機器人在高速重載扣件鑄造件打磨中的應用探討

吳恒志,吳曉琦

(安徽省巢湖鑄造廠有限責任公司，安徽 巢湖 238004)

鑄造件的后處理是其生產中必不可少的工藝過程，通常鑄造件的后處理包括型砂清理和飛邊毛刺的打磨。隨著社會發展和技術進步，以及我國人力資本紅利的逐步釋放，轉型發展讓更多的勞動力向環境更好、生產更安全、勞動強度更低的行業和崗位轉移。作為機械制造業基礎的鑄造業出現了像鑄造件清理打磨這樣的“臟、苦、累、危”崗位勞動力凈流出，招工難，招工貴，導致鑄造件的生產成本上升，質量也受到了影響，制約著制造業的發展。

為緩解壓力，業內和產業鏈的上下游做了很多的努力和嘗試[1-3]。對于大件(如機械裝備、車輛、工程機械等工件，質量數千克到數百千克)，一般須對鑄造件毛坯進行加工才能滿足使用裝配要求。通常建設打磨生產線，將工件定位裝夾，再使用專用的機械裝置操控運動的刀具或磨具對其進行加工或打磨。這類鑄造件的打磨生產線結構復雜，專業性強，更換產品要對生產線進行較大的改造，生產效率較低，通常單班生產數十件到數百件。對于小件(如水暖配件等，單件質量約1 kg)，一般情況下尺寸精度要求不高，大部分尺寸沒有配合裝配要求，只是進行裝飾性打磨或拋光、打光即可。其售價較高，通常是機械手抓取工件在柔性的打磨或拋光輪上打磨，以改善工件表面粗糙度。這類鑄造件打磨效率較高，通常單班生產數百件到上千件。

本文探討將工業機器人用在高速重載扣件鑄造件打磨中，介紹了采用的自動打磨方案和取得的成效。

1 高速重載鐵路扣件鑄造件結構及打磨特點

高速重載扣件的鑄造件常用的結構形式為鐵墊板和預埋鐵座，是扣件的重要基礎件，對其力學性能要求嚴格。因其結構緊湊、尺寸小，毛坯件不進行機械加工直接安裝使用。因為工件有的尺寸有裝配要求，尺寸精度影響線路的平順性和軌距，故對尺寸精度要求也很高，因此對打磨的要求更加嚴苛。這類工件數量大，售價低。人工打磨質量不穩定，勞動強度大，操作環境差，安全風險大，打磨效率低，對于一些因空間限制難以打磨的毛刺，還容易因打磨不當造成產品報廢。一些結構復雜的高速、重載扣件鑄造件因打磨造成的廢品率高達15%左右。因此高速重載扣件鑄造件的打磨是看似簡單卻十分精細的技術活。

2 自動打磨的技術難點

高速重載扣件鑄造件產品打磨要求高，工件小、產量大，現有技術和裝備很難滿足其要求。模擬人工，使用機器人抓取工件進行打磨的方案，動作精準，但對于毛刺大小、澆冒口大小及位置存在很大差距的鑄造件，還要精確地控制位置，并要包容尺寸公差達到1 mm的工件，以保證達到不傷及鑄造件本體、殘余飛邊毛刺符合技術要求。

3 自動打磨解決方案設計

為解決高速重載扣件鑄造件的高效自動打磨問題，針對高速重載扣件鑄造件結構特點及打磨要求，本著面向需求、解決問題的原則，確定“面向鐵墊板，兼顧預埋座”的基本要求，研制高速重載扣件鑄造件自動打磨生產線。生產線應當做到當班產品當班清理打磨完成，在鐵墊板與預埋鐵座之間可以快速轉換，同時能夠很方便地調整不同規格的鐵墊板或預埋鐵座尺寸。

3.1 自動打磨方案設計

根據設定的目標，生產線方案設計需要考慮到鑄造件生產線的生產能力、對應的生產節拍指標(必須滿足鑄造件生產線的班產量，實現生產的流暢運行，單件產品的打磨時間約11.5 s)、生產線的柔性(滿足產品多個位置的打磨，并兼容多款產品的共線生產)、物流問題、產品在夾具上的定位以及最小占地面積等，因此方案設計決定整個生產線建設的成敗和技術水平。按照機器人的工作節奏，通過理論計算和數值模擬，單臺機器人抓取工件時間約12 s(含視覺識別),打磨時間約10 s,放回工件的時間約10 s。據此設計了3種解決方案[4-6]。

