郭煜　周晉峰　郭宏偉

【摘 要】本文將機(jī)器人技術(shù)引入到金屬擠壓領(lǐng)域，利用一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，來(lái)完成穿孔針更換、擠壓筒清理等多項(xiàng)不同的輔助功能。有效地提高了金屬擠壓過(guò)程的自動(dòng)化水平與可控性，提高了金屬擠壓生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)機(jī)器人；金屬擠壓機(jī)；輔助機(jī)械

0 導(dǎo)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)建筑業(yè)的迅猛發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，高鐵、飛機(jī)、汽車等正以其環(huán)保、節(jié)能、美觀、實(shí)用等特點(diǎn)逐漸取代傳統(tǒng)的金屬材料；高鐵、飛機(jī)、汽車的制造對(duì)鋁異型材的需求提出更高的要求這就必然促進(jìn)對(duì)異型材擠出設(shè)備裝備的技術(shù)升級(jí)與更新?lián)Q代。本文將論述工業(yè)機(jī)器人即將取代傳統(tǒng)擠壓機(jī)的輔助機(jī)械設(shè)備。

1 擠壓機(jī)的構(gòu)成

擠壓機(jī)是由機(jī)械部分、液壓部分以及電氣部分組成。

傳統(tǒng)的擠壓機(jī)機(jī)械部分包括：底座、前后梁、拉桿、剪刀座、模座、上下導(dǎo)軌板、機(jī)械手送錠器、擠壓筒、擠壓桿組成。

液壓系統(tǒng)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(tái)、PLC可編程控制器、顯示屏等組成。

2 擠壓機(jī)的工作原理

型材擠壓是對(duì)放在擠壓筒內(nèi)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(jī)的分類

根據(jù)鋁型材擠壓筒內(nèi)金屬的種類，應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，鋁型材擠壓方向，潤(rùn)滑狀態(tài)，擠壓溫度，擠壓速度，工模具的種類或結(jié)構(gòu)，坯料的型狀或數(shù)目，制品的型狀或數(shù)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(duì)稱變形擠壓，一般三維變形擠壓）連續(xù)擠壓法等。

正向擠壓時(shí)，金屬的流動(dòng)方向與擠壓桿的運(yùn)動(dòng)方向相同，其主要特征是錠坯與擠壓筒內(nèi)壁間存在較大的外摩擦。

反向擠壓時(shí)，金屬的流動(dòng)方向與擠壓桿的運(yùn)動(dòng)方向相反，其主要特征是金屬與擠壓筒內(nèi)壁間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，因此就不存在外摩擦。

4 本文針對(duì)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)某廠45MN臥式正向雙動(dòng)擠壓機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，論述工業(yè)機(jī)器人可取代傳統(tǒng)擠壓機(jī)輔助設(shè)備生產(chǎn)的部分工藝

國(guó)內(nèi)某廠60MN臥式單動(dòng)正向擠壓機(jī)輔助設(shè)備功能

1）擠壓墊的更換

采用一臺(tái)單獨(dú)為其動(dòng)作的機(jī)械手來(lái)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(dá)旋轉(zhuǎn)拆除穿孔針；使用車間配置天車將拆除的穿孔針吊離設(shè)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(jìn)進(jìn)行清掃；此法清洗不干凈、不徹底而且容易使設(shè)備接觸面產(chǎn)生劃痕。

4）擠壓筒的潤(rùn)滑

單獨(dú)設(shè)置一套潤(rùn)滑裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)部件的潤(rùn)滑，成本高。

目前國(guó)內(nèi)擠壓機(jī)輔助設(shè)備一般采用上述生產(chǎn)工藝，這樣的擠壓機(jī)輔助機(jī)械存在機(jī)構(gòu)繁雜、動(dòng)作復(fù)雜、精度偏低的現(xiàn)狀，下圖為國(guó)內(nèi)某廠60MN單動(dòng)正向擠壓機(jī)輔助設(shè)備系統(tǒng)，設(shè)備配置復(fù)雜，占地面積大，線路復(fù)雜，保養(yǎng)及維修困難、并需大量的手動(dòng)人工操作，這樣就會(huì)大大影響生產(chǎn)效率與型材制品質(zhì)量。

傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中的手工操作方式已無(wú)法滿足金屬擠壓加工工業(yè)的高速發(fā)展和激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)需求。

5 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 60MN臥式單動(dòng)正向擠壓機(jī)輔助機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)

機(jī)器人包括機(jī)身、臂部、手腕、末端操作器、行走機(jī)構(gòu)構(gòu)成、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)構(gòu)成。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是控制機(jī)械系統(tǒng)裝置動(dòng)作，根據(jù)驅(qū)動(dòng)源的不同分為：電氣、液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

控制系統(tǒng)主要是根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作業(yè)指令程序和傳感器反饋的信號(hào)來(lái)完成規(guī)定的動(dòng)作和任務(wù)。

感知系統(tǒng)由機(jī)器人內(nèi)外部傳感器組成，其作用是獲得在生產(chǎn)過(guò)程中內(nèi)外部的環(huán)境信息。

其工作原理為：控制系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作指令，控制驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，使末端操作器到達(dá)空間某一位置和實(shí)現(xiàn)某一姿態(tài)，實(shí)施完成一定的作業(yè)任務(wù)，末端操作器在空間的實(shí)時(shí)位姿由感應(yīng)系統(tǒng)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再把實(shí)際位姿相比較，發(fā)出下一個(gè)動(dòng)作指令，如此循環(huán)，直達(dá)完成任務(wù)為止。

