磨工藝中的應(yīng)用

王伏銀，吳來發(fā)，尹化保

（安徽合力股份有限公司合肥鑄鍛廠，安徽合肥 230601）

目前，鑄造行業(yè)內(nèi)鑄件的打磨基本為人工或半機(jī)械打磨，勞動(dòng)強(qiáng)度高、灰塵和噪聲大、安全系數(shù)低，還存在招工難問題，不利于企業(yè)和行業(yè)的智能化、自動(dòng)化和安全環(huán)保的發(fā)展。

我廠鑄造的橋體類鑄件產(chǎn)量大、品種多、產(chǎn)品表面質(zhì)量要求高。人工打磨效率不高，打磨成本巨大，灰塵、鐵屑和廢舊砂輪處理困難，橋體表面質(zhì)量不統(tǒng)一，極為影響我廠作為鑄造行業(yè)龍頭企業(yè)的形象，不符合我廠安全環(huán)保和節(jié)能降耗的需求，更不利于企業(yè)自動(dòng)化和智能化的推進(jìn)。

針對我廠的批量較大的叉車橋殼鑄件產(chǎn)品，我們設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)打磨系統(tǒng)設(shè)備，很好的解決了打磨工序的瓶頸。

1 設(shè)計(jì)方案

為解決上述問題，我們?yōu)槠髽I(yè)量身設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化打磨的系統(tǒng)方案，從打磨工藝方案與設(shè)計(jì)、裝夾工藝技術(shù)及輸送循環(huán)設(shè)計(jì)、磨具的試驗(yàn)與設(shè)計(jì)、除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造、廢料集聚排出、整體安全生產(chǎn)等進(jìn)行了全面系統(tǒng)和深入實(shí)際的研究。截止日前，機(jī)器人自動(dòng)打磨項(xiàng)目中研究開發(fā)出的成套關(guān)鍵技術(shù)，能夠很好地應(yīng)用于復(fù)雜鑄鐵件的打磨生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)效率大幅提高，環(huán)境顯著改善，生產(chǎn)過程穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良。

2 自動(dòng)打磨系統(tǒng)的設(shè)備組成及工作原理

自動(dòng)化打磨系統(tǒng)主要配置有以下設(shè)備：機(jī)器人（含機(jī)械臂、電主軸、打磨刀具庫）、工裝夾具、輸送系統(tǒng)（雙層輸送輥道）、除塵系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)等，該系統(tǒng)布置圖如圖1所示。

2.1 機(jī)器人系統(tǒng)

圖1 自動(dòng)化打磨系統(tǒng)布置圖

本方案選擇的機(jī)器人為德國庫卡的兩套210kg六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人，系統(tǒng)主要由機(jī)器人、柔性電主軸、打磨刀具、刀庫、激光檢測系統(tǒng)等組成。機(jī)器人為該自動(dòng)化打磨系統(tǒng)的主體設(shè)備，其位于打磨工裝的兩邊，通過機(jī)器人機(jī)械臂上的機(jī)械手從刀庫抓取不同的打磨刀具對工件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打磨，并完成統(tǒng)計(jì)功能。機(jī)器人的動(dòng)作始終貫穿于整個(gè)自動(dòng)化打磨系統(tǒng)的各個(gè)生產(chǎn)步驟中，六軸均使用伺服電機(jī)和減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)作精準(zhǔn)到位，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重復(fù)定位精度高、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。

對該機(jī)器人打磨系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)在于工件的固定工裝的設(shè)計(jì)，因工件在所有六個(gè)面均需要進(jìn)行打磨，為提高效率，使得一次裝夾就可打磨完整個(gè)工件，我們設(shè)計(jì)了特殊的液壓工裝，抬高工件，并在機(jī)械手上配置視覺掃描以檢測工裝定位的準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)的工裝采用液壓自動(dòng)夾緊及自動(dòng)保壓、泄壓系統(tǒng)。項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)的夾具是人工完成鑄件的裝夾，不僅存在定位誤差，影響鑄件的打磨質(zhì)量，且夾具更換時(shí)還需拆卸油管，管路很多，現(xiàn)場不潔凈。后采用保壓夾具，油路通過保壓夾頭相連，系統(tǒng)可自動(dòng)夾緊，上料后自動(dòng)保壓、下料時(shí)自動(dòng)泄壓。更換夾具時(shí)無需拆卸油管，操作簡單方便，現(xiàn)場非常整潔。工裝結(jié)構(gòu)見圖2、3。

為使打磨時(shí)的剛性得以提高，并保護(hù)輸送系統(tǒng)，我們設(shè)計(jì)了液壓升降系統(tǒng)，使得打磨前，整體的工件、工裝整體抬高，脫離輸送輥道。打磨時(shí)的剛性得以確保。

機(jī)器人打磨軌跡設(shè)定補(bǔ)償點(diǎn)，可根據(jù)打磨情況實(shí)時(shí)修改參數(shù)，調(diào)整打磨參數(shù)，充分保證打磨質(zhì)量。

圖2 轉(zhuǎn)向橋工裝

圖3 驅(qū)動(dòng)橋工裝

機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計(jì)采用柔性電主軸系統(tǒng)。柔性主軸系統(tǒng)的采用，保證了主軸的使用壽命，避免因工件差異等非設(shè)備因素造成的損失。針對鑄件不同位置的打磨情況，將打磨軌跡分段，不同的位置調(diào)用不同的柔性氣壓值。還可根據(jù)刀具使用情況和打磨質(zhì)量，實(shí)時(shí)修改柔性氣壓值。在充分發(fā)揮刀具的最大使用壽命的同時(shí)，保證鑄件表面的打磨質(zhì)量，且對電主軸不造成任何損傷。柔性主軸見圖4，打磨量補(bǔ)償界面見圖5。