方案1如圖1所示。采用6臺機器人兩兩一組，分別組成3個獨立的打磨工作單元，由人工通過起重設備將待打磨工件運送到供料處，機器人自動識別工件并抓取、打磨，然后放到輸送皮帶上，輸送到集中出料處，由專用料框收集，集滿一筐統一搬運。該方案雖然能夠達到預期的產能，但是存在設備投資和占地空間大(大于300 m2)、上料點分散(3處上料)、操作人員多(4～6人)等缺點。

圖1 6臺機器人方案示意

方案2如圖2所示。采用2臺機器人+2臺專機的方案，投資少(只用2臺機器人，2臺專機價格低于機器人)、占地較少(約60 m2)，打磨鐵墊板效率高。但是因為采用專機，產品轉換難度大，實現了“面向鐵墊板”，卻很難“兼顧預埋座”。

圖2 2臺機器人+2臺專機方案示意

方案3如圖3所示。采用4臺機器人方案，其中2臺打磨機器人進行打磨作業，前置機器人負責工件識別和供料到指定位置，后置機器人負責將完成打磨的工件重新碼放好。該方案投資適中，布置緊湊(占地約90 m2)，物流順暢(1處進料，1處出料)，對鐵墊板和預埋座能兼容，并且能方便地適應工件尺寸的變化，存在的缺陷是打磨效率達不到預期目標。

圖3 4臺機器人方案示意

經過對3套方案的分析、比對，首先否決了方案2。再對方案1和方案3進行全面綜合分析，傾向于選擇方案3，并對該方案作進一步優化。在打磨機器人與前(后)置機器人之間設置具有輔助定位功能的中間周轉定位平臺，以提高生產效率。優化方案的主要特點是：①兼容性好，兼容高速重載扣件鑄造件產品鐵墊板、預埋座，且能快速切換;②設備布局緊湊，場地占用小，一次性投資適中，便于進一步推廣;③采用機器人抓取工件進行打磨的方式，符合傳統工藝習慣，可以實現大批量生產;④方案3對于預埋鐵座等小件產品打磨，因為輔助時間大于工作時間，需要通過技術措施如一次抓取多件產品以提高打磨的效率，才能達到設定的目標，技術上難度較大且存在不成功的風險。

3.2 單件產品打磨工藝及技術參數研究

根據扣件鑄造件產品的特點，要對各個打磨工藝環節進行分解并予以研究，以達到設計合理的打磨工藝流程。具體研究內容：①根據產品打磨要求，結合產品的結構特點，研究適合機器人打磨程序的打磨工藝順序;②研究機器人工作程序，確定影響打磨毛刺進給量的因素如毛刺的厚度、材質、磨料切削速度、機器人運動速度等及其相互關系和相互影響;③研究打磨鑄造件程序變量的控制;④研究磨具直徑，應達到磨料打磨線速度要求，高速旋轉的動平衡要求，適用產品結構、達到最佳磨削效果的要求等；⑤研究磨具的性能參數如磨料材質、磨料顆粒大小、磨料覆蓋結構、磨料的耐磨性以及排屑性能、散熱等。

3.3 主要技術難點解決思路

綜合考慮了打磨的效率和實施技術難度，統一了打磨的工藝流程，將4臺機器人進行固定的分工，分成打磨機器人和輔助機器人。前置輔助機器人負責供料，后置輔助機器人負責卸料。前置機器人將待打磨產品搬運到指定的定位臺上，如圖4所示，便于2臺打磨機器人快速準確抓取。2臺打磨機器人分別抓取，獨立進行打磨作業，從供料臺抓取產品進行打磨，并將打磨完成的產品投放到下料平臺上。后置機器人負責從下料平臺抓取打磨過的產品重新碼放到托盤上(或放到集料框中)。這樣經流程優化的作業可以有效提高系統整體的打磨效率，還能兼顧多種產品，適應不同類型產品的快速切換[7-8]。在此基礎上制定了針對性的零部件打磨技術方案，分述如下。

