工業機器人在精鑄件澆口及飛邊打磨中的應用

東風精密鑄造有限公司 楊軍，熊亮，張躍華，柳建國

當前，鑄造行業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的負擔，同時粉塵飛揚的打磨環境對工人身體健康造成極大危害，職業病預防、工傷賠償進一步提高了人工成本，作業環境差、勞動強度大也使企業陷入了招工難的困境。另外，大型鑄件使用人工打磨，需要大量的場地，效率低下，打磨質量不能保證，這些都無形中增加了企業的生產成本。針對以上問題，提出了利用工業機器人的多自由度柔性化加工的特點，研究用其替代人工對鑄件澆口殘留及飛邊進行打磨。

經過查閱相關資料，發現很多機器人具備柔性、多維度、自動化特點，且能持續不間斷地工作，可以滿足鑄件打磨操作。隨著打磨工具、檢測技術等相配套技術的升級，人工打磨將逐步被機器人自動打磨所替代將是必然發展趨勢。

工業機器人在精鑄件打磨中的應用研究發現：由于精鑄件具有結構復雜，輪廓尺寸不一，曲面多,單重輕等特點，因此關鍵要解決機器人選型、工裝夾具設計、檢測識別系統及打磨工具的匹配應用，力求達到對鑄件澆口及飛邊打磨的效果最佳。

系統方案設計

1. 機器人的選型

對于打磨機器人的選型，主要從機器人最大載荷、工作軌跡范圍、重復定位精度、防護等級等要求方面進行考慮：

（1）機器人最大載荷 根據產品、夾具的最大單重，并預留一定的余量。機器人最大載荷≥210kg。

（2）工作軌跡范圍 需要保證機器人運動軌跡完全覆蓋產品打磨的表面。機器人工作半徑R≥2700mm。

（3）重復定位精度 產品打磨精度要求±0.5mm，因此機器人重復定位精度≤±0.5mm。

（4）防護等級 打磨作業工況惡劣，機器人防護等級要求較高。

本課題選擇KUKA的KR2000打磨機器人，該機器人最大載荷210kg，工作半徑達到 2700mm，重復定位精度≤0.06mm，設備防護等級達到IP65，并具有重復定位精度、設備可靠性高等特點，并能在嚴苛環境和高危環境下作業。

2. 工裝夾具系統的設計

工裝夾具是機器人和打磨產品連接的部件，必須具備穩定性強、柔性化高、更換效率高及自帶防錯等功能。

本系統的工裝夾具分為以下三部分：

（1）雙工位工作臺 即有兩個產品上下料的工作臺，可單獨實現產品的上下料。工作臺根據不同的產品設計定位工裝，實現柔性化生產；同時，工作臺設計了檢測系統，能夠自動識別人工上零件與系統設置零件是否匹配，避免工人零件誤放而導致事故發生。

（2）機器人抓手 是根據鑄件尺寸進行非標制作。機器人與抓手連接采用標準法蘭連接，管線通過航插連接，可達到快速更換工裝的效果。同時，抓手設計了檢測系統，能夠自動識別抓取零件與系統設置零件是否匹配，檢測抓手抓取零件的準確性，進一步保證系統的安全性。

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

3. 打磨工具的設計

本系統選用雙頭大功率、大扭矩砂輪機，配置一厚一薄兩種砂輪片，分別用于切割和打磨，使砂輪機打磨工件更靈活，可用于處理鑄件的澆冒口殘留和較大飛邊、飛針、毛刺。本系統打磨的產品主要是鑄鋼件，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、耐磨損等優點，可以較好地保證打磨效率和打磨質量。

同時，系統還配置了兩組打磨動力頭，分別為柔性動力頭和剛性動力頭。柔性動力頭采用柱塞式結構，具有大功率、高扭矩、柔性擺動、安全保護及自動補償等特點。柔性動力頭的結構原理如圖1所示。

柔性動力裝置能在打磨過程中隨打磨力的變化產生自適應偏移，保持打磨力的動態平衡，保證打磨質量，并能起到保護工具的作用。

4. 檢測系統的設計

激光檢測系統能夠在打磨前對鑄件各部位特征進行掃描檢測，以獲得鑄件的相對外形尺寸誤差，通過相應軟件自動計算出補償量，并自動調整打磨軌跡進行誤差補償，以提高打磨質量。本系統配置一款基恩士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，以及通信兼容性好等特點。檢測系統如圖2所示。

項目實施及問題解決對策

精鑄件澆口及飛邊的自動化打磨一直是鑄造行業的難題，存在著打磨效率低、打磨成本高、產品變形量大等技術風險。針對這些技術風險，項目組開展試驗與調研，并進行分析、討論，最終對項目的風險制定出合理的對策（見表1）。

社會效益及經濟效益

相對于人工打磨，機器人在打磨方面有效率高、成本低、打磨質量好等優勢。同時，機器人打磨具有較高的靈活性和擴展性，即可打磨多種不同型號的工件，又可以統括多個單元的集成形成自動化生產線，自動打磨單元如圖3所示。

根據現場統計數據顯示：自動打磨單元打磨效率提升100%以上，打磨磨料成本節省20%以上，產品合格率提升1.2%左右，合計年創造效益40萬元。自動打磨單元與人工打磨效果對比見表2。

圖1 柔性動力頭結構原理

圖2 檢測系統

表1 項目風險及對策

結語

圖3 自動打磨單元

表2 人工打磨和機器人打磨效果對比

本課題是基于精鑄行業鑄鋼件的澆口及飛邊的自動化打磨，利用工業機器人替代人工進行打磨作業。該自動打磨單元的投產不僅改善了員工的工作環境，提高了打磨質量，降低了打磨成本，而且還提高了公司的自動化水平，提升了企業競爭力。

目前僅進行了打磨單元初步嘗試，今后要向多品種打磨自動線生產方式的研究與應用方向努力。