東風(fēng)精密鑄造有限公司 楊軍，熊亮，張躍華，柳建國(guó)

當(dāng)前，鑄造行業(yè)中鑄件的清理打磨仍然使用大量的人工，而人工成本的不斷上漲加重了鑄造企業(yè)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)粉塵飛揚(yáng)的打磨環(huán)境對(duì)工人身體健康造成極大危害，職業(yè)病預(yù)防、工傷賠償進(jìn)一步提高了人工成本，作業(yè)環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大也使企業(yè)陷入了招工難的困境。另外，大型鑄件使用人工打磨，需要大量的場(chǎng)地，效率低下，打磨質(zhì)量不能保證，這些都無(wú)形中增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。針對(duì)以上問(wèn)題，提出了利用工業(yè)機(jī)器人的多自由度柔性化加工的特點(diǎn)，研究用其替代人工對(duì)鑄件澆口殘留及飛邊進(jìn)行打磨。

經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)很多機(jī)器人具備柔性、多維度、自動(dòng)化特點(diǎn)，且能持續(xù)不間斷地工作，可以滿足鑄件打磨操作。隨著打磨工具、檢測(cè)技術(shù)等相配套技術(shù)的升級(jí)，人工打磨將逐步被機(jī)器人自動(dòng)打磨所替代將是必然發(fā)展趨勢(shì)。

工業(yè)機(jī)器人在精鑄件打磨中的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)：由于精鑄件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輪廓尺寸不一，曲面多,單重輕等特點(diǎn)，因此關(guān)鍵要解決機(jī)器人選型、工裝夾具設(shè)計(jì)、檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)及打磨工具的匹配應(yīng)用，力求達(dá)到對(duì)鑄件澆口及飛邊打磨的效果最佳。

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1. 機(jī)器人的選型

對(duì)于打磨機(jī)器人的選型，主要從機(jī)器人最大載荷、工作軌跡范圍、重復(fù)定位精度、防護(hù)等級(jí)等要求方面進(jìn)行考慮：

（1）機(jī)器人最大載荷 根據(jù)產(chǎn)品、夾具的最大單重，并預(yù)留一定的余量。機(jī)器人最大載荷≥210kg。

（2）工作軌跡范圍 需要保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡完全覆蓋產(chǎn)品打磨的表面。機(jī)器人工作半徑R≥2700mm。

（3）重復(fù)定位精度 產(chǎn)品打磨精度要求±0.5mm，因此機(jī)器人重復(fù)定位精度≤±0.5mm。

（4）防護(hù)等級(jí) 打磨作業(yè)工況惡劣，機(jī)器人防護(hù)等級(jí)要求較高。

本課題選擇KUKA的KR2000打磨機(jī)器人，該機(jī)器人最大載荷210kg，工作半徑達(dá)到 2700mm，重復(fù)定位精度≤0.06mm，設(shè)備防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP65，并具有重復(fù)定位精度、設(shè)備可靠性高等特點(diǎn)，并能在嚴(yán)苛環(huán)境和高危環(huán)境下作業(yè)。

2. 工裝夾具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

工裝夾具是機(jī)器人和打磨產(chǎn)品連接的部件，必須具備穩(wěn)定性強(qiáng)、柔性化高、更換效率高及自帶防錯(cuò)等功能。

本系統(tǒng)的工裝夾具分為以下三部分：

（1）雙工位工作臺(tái) 即有兩個(gè)產(chǎn)品上下料的工作臺(tái)，可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的上下料。工作臺(tái)根據(jù)不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)定位工裝，實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)；同時(shí)，工作臺(tái)設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)識(shí)別人工上零件與系統(tǒng)設(shè)置零件是否匹配，避免工人零件誤放而導(dǎo)致事故發(fā)生。

（2）機(jī)器人抓手 是根據(jù)鑄件尺寸進(jìn)行非標(biāo)制作。機(jī)器人與抓手連接采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭連接，管線通過(guò)航插連接，可達(dá)到快速更換工裝的效果。同時(shí)，抓手設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)識(shí)別抓取零件與系統(tǒng)設(shè)置零件是否匹配，檢測(cè)抓手抓取零件的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步保證系統(tǒng)的安全性。