圖4 中間定位平臺

1)鐵墊板打磨方案

選擇產量較大的高速鐵路WJ8型扣件鐵墊板作為研究對象，本節中鐵墊板的具體方案和工藝數據都是針對該鐵墊板。其他形式的鐵墊板可以在此基礎上進行擴展。為滿足多種鐵墊板的打磨適用性，提高打磨效率，對于鐵墊板類產品的打磨以打磨四周的毛刺為主。為便于打磨，以鐵墊板的孔作為定位和裝夾基準，采用木托盤加隔板(主要是通過色差提高識別效率)的形式直接碼垛即可提供給系統進行識別、抓取。圖5給出了鐵墊板裝夾及打磨位置。

圖5 鐵墊板裝夾及打磨位置示意

系統作業時，通過安裝在前置機器人臂上的照相機拍照，對托盤上碼垛的鐵墊板進行視覺定位以便準確抓取，將鐵墊板搬運到供料臺指定的位置，打磨機器人按照設定的毛刺參數對產品進行打磨。為了保證打磨的效率和質量，要對設置在鐵墊板一側的澆冒口進行識別，以便調用相應的澆冒口打磨程序和參數對澆冒口及其附近的毛刺進行打磨。打磨過的產品由后置機器人在下料托盤重新碼垛。數值模擬結果表明，該方案單臺打磨機器人打磨高速鐵路扣件鐵墊板的時間分布為：抓取工件7～8 s、打磨作業約12 s、放下(中間臺)工件7～8 s。該方案將視覺識別任務交給前置機器人，并在前置機器人、打磨機器人、后置機器人之間設置中間工作臺，減少了打磨機器人的等待時間，節省了打磨機器人的輔助時間，工作效率明顯提高。單臺打磨機器人平均工作節拍提高到25～27 s，系統節拍約在14 s以內，基本能實現設定的目標。

2)預埋鐵座打磨方案

選擇重載鐵路彈條Ⅶ型扣件TZ5預埋鐵座作為研究對象，本節討論的預埋鐵座具體方案和工藝數據都針對該預埋鐵座。由于預埋鐵座軌枕面以下部分打磨要求不高，其整體外圍毛刺可由外形沖模一次沖裁到位，無需打磨，只有頭部T形槽毛刺很難人工打磨，打磨時容易損傷工件本體且安全風險高，所以將機器人打磨的重點集中在頭部T形槽處，如圖6所示。通過打磨過程的數值模擬發現，打磨機器人從中間定位臺單件抓取、打磨、放下的全過程至少需要34 s。其中打磨18 s，抓取、放下16 s。2臺機器人每小時只能打磨約200件，不能滿足造型線的生產節拍。為了保證打磨質量，打磨工序的時間減少裕度空間很小，但是機器人進行抓取的時間有很大的壓縮空間。如果采用適當的工裝使得機器人一次可以抓取多件產品進行打磨，就可以大大減少重復抓取、放下工件的次數，提高系統的生產節拍。

圖6 預埋鐵座打磨位置示意

按照以上思路進行了工裝的設計研發，設計一次抓取多件產品進行打磨的工裝，減少機器人不斷抓取、放下的重復行程時間，提高打磨系統的效率。理論上看，單次抓取的工件越多系統的效率越高，但是單次抓取的工件越多技術上實現的難度也越大，系統的復雜性增大，而系統的可靠性也會下降。不同抓取方案時間的消耗和整個系統的工作效率如表1所示。

表1 不同抓取方案時間消耗與系統效率

由表1不難發現，隨著打磨機器人一次抓取工件數量的增加，打磨機器人的工作節拍加快，平均單件產品的打磨時間逐漸減少，系統效率不斷提高。但是當一次抓取3件以上的產品進行打磨時，系統效率的提升并不明顯，而一次抓取工件越多定位要求越高，工裝的設計、制造精度要求越嚴，更多工件在抓緊時的累計相對定位公差會不可避免影響到系統的打磨工作質量。考慮到在鐵墊板方案中，選擇打磨機器人負載200 kg，兼顧最大限度地提高生產節拍和盡可能降低技術研發的難度，選擇一次抓取3件產品進行打磨是較好的方案。該方案可以充分利用打磨機器人的負載能力，保證系統的工作的穩定性、可靠性。通過進一步的數值模擬，在實際應用中存在更進一步優化的可能，有望將單臺打磨機器人完成3件產品抓取、打磨、放下的總時間控制在60 s左右，系統每小時能打磨約350件產品，效率提高75%。通過設計制造實尺專用夾具，進行實際抓取、放置精度驗證，確認了優化方案可行。

