工业机器人在铸造中的应用

课程论文题目工业机器人在铸造中的应用学院材料学院专业材料成型及控制工程班级组员（排名不分先后）2013年5月9日工业机器人在铸造中应用历史与发展2二、基本机构组成3三、工作原理4四、在铸造中的应用6确定只需再加一个独立变量———手部绕自身轴线（Ｏ3—Ｃ）的旋转φ3。机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。目前通用的工业机器人大多为３～６个自由度。2、机器人语言机器人编积语胃是人与机器人迟行对话的工具及通讯的接口。目前有三种机器人编程方法。（1）示教编程示教编程用于示教再现型机器人中，它是目前大多数工业机器人的编程方式，在机器人作业现场进行。所谓示教编程，即操作者根据机器人作业的需要把机器人末端执行器送到目标位置，且处于相应的姿态，然后把这一位置、姿态所对应的关节角度信息记录到存储器保存。对机器人作业空间的各点重复以上操作，就把整个作业过程记录下来，再通过适当的软件系统，自动生成整个作业过程的程序代码，这个过程就是示教过程。（2）离线编程离线编程是在专门的软件环境支持下用专用或通用程序在离线情况下进行机器人轨迹规划编程的一种方法。离线编程程序通过支持软件的解释或编译产生目标程序代码，最后生成机器人路径规划数据。一些离线编程系统带有仿真功能，这使得在编程时就解决了障碍干涉和路径优化问题。这种编程方法与数控机床中编制数控加工程序非常类似。离线编程的发展方向是自动编程。（3）机器人语言编程机器人语言编程即用专用的机器人语言来描述机器人的动作轨迹。它不但能准确地描述机器人的作业动作，而且能描述机器人的现场作业环境，如对传感器状态信息的描述，更进一步还能引入逻辑判断、决策、规划功能及人工智能。机器人编程语言具有良好的通用性，同一种机器人语言可用于不同类型的机器人，也解决了多台机器人协调工作的问题。机器人的工作原理是一个比较复杂的问题。简单来说，其原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。其实质为由外部传感器引导，带动一个或多个末端执行器，通过可编程运动，自动的实现手部作业的动作功能及技术要求。从控制的角度，可分为四种方式。1）“示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记录下来，然后机器人按照记忆周而复始的重复示教动作2）“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。3）“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。4）“自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。四、在铸造中的应用工业机器人最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运：工业机器人延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害、有意、低温和高热等筋劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。工业机器人与数控加工中心，自动搬运小车以及自动检测系统可组成柔性制造系统(FM5)和计算机集成制造系统(CIMS)，实现生产自动化。随着工业机器人技术的发展，其应用已打展到宇宙探索、深海开发、核科学研究和医疗福利领域。在此主要讨论在铸造方面的应用。机器人在铸造业中的应用首先是从压力铸造开始的。最早的有记录的机器人应用是1961年，在美国福特公司的一个铸造厂中作为一台压铸机的辅助设备。它的主要优点是能够保证操作者的安全，并能预测产量和保证零件质量。随着机器人技术和工业技术的发展，对生产过程提出了更高的要求，尤其是操作过程的柔性化。工业机器人的真正的潜力正在逐渐被认识。机器人比专用设备更经济的关键原因是它具有执行各种任务的能力。在压铸行业中，机器人可以完成诸如将金属型放入压铸机，从压铸机中取出铸件、切除浇口、去毛刺以及装配等各项任务。机器人不但可以完成各不同的工作，而且可以利用最少的投资，通过编程和更换夹具来完成更进一步的工作。