6 機(jī)器人的金屬擠壓系統(tǒng)組成與布局

本系統(tǒng)主要有金屬擠壓機(jī)本體、上料機(jī)構(gòu)、機(jī)器人輔助系統(tǒng)、電氣控制部分組成。其中金屬擠壓機(jī)主機(jī)是完成金屬擠壓加工和生產(chǎn)的基本設(shè)備，通過(guò)擠壓將金屬坯錠一次加工成管、棒、T型、L型等型材。上料機(jī)構(gòu)主要將預(yù)處理后的金屬坯錠輸送帶到金屬擠壓機(jī)的擠壓筒內(nèi)。機(jī)器人輔助系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、地裝導(dǎo)軌、工裝系統(tǒng)、機(jī)器人控制器組成。主要完成自動(dòng)化換穿孔針、擠壓筒清理、擠壓筒潤(rùn)滑、模具清理、模具潤(rùn)滑、拍照檢查擠壓筒內(nèi)孔和模具表面、坯料在擠壓筒內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)等功能。電氣控制部分控制著系統(tǒng)各組成部分的協(xié)調(diào)工作。其技術(shù)的先進(jìn)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(chǎn)線的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。

為了能夠充分發(fā)揮機(jī)器人金屬擠壓系統(tǒng)的最大生產(chǎn)能力，根據(jù)擠壓機(jī)的生產(chǎn)工藝、物流方向和機(jī)器人的工作范圍及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的規(guī)劃和開(kāi)發(fā)。

國(guó)內(nèi)某廠的45MN雙動(dòng)正向擠壓機(jī)的設(shè)備安裝過(guò)程中設(shè)計(jì)單位運(yùn)用機(jī)器人替代了所有擠壓機(jī)輔助設(shè)備的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)穿孔針更換、擠壓筒清理、擠壓筒潤(rùn)滑、坯料旋轉(zhuǎn)、拍照檢查等功能。

1）機(jī)器人的金屬擠壓系統(tǒng)輔助設(shè)備工作流程

擠壓筒打開(kāi)——機(jī)器人開(kāi)始動(dòng)作——更換穿孔針——擠壓筒及模具進(jìn)行清理、潤(rùn)滑——潤(rùn)滑后的擠壓筒、模具拍照檢查并確認(rèn)清理潤(rùn)滑效果——根據(jù)清理潤(rùn)滑效果及機(jī)器人采集的數(shù)據(jù)來(lái)確定是否對(duì)擠壓筒和模具進(jìn)行再次清理、潤(rùn)滑——當(dāng)擠壓筒與模具清理潤(rùn)滑效果良好并且加熱爐準(zhǔn)備完成時(shí)——機(jī)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(jī)穿孔針座上——上料機(jī)構(gòu)將坯料送至擠壓筒內(nèi)后，機(jī)器人對(duì)坯料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到充分潤(rùn)滑的目的——最后機(jī)器人退出擠壓機(jī)，擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓。

2）機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人可做施工現(xiàn)場(chǎng)控制

如：擠壓力、穿孔力、擠壓流程控制等

機(jī)器人外部監(jiān)控

如：擠壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和產(chǎn)品位置監(jiān)控等機(jī)器人過(guò)程控制

如：所有擠壓產(chǎn)品的性能數(shù)據(jù)的采集及收集。

3）采用工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢(shì)

可以用一臺(tái)設(shè)備代替多臺(tái)單獨(dú)設(shè)備進(jìn)行同樣甚至更多可開(kāi)發(fā)的工作。減少了車間使用面積以及設(shè)備基礎(chǔ)的施工建設(shè)，由于機(jī)器人的自動(dòng)化強(qiáng)度高，所以大大減低了生產(chǎn)成本，提供工作效率；降低了傳統(tǒng)人工操作的危險(xiǎn)性；增加精準(zhǔn)度，提高時(shí)效，用機(jī)器人清潔擠壓筒，更能使其干凈徹底，最關(guān)鍵的是可以提高擠壓筒的使用壽命，大大降低設(shè)備維修成本。同時(shí)機(jī)器人是可開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，可將其開(kāi)發(fā)增加更多的使用工序，如：更換頂桿、還可代替送錠機(jī)將坯料運(yùn)送至擠壓中心等等待開(kāi)發(fā)的功能。

4）采用工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)

相對(duì)于只能實(shí)現(xiàn)單一功能的金屬擠壓機(jī)專用輔助設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人具有柔性化的特點(diǎn)，其只需調(diào)用不同程序，換用不同工裝，即可完成多臺(tái)不同擠壓機(jī)輔助設(shè)備的工作，從而取代多臺(tái)不同的擠壓機(jī)輔助設(shè)備，其成本優(yōu)勢(shì)更加明顯。

7 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人是機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科高新技術(shù)于一體的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備，具有長(zhǎng)期工作可靠性高和穩(wěn)定性好，并且能夠承擔(dān)和替代人的許多工作任務(wù)。對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量、保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，減少資源消耗和環(huán)境污染起到了巨大的作用，是國(guó)內(nèi)金屬擠壓領(lǐng)域發(fā)展的必然方向。

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