4 方案實施和系統應用

通過反復推敲、數值模擬，經過較全面的技術評審，認為最終的打磨解決方案可行，遂決定投入資金購置設備，搭建示范生產線。同時著手加工與生產線配套的工裝、夾具，對特定的產品鐵墊板、預埋鐵座分別進行生產工藝驗證。在驗證其工藝可行性的基礎上，逐步完善方案，優化程序，達成設計目標，使得該解決方案可復制、可推廣應用。

為盡快實現目標，研發團隊一方面進行設備選型、采購，另一方面完善工作流程和打磨方案，優化磨具、中間定位、物流、視覺識別等子系統的方案。采購的設備到位后，搭建了實際應用的平臺，并首先對鐵墊板產品進行使用驗證。應用經過優化的程序進行打磨，主要的瓶頸是鐵墊板澆冒口位置存在不確定性誤差，澆冒口的大小(厚薄、殘留長短)也存在較大的差異，為保證打磨的質量要多次反復打磨，比較費時。如果反復打磨的次數設置少，可能打磨產品的澆冒口位置不符合標準;若反復打磨次數設置多，雖然打磨質量有保證，但單個產品消耗的時間明顯增加，效率達不到設定的目標。由于鑄造工藝的原因，鐵墊板的澆冒口設置在不同的位置，為了提高打磨工作效率，要對澆冒口位置進行準確識別，根據澆冒口的位置設置特定的打磨工藝參數，只在澆冒口位置進行重復打磨。為此，設計了鐵墊板澆冒口精確識別裝置，對放置在中間定位臺上的鐵墊板進行澆冒口識別，并將識別信息傳送給打磨機器人，這樣有效地兼顧了質量和效率。

打磨預埋鐵座時，打磨機器人一次抓取3件產品后，打磨效率明顯提高。圖7是專用工裝同時抓夾3件預埋鐵座打磨的情況。此時前置機器人只能進行單件的拍照識別，成為系統運行的瓶頸，打磨機器人經常要等候前置機器人。為進一步提升系統效率，設計了上料定位板，通過定位板的輔助定位使得單次拍照即可實現視野內3件預埋鐵座的識別和定位，將單件產品的拍照、上料時間由12 s減少到平均8 s，效率提高了33.3%，實現了系統的流暢運行。

圖7 同時抓取3件預埋鐵座予以打磨

5 結語

高速、重載扣件鑄造件自動打磨生產線，嘗試使用工業機器人，提供了高精度、大批量、小件的鑄造件打磨解決方案。經過對正在生產的鐵墊板和預埋鐵座分別進行打磨實踐，能每小時打磨鐵墊板300塊，已累計打磨 10 000多塊;能每小時打磨預埋鐵座350件，累計已打磨30萬件。不同類型的工件轉換比較方便。實踐證明，該扣件鑄造件打磨解決方案能滿足“面向鐵墊板，兼顧預埋鐵座”的既定目標，實現對高速、重載鐵路扣件鑄造件的有效覆蓋，打磨精度達到小于0.2 mm。與人工打磨相比，預埋鐵座打磨造成的廢品率由9%下降到2%以下，節省勞力75%，操作人員的勞動強度和工作環境亦大大改善。對于鐵墊板，實現了拍照定位、澆冒口精確識別、自動智能化選擇打磨參數，實現了快速精準打磨。對于預埋鐵座，在同行業首先實現了一次抓取3件預埋鐵座進行打磨的工藝方案，解決了扣件產品大批量、小件鑄造件的多件產品統一定位和抓取的難題，實現了高效的多件小件產品精準打磨，取得了良好的應用效果。同時該方案還能實現不同規格型號的產品方便地切換。目前該解決方案已經獲得國家發明專利授權，示范生產線已運行一年多，各項指標穩定。

研究和實踐表明，應用工業機器人實現高速、重載扣件鑄造件的自動打磨是可行的。