机器人不仅在压铸工业中取得了很成功的应用，而且在砂芯制造中也有着大量的应用。因为砂芯的需求量非常大，而工业机器人能够准确灵巧的运送、装配相当精巧但又很重的砂芯。除此之外，机器人在铸造的整个过程中都有着独特作用。1、机器人在造型中的应用在自动造型的某些场合,要求人必须十分敏捷,这时机器人的应用有显著的重要性。例如对模板、砂型、金属板的喷吹,又如对模板、金属型的喷涂料等,机器人模拟人手的动作，控制压缩空气喷咀或涂料喷枪以某一角度或位置对准喷吹对象工作。机器人已用于组合型芯和下芯,对于型芯或组芯上涂料或侵涂料。在专用机械的基础上,机器人可用于更换模板。简易的机器人巳用于开浇口杯钻出气孔。机械手用于修型,搬动型芯砂箱和铸型。在许多国家机器人较多地用于铸件清理,但在美国造型制芯车间里用的机器人数量比清理车间用的还要多。原因之一可能是因为清理车间有足够的劳力及使用机器人并不经济。2、机器人在落砂中的应用机器人已用于从砂箱巾拔取已凝固的单个铸件或成束铸件,其优点是型芯与铸件一起整体取出,芯砂与旧砂不会混在一起,这使旧砂再生的工艺简化。笔者于1979年1月在联邦德国本茨汽车厂的曼海姆铸造车间BMD造型线上,看到落砂时用机械手取走铸件。机器人可把落砂后的各种铸件分类取出并传递到所要求的工位上。在落砂切上连接上矩形溜槽,在溜槽旁安置机器人即可实现。使用机械手从落砂机上取下中大铸件的情况已湃常见了。英国铸铁研究协会液压关节式机械手起重力为3000kN,液压抓钩回路中装有液压蓄能器,在主回路压力波动时能维持抓力。带有玻璃窗的操作室安装在手臂上,并可将机械手放在电动小车上,在车间内来回工作。联邦德国AST机器人公司AM系列机械手,可手动、半自动和自动(示教机器人),有固定式和移动式两种。起重力300～20000kN,带有密闭的操作室。为避免从落砂机上取铸件时受振动而损坏,机械手装有减振器。为夹住铸件而又不夹坏铸件或引起铸件变形,机械手装有夹紧力反馈系统,使操作者可精确地感到所夹铸件的力量。使用AM系列机械手后,可省劳动力40～70%,还可用残废人来操纵机械手,一般投资回收期为1～3年。我国潍坊柴油机厂也采用AST公司机器人取落砂后的气缸体铸件。3、机器人在切割浇冒口中的应用机器人切割浇冒口有两种方法。一种是机器人操纵乙炔切割器或等离子弧切割器；另一种是机器人和砂轮切割机配合。捷克国家材料科学研究所研制并用于火车铸件厂的机器人切割设备就是采用第一种方法。两个机械手布置在直径为2m的转台上,转台每转180°,将一个未切割的铸件送到操作室内的机器人旁,同时将一个已割去冒口的铸件送到室外。一名工人只需用吊车在外面的机械手的夹具上更换铸件。气割下的冒口落入低频振动槽并输送到室外的箱子内。机器人在清理精整铸件中的应用（1）机器人清理铸件的经济效益分析铸件清理是对人体健康极有害的工种,用机器人来代替是项很有意义的工作,近20年来,铸造工作者为此努力,有成果也有教训。这项工作是试图使清理工序从一个十分简陋的劳动密集型生产直接跨入高技术范畴的过程,这样就陷于在一个难度很大的应用领域中从事开发工作。在联邦德国机器人应用于清理铸件的实例中多数仍不成功。如曼海姆的JohnDeere公司曾试图用机器人操纵工具磨削用夹具固定的铸件,但铸件并不能清理干净,而且生产率低。在路易特玻尔德铸造厂,机器人用于气缸体清理,但与人工操作相比,清理速度太慢,只好将机器人调走。仅知道在联邦德国有3～4台机器人在铸铁厂清理车间使用。在民主德国有10台,但不经济。对于评价机器人的应用是否经济,要考虑各方面因素。例如原清理设备已老化,不再属于先进水平,机器人则似乎有竞争性。又如由于某些人为因素,清理工的生产率太低时,应考虑是机器人提供好的工作条件可以提高经济效益呢,还是改善组织管理并进行常规的技术改造更能提高经济效益。（2）机器人清理铸件的基本要求无论是采用机器人通过夹具操作铸件,还是采用机器人操作工具,均要求能快速替换夹具或工具；对不同铸件,机器人的清理程序可以变化；有自动辨认铸件的系统；有一套能把铸件按随机顺序、随机位置和随机方位送往机器人清理工位的操作设备。（3）机器人清理铸件的基本形式1)机器人操作工具机器人操作工具是现在应用的趋势,见图3所示。