（3）抓手庫(kù) 是用于存放暫時(shí)閑置的抓手。抓手庫(kù)設(shè)計(jì)抓手定位工裝，保證抓手存放位置的一致性。需要更換抓手時(shí)，人工能快速、輕便地更換。

3. 打磨工具的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用雙頭大功率、大扭矩砂輪機(jī)，配置一厚一薄兩種砂輪片，分別用于切割和打磨，使砂輪機(jī)打磨工件更靈活，可用于處理鑄件的澆冒口殘留和較大飛邊、飛針、毛刺。本系統(tǒng)打磨的產(chǎn)品主要是鑄鋼件，因此砂輪選擇CBN（立方氮化硼）砂輪。該砂輪具有硬度較高、耐熱性強(qiáng)、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，可以較好地保證打磨效率和打磨質(zhì)量。

同時(shí)，系統(tǒng)還配置了兩組打磨動(dòng)力頭，分別為柔性動(dòng)力頭和剛性動(dòng)力頭。柔性動(dòng)力頭采用柱塞式結(jié)構(gòu)，具有大功率、高扭矩、柔性擺動(dòng)、安全保護(hù)及自動(dòng)補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。柔性動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

柔性動(dòng)力裝置能在打磨過(guò)程中隨打磨力的變化產(chǎn)生自適應(yīng)偏移，保持打磨力的動(dòng)態(tài)平衡，保證打磨質(zhì)量，并能起到保護(hù)工具的作用。

4. 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

激光檢測(cè)系統(tǒng)能夠在打磨前對(duì)鑄件各部位特征進(jìn)行掃描檢測(cè)，以獲得鑄件的相對(duì)外形尺寸誤差，通過(guò)相應(yīng)軟件自動(dòng)計(jì)算出補(bǔ)償量，并自動(dòng)調(diào)整打磨軌跡進(jìn)行誤差補(bǔ)償，以提高打磨質(zhì)量。本系統(tǒng)配置一款基恩士IA系列的CMOS模擬激光傳感器，該傳感器具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)，以及通信兼容性好等特點(diǎn)。檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

項(xiàng)目實(shí)施及問(wèn)題解決對(duì)策

精鑄件澆口及飛邊的自動(dòng)化打磨一直是鑄造行業(yè)的難題，存在著打磨效率低、打磨成本高、產(chǎn)品變形量大等技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這些技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，項(xiàng)目組開(kāi)展試驗(yàn)與調(diào)研，并進(jìn)行分析、討論，最終對(duì)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)制定出合理的對(duì)策（見(jiàn)表1）。

社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益

相對(duì)于人工打磨，機(jī)器人在打磨方面有效率高、成本低、打磨質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，機(jī)器人打磨具有較高的靈活性和擴(kuò)展性，即可打磨多種不同型號(hào)的工件，又可以統(tǒng)括多個(gè)單元的集成形成自動(dòng)化生產(chǎn)線，自動(dòng)打磨單元如圖3所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：自動(dòng)打磨單元打磨效率提升100%以上，打磨磨料成本節(jié)省20%以上，產(chǎn)品合格率提升1.2%左右，合計(jì)年創(chuàng)造效益40萬(wàn)元。自動(dòng)打磨單元與人工打磨效果對(duì)比見(jiàn)表2。

圖1 柔性動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)原理

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)

表1 項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策

結(jié)語(yǔ)

圖3 自動(dòng)打磨單元

表2 人工打磨和機(jī)器人打磨效果對(duì)比

本課題是基于精鑄行業(yè)鑄鋼件的澆口及飛邊的自動(dòng)化打磨，利用工業(yè)機(jī)器人替代人工進(jìn)行打磨作業(yè)。該自動(dòng)打磨單元的投產(chǎn)不僅改善了員工的工作環(huán)境，提高了打磨質(zhì)量，降低了打磨成本，而且還提高了公司的自動(dòng)化水平，提升了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

目前僅進(jìn)行了打磨單元初步嘗試，今后要向多品種打磨自動(dòng)線生產(chǎn)方式的研究與應(yīng)用方向努力。