工业机器人在精铸铸钢件浇口及飞边打磨中的应用

1、杨军 熊亮 东风精密铸造有限公司装备管理部 湖北 十堰 442714摘要：铸件清理是铸造工艺流程中的薄弱环节，大量的使用人力打磨。本文就工业机器人在铸件清理存在的技术难点进行分析，探讨工业机器人集合柔性系统、变形检测系统及新型打磨工具在铸件清理自动化中的应用，为铸件生产清理自动化的发展提供实践参考。关键词：工业机器人柔性系统变形检测系统新型打磨工具前言当前铸造行业中铸件的清理打磨仍然使用大量的人工，工资的不断上涨加重了铸造企业的负担，打磨环境和飞扬的粉尘对工人身体健康造成极大危害。职业病、工伤赔偿进一步提高了人工成本，也使企业陷入了招工难的困境。大型铸件使用人工打磨，需要大量的场地，效率低下，

2、打磨质量不能保证，这些都无形地增加了企业的生产成本。针对以上问题，提出了利用工业机器人的多自由度柔性化加工的特点，替代人工对铸件浇口及飞边进行打磨。现代6轴机器人是一种柔性自动化设备，且能持续不间断的工作。随着打磨工具、检测技术等相配套技术的升级，人工打磨将逐步被机器人自动打磨所替代。1 系统方案设计机器人的选型对于打磨机器人的选型，主要从机器人最大载荷，工作轨迹范围，重复定位精度，防护等级等要求方面进行考虑：机器人最大载荷：根据产品、夹具的最大单重，并预留一定的余量。机器人最大载荷210KG。工作轨迹范围：需要保证机器人运动轨迹完全覆盖产品打磨的表面。机器人工作半径R2700mm。重复定位精

3、度：产品打磨精度要求±0.5mm，所以机器人重复定位精度±0.5mm。防护等级：打磨作业工况恶劣，机器人防护等级要求较高。本课题选择KUKA的KR2000打磨机器人，该机器人最大载荷210KG，工作半径达到 2700mm，重复定位精度0.06mm，设备防护等级达到IP65。并具有重复定位精度高，设备可靠性高等特点，并能在严苛环境和高危环境下作业。工装夹具系统的设计工装夹具是机器人和打磨产品连接的部件，必须具备稳定性强、柔性化高、更换效率高，自带防错等功能。本系统的工装夹具分为三部分：1.双工位工作台；3.抓手库。双工位工作台有两个产品上下料的工作台，可单独实现产品的上下料。

4、工作台根据不同的产品设计产品定位工装，实现柔性化生产；工装定位采用浮动结构，避免因为零件变形导致的抓取零件错位；同时，工作台设计了检测系统，能够自动识别人工上件零件与系统设置零件是否匹配，避免工人零件误放而导致的事故发生。工作台结构原理如图1：图1工作台结构图机器人抓手是根据铸件尺寸进行非标制作。机器人与抓手连接采用标准法兰连接，管线通过航插连接，可达到快速更换工装的效果。同时，抓手设计了检测系统，能够自动识别抓取零件与系统设置零件是否匹配，检测抓手抓取零件的准确性，进一步保证系统的安全性。抓手库是用于存放暂时闲置的抓手。抓手库设计抓手定位工装，保证抓手存放位置的一致性。需要更换抓手时，人工能

5、快速、轻便的更换；1.3打磨工具的设计本系统选用双头大功率、大扭矩砂轮机，配置一厚一薄砂轮片，分别用于切割和打磨，使砂轮机打磨工件更灵活，用于处理铸件的浇冒口残留和较大飞边、飞针、毛刺。本系统打磨产品主要是铸钢件，所以砂轮选择CBN（立方氮化硼）砂轮。该砂轮具有硬度较高，耐热性强，耐磨损等优点。可以较好的保证打磨效率和打磨质量。同时，系统还配置了两组打磨动力头，分别为柔性动力头和钢性动力头。柔性动力头采用柱塞式结构，具有大功率、高扭矩、柔性摆动、安全保护、自动补偿等特点。柔性动力头的结构原理如图2：图2 柔性动力头结构原理图 柔性动力装置能在打磨过程中随打磨力的变化产生自适应的偏移，

6、保持打磨力动态的平衡，保证打磨质量，并能起到保护工具的作用。1.4检测系统的设计激光检测系统能够在打磨前对铸件各特征部位进行扫描检测，以获得铸件的相对外形尺寸误差，通过相应软件自动计算出补偿量，并自动调整打磨轨迹进行误差补偿， 以提高打磨质量。本系统配置一款基恩士IA系列的CMOS模拟激光传感器，该传感器具有精度高，抗干扰能力强，通信兼容性好等特点。检测系统如图3：图3检测系统2 项目风险及对策针对铸钢件浇口及飞边的自动化打磨一直是铸造行业的难题，存在着打磨效率低、打磨成本高、产品变形量大等技术风险。针对这些技术风险，项目组开展实验、调研等方式进行分析、讨论，最终对项目的风险做出合理的应对对策

7、。表1 项目风险及对策风险类别风险内容风险点/问题点预防及改善对策设备效率低浇口高度偏差大机器人下刀轨迹偏差大，影响打磨效率打磨前对浇口高度进行激光测量，高度超过8mm和低于8mm的分别自动选择切割和打磨方式。夹具更换频繁一共6个品种（H44共4种、三角臂2种），产品切换导致夹具更换频繁1.夹具安装采用快换法兰结构。 2.车间合理安排生产，保证生产连续性。工人误操作工人误操作导致系统中断，影响打磨效率1.工装夹具设计防错装置。 2.对操作人员进行系统培训。打磨成本高砂轮易粘钢钢渣粘接砂轮表面，影响砂轮寿命1.选用大颗粒组织结构砂轮。 2.增加自动喷涂防粘接剂功能。磨具磨损快砂轮磨损快，更换砂轮

8、频次高，增加打磨成本选用高强度CBN（立方氮化硼）砂轮。 产品变形量大零件定位困难零件尺寸偏差导致零件定位、抓取错位上下料工作台采用浮动结构，抓手设计定位柱。打磨飞边质量较差产品变形导致飞边打磨质量难以保证配置柔性打磨动力头。打磨浇口质量较差产品变形导致浇口打磨质量难以保证增加变形检测装置（激光测距）。3效果及效益相对于人工打磨，机器人在打磨方面有效率高、成本低、打磨质量好等优势。同时，机器人打磨具有较高的灵活性和扩展性，即可打磨多种不同型号的工件，又可以统括多个单元的集成形成自动化生产线。自动打磨单元如图4：图 4自动打磨单元根据现场统计数据：自动打磨单元打磨效率提升100%以上，打磨磨料成本节省20%以上，产品合格率提升1.2%左右，合计年创造效益40万元整。自动打磨单元与人工打磨对比见表2：表2人工打磨和机器人打磨效果对比表产品材质重量（Kg）人工打磨机器人打磨效率 （S/件）合格率（%）磨料成本（元/件）效率 （S/件）合格率（%）磨料成本（元/件）前接梁铸钢40300118100三角臂铸钢14240991151004结论本课题是基于精铸行业铸钢件的浇口及飞边的自动化打磨，利用工业机器人替代人工进行打磨作业。该自动打磨单元的投产不仅改善了员工的工作环境，提高了打磨质量，降低了打磨成本，而且还提高了公司的自动化水平，提升了企业竞争力。参