柔性熱鍛線機器人應用系統構建及其實驗研究

周營平

摘 要：如今工業機器人已成為制造業中不可或缺的工具，柔性熱鍛機器人系統便是智能機器人在熱鍛線的實際應用，對于提高生產線的柔性化很有意義。應用過程中，機器人選型和上下料系統的構建對生產極其重要，合適的熱鍛線上下料的構建將會大大提高企業的效益。該文對熱鍛上下料系統機器人的選型進行了簡單介紹，分析指出了柔性熱鍛線機器人上下料系統相關功能部件的構建注意事宜，并對柔性熱鍛系統的實驗研究提出了合理的實驗方法。

關鍵詞：機器人 熱鍛上下料 構建 實驗研究

中圖分類號：TH112 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0001-02

1 柔性熱鍛線機器人選型

熱鍛是熱鍛生產企業的核心加工環節，在進行柔性熱鍛線機器人選型之初，必須先了解熱鍛件的相關加工工藝要求，根據生產設備，模具、現場環境等情況，配備合理的輔助工裝來滿足工藝、設備兼容等問題，最后選擇滿足生產要求的機器人及方案布局。

熱鍛行業使用的設備各異，工作空間狹小，考慮其上下料系統的通用性，該文以6關節機器人的圓棒熱鍛上下料來介紹機器人和相關輔助件的選型。由于篇幅限制，只簡要列出了選型方式核心思想。

（1）初期結合零件熱鍛工藝、設備參數、熱鍛模具定位精度、生產節拍、生產場地環境及設備布局來確定機器人需求的數量、運行速度、定位精度、臂展行程，確定機器人初始的擺放位置。（2）結合設備開合高度、模具尺寸、熱鍛模具的工件出模方式，構建出滿足機器人手臂不進入模具的工件抓取結構及手指夾片長度，由熱鍛毛坯材料、規格尺寸、重量、工件抓取位置，結合手指長度確定行程≥10 mm和夾持力≥12倍工件重力摩擦力的夾持力的氣缸型號。（3）由夾持夾具和工件的總重量、總慣量確定滿足負載及慣量要求的機器人，結合機器人重復定位精度、臂展及防護等級，選定機器人型號。（4）由熱鍛設備上的模具合模面至地面的高度及機器人上下料的運動范圍預確定機器人的底座高度，上料下料倉等輔助部件高度。（5）結合機器人位置，組合熱鍛設備、模具、機器人底座、上料裝置進行上下料動作的干涉模擬，完成位置的校驗及調準，之后再確定產線需求的配套附件。

2 熱鍛上下料系統構建

2.1 加工單元標準配置

坯料經加熱后，通常需2次或2次以上熱模鍛加工，本柔性熱鍛線以2次熱鍛加工為例作柔性熱鍛線機器人上下料介紹。系統由2臺熱鍛機、2臺關節機器人、2套抓手、2套機器人底座、1臺中頻爐、1套上料裝置、1套冷卻裝置、1套成品倉、1套電氣系統等設備組成（見圖1）。

2.2 工作流程

2臺機械手各裝一個手爪，負責2臺熱鍛機的上下料任務，機床加工期間機械手完成工件的交換任務，不占用機床加工時間。流程如下：（1）毛坯從上料裝置分料至導向槽形成一字排列，推送氣缸將毛坯依次推送至中頻爐加熱。（2）加熱完成的坯件從中頻爐滑至末端定位機構，當感應器檢測有毛坯來料時，機械手I執行抓料動作。（3）機械手I取毛坯后移至熱鍛機1工位上方，松手爪放工件至工位，機械手移出。發出信號后，熱鍛機上模向下運動，完成半成型動作；上模上移，發出信號后，機械手I進行抓料動作。（4）機械手I取沖壓半成品，移至熱鍛機2工位上方，松手爪放工件至工位，機械手移出，發出安全信號后，熱鍛機上模向下運動，完成成型動作，上模上移，發出信號，機械手II進行抓料動作。（5）機械手II抓取熱鍛成品，將其放至冷卻裝置上，冷卻完成后，將其放至成品倉。（6）機械手I返回來料裝置上方，準備抓料動作，如此循環。

2.3 柔性熱鍛線上下料系統的構建注意事項

（1）熱鍛液壓機：完成各種鍛造工藝的鍛造設備，是鍛造行業使用最廣泛的設備之一，其開合狀態需增設開合到位的檢測信號，與機器人進行信號通信，實現機器人上下料的安全運行。（2）機床壓鍛模具：①熱鍛上模、下模須有脫料機構，防止熱鍛件粘模；②工件在下模須有放料定位及導向裝置，方便機械手取放；③增加高溫物料檢測信號。（3）機器人抓手：手指采用耐高溫的材料加工并使用隔熱材料與氣缸隔開，阻擋熱量傳遞，保護氣缸和機器人本體。（4）上料裝置：上料裝置由料倉、分料裝置、工件推送導向槽裝置組成。分料裝置的氣缸推料板厚度及斜角按圓棒料直徑合理設計，要求氣缸帶動推料板作上下往復推料動作能實現圓棒料自動滾落至導向槽。（5）中頻感應電爐：推送氣缸將導向槽的工件送至中頻感應電爐的感應圈，之后被快速加熱到發紅狀態，然后出料，其出料口需設置滿足機器人取料用的擋料定位裝置。（6）控制系統：平臺需具有良好的開放性，支持I/O點的邏輯控制，方便第三方軟硬件的集成，擁有總線流程監控，報警及信息處理功能。（7）冷卻裝置。經兩次熱鍛成型后，工件溫度已大幅衰減，冷卻裝置需根據工藝需要按需配置。旋轉料臺上方設置冷風氣嘴，旋轉過程中工件以吹冷風實現工件冷卻，其出風溫度、壓力及流量需可調節。

3 實驗研究

對于柔性熱鍛線機器人應用系統的實驗研究可以分為兩步進行。

3.1 離線仿真實驗

利用合適的離線仿真軟件，設置好機器人及各功能部件的仿真環境，按照預先邏輯構建的系統進行虛擬仿真，模擬完成各功能部件的所有工作任務，檢驗機器人動作干涉、產線I/O邏輯控制問題，評估產線生產節拍及產能，優化機器人軌跡程序，實時調準各功能模塊相對位置，滿足產線生產要求。

3.2 在線驗證

在離線仿真校準完成后，可投入產線部件的加工制作。為了保證系統構建的可靠性，產線生產前需要：（1）檢測識別高溫紅色物體的傳感器的可靠性，毛坯加熱至鍛壓溫度后，使燒紅工件以1 m/s的速度一字快速流過，反復測試傳感器對燒紅后物體的穩定識別性能。經檢驗基恩士LR-TB2000數字激光傳感器可滿足使用要求。（2）檢測機器人手抓手指材料的耐高溫性，毛坯加熱至鍛壓溫度后，依次一字出料，連續執行30 min以上機器人的取料上下料試驗，機器人手抓手指每次接觸燒紅熱鍛件12 s以上，然后驗證工件放置至熱鍛機床模具的位置是否有跑偏誤差現象，以檢驗手指材料、結構在高溫環境下的使用性能。經驗證，手指使用淬火硬度≥52HRC的SDK61熱作模具鋼滿足高溫穩定使用的要求。

4 結語

該文結合個人工作經驗對機器人的柔性熱鍛線上下料系統進行了核心思想的介紹，最后構建了加熱、上下料、熱鍛等的全自動化柔性熱鍛線機器人應用系統，可極大地滿足熱鍛行業的自動化生產，具有很大的參考價值。

參考文獻

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