2)机器人交替操作工具和铸件在瑞典阿尔维卡(Arvika)的富豪汽车零件厂，机器人清理铸件的第一步是机器人操作砂轮切割机取出铸件的冒口,第二步是机器人把铸件抓起来,送到砂轮机进行磨削。由于配置了很大的贮存架,机器人可在没有操作员介入下连续工作8小时。3)机器人铸件清理单元为了更有效地使用机器人,由一台或几台机器人,配以清理铸件所需用的工具和铸件搬运装置等组成铸件清理单元,使之成为一个高效、优质、安全、经济的集成工作站。5、铸造柔性加工单元采用智能机器人组成的柔性集成工作站,使其适应各种批量的铸件生产的实践,已在压铸和铸件清理方面取得了一定的效果。（1）铸件柔性清理单元智能机器人主要有认别系统和适应控制系统的功能。识别系统的作用是:对被清理的铸件不需事先用人工分类,而是由机器人确认要清理的铸件,检出其他物件和不合格的铸件;确认铸件是否处于需清理的状态和符合机器人操作所需要的正确位置,纠正其不正确的状态和位置,根据清理对象,自动选择清理程序;¼确认已清理好的铸件,将其分类放到各自的堆存处。图4所示是识别系统一例。铸件由输送带送到自动称量装置,称重量并鉴别是否留有型芯。此后铸件被送到摄象机处确定其所需清理的部位。计算机将所得重量、图象及各项参数与已输入的数据进行比较,如符合公差范围要求,则铸件被确认,并开始接受清理。适应控制系统的作用是,针对铸件披缝的尺寸和形状往往有较大差异的情况,该系统能根据差异自动控制切除过程,使之最后符合工艺要求。图4识别系统示意图1.胶带输送机2.翻转回转装置3.摄像机4.自动称量装置（2）压铸柔性加工单元压铸柔性加工单元包括自动压铸机、自动喷涂机械手、自动浇注机械手、自动取件机械手,有的还包括切边校正压力机和铸件成型情况检查装置。在铸造行业中引进机器人有着以下的优点。1、速度快、生产率高铸造业中的机器人有很大一部分从事搬运、装配等工作，在这些机器人所处理的工件中，大多具有体积庞大、非常沉重的特点，有些工件的重量甚至可达100kg以上。人工不易搬动，如果采用吊车等辅助工具，移动速度很慢，而且工件的位置不容易控制。机器人可以轻易地搬运非常沉重的工件，只要该工件在机器人的有效载荷范围内，机器人就可以轻而易举地快速移动各种沉重的工件，从而大幅度提高生产率。2、精度高机器人不但运动速度很快，而且具有非常高的运动精度。同时，机器人还具有非常高的重复精度，以保证每次都能够沿着相同的路径运动．因此可以完成非常准确的定位工作。尤其在工件很重，而且有些部位又非常脆弱的情况下．就显得非常有意义。对于这些工件而言，在人工或采用辅助装置进行搬运时，很容易造成脆弱部分的破损，有时甚至有可能产生废品。由予机器人具有很灵活的运动轨迹，可以完成各种复杂的装配工作，而且每次都能将工件放置在相同的位置，因此能够大大降低工件在搬运过程中的破损率，降低生产成本。3、效率高、实现柔性化生产机器人能够同时完成各种不同类型的工作，它能够在很短的时间内完成从射芯机中取出砂芯、装配、上涂料、最后进行储存这一系列工作。如果这些工作由人工或者某些专用工具来完成的话，由于速度较慢，会延长生产节拍；同时，由于不同的工作要由不同的设备或者人来完成，设备的占地面积也会增大，从而增大了生产成本，降低生产率。另外，在制芯过程中，如果使用专用设备来进行砂芯的运输、装配等工作，那么该设备只能适用于很少形状相似的砂芯。如果用户需要另一种形状变化较大的砂芯，那么就必须更换所有的设备这必然会使成本大大增加，而且生产周期也会延长。而如果使用机器人来工作时，只需更换机器人的夹具和程序即可，这就可以在很短的时间内完成，从而大大加快生产节拍，缩短转换时间，使生产率有很大的提高。因此机器人对于小批量、多品种的生产方式而言，是一种非常适合的工作方式。4、经济效益好在西欧、北美、日本等地的铸造业中，使用机器人的最大的优点就是价格要比人工便宜。从而可以大量节省成本，提高利润。机器人生产系统中最昂贵的部分并非机器人本身，而是系统的周边设备。一个机器人自动生产单元不仅包括机器人本身，还必须有各种和机器人协调工作的其它辅助装置。系统的周边设备是构成系统的关键设备，它所具有的投资往往超过机器人的投资。周边设备大体包括供料装置、精确定位装置及输送装置、末端执行器(手爪和夹具)以及自动检测装置。尽管机器人有这么如此多优点，但在实际应用中仍有着