圖4 柔性電主軸

冷卻器使得主軸的連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)熱量得以散發(fā)，整個(gè)設(shè)備可以24小時(shí)工作。

2.2 輸送系統(tǒng)

輸送系統(tǒng)由雙層輥道及兩端的液壓升降臺(tái)組成。整個(gè)輸送系統(tǒng)形成一個(gè)閉環(huán)的循環(huán)系統(tǒng)。操作人員在同一個(gè)位置上下工件，上件后整個(gè)輸送系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。另外當(dāng)工人上下工件時(shí)，打磨工位正在打磨，節(jié)省了時(shí)間，單件打磨時(shí)間由人工的約9分鐘/件減少為約3分鐘/件。3分鐘也是整個(gè)自動(dòng)打磨系統(tǒng)的節(jié)拍時(shí)間。

圖5 手動(dòng)補(bǔ)償界面

前期設(shè)計(jì)的方案是由兩個(gè)操作人員完成鑄件打磨，一個(gè)人從上料臺(tái)上料，另一個(gè)人從下料臺(tái)下料。后根據(jù)鑄件打磨節(jié)拍分析，采用雙層輥道，即只需一個(gè)操作人員在同一個(gè)位置完成鑄件的上、下料，節(jié)約了人工成本，且生產(chǎn)節(jié)拍飽滿，鑄件上、下料時(shí)間和機(jī)器人打磨節(jié)拍吻合。

2.3 除塵系統(tǒng)

因?yàn)檎w自動(dòng)打磨系統(tǒng)的打磨工況產(chǎn)生較多的廢鐵屑及灰塵，我們設(shè)計(jì)了設(shè)備下部抽風(fēng)的除塵系統(tǒng)。除塵系統(tǒng)由長袋脈沖低阻袋除塵器、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)氣罐、風(fēng)管、控制柜等組成。

能滿足除塵風(fēng)量為15000m3/小時(shí)的要求，所有風(fēng)管的聯(lián)接在工程內(nèi)。考慮打磨工位含細(xì)鐵屑，選取風(fēng)速控制在1.1m/min以內(nèi),除塵設(shè)備過濾面積260m2。并將主體設(shè)備安裝在車間外部，使得整體打磨室體內(nèi)的環(huán)境得以凈化。

2.4 排屑系統(tǒng)

為使打磨產(chǎn)生的較大顆粒和廢屑能較為方便的收集和搬運(yùn)，我們設(shè)計(jì)了磁性排屑器。下部伸至打磨區(qū)域的下部，并設(shè)計(jì)收集板將區(qū)域廢屑收集掉落至排屑器上，經(jīng)過排屑器自動(dòng)輸送至廢屑料斗車內(nèi)。使得室體內(nèi)部的打磨廢料收集更加的方便、簡潔。并且不影響主體設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行。

2.5 整個(gè)自動(dòng)打磨系統(tǒng)的工藝流程

機(jī)器人自動(dòng)打磨鑄件工藝流程：升降臺(tái)1上件——液壓夾具自動(dòng)夾緊工件——夾緊從上層輥道滾動(dòng)至打磨工位——夾具落下（升降臺(tái)1同時(shí)落下)——激光自動(dòng)檢測——機(jī)器人抓取磨頭打磨——夾具上升——夾具滾動(dòng)至升降臺(tái)2——升降臺(tái)2落下——夾具從下層輥道返回升降臺(tái)1——升降臺(tái)1上升——下件完成。

3 機(jī)器人的動(dòng)作和功能

機(jī)器人機(jī)械手電主軸得到指令從“零位”出發(fā)，經(jīng)抓取刀具、打磨、換刀具、打磨、換刀具、打磨、換刀具、打磨、回到“零位”為一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，正常情況為（不包括故障等意外情況）一個(gè)循環(huán)周期，約3min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人工打磨的約9min。具體動(dòng)作和功能如圖6流程圖所示。圖7為打磨前后的鑄件照片圖。

4 結(jié)論

該車間使用此套設(shè)備后，原來成為工序瓶頸的橋殼打磨任務(wù)，得以很好的解決了，單臺(tái)設(shè)備目前安裝三班不停機(jī)生產(chǎn)。可減少勞動(dòng)力約4人左右。另外，產(chǎn)品的外觀質(zhì)量、一致性得以較大提高，為下道精加工工序的工件自動(dòng)裝夾提供了必要的條件。

圖6 機(jī)器人動(dòng)作流程圖

圖7 橋殼打磨前（上）后（下）

機(jī)器人自動(dòng)打磨橋類鑄件技術(shù)的成功運(yùn)用，為我廠的鑄件打磨工序帶來了新的方向，也為機(jī)器人在鑄件打磨行業(yè)的推進(jìn)開啟了成功的一步，為我廠的綠色鑄造、智能鑄造的實(shí)施進(jìn)行了大膽的探索。

[1] 張福學(xué).機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[2] 郭洪紅．工業(yè)機(jī)器人技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003．

[3] 季翠芳，羿應(yīng)財(cái)．機(jī)器人在自動(dòng)化上下料系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].機(jī)械工程師，2013(10)：136-138.