高溫鍛壓下料自動化解決方案

文／段閃·河南中原動力智能制造有限公司

高溫鍛壓屬于熱鍛的一種，在整個鍛壓行業中占據很大一部分比重，而高溫鍛壓通常生產環境較差，危險因素多，導致近年來招工困難，用工成本逐年增加。隨著近年來3D 視覺技術和工業機器人的普及，為鍛壓企業在自動化升級中提供了一種更加靈活的選擇。而高溫鍛壓下料是整個熱鍛工藝中必不可少的一個環節，且鍛壓機高溫高速的特點使其實現自動化存在難點，本文主要就如何克服這些難點展開研究介紹。

高溫鍛壓下料自動化升級的必要性

安全方面考慮

⑴鍛件溫度下降后表面顏色和常溫近似，容易降低工人高溫安全意識，導致燒傷燙傷；

⑵高溫鍛壓下料工位附近溫度基本維持在40 ～60℃，熱輻射和高溫極容易導致工人在夏季中暑；

⑶鍛壓車間由于鍛造、加熱、淬火等工藝，會產生大量噪聲、煙霧、有毒氣體等，長期會導致工人一系列職業病。

工藝方面考慮

⑴高溫鍛壓下料工位工人無法長時間進行工作，必須離開工位降溫，這就導致產品的堆積，嚴重可能產生磕碰、掉落等情況，導致不良率上升；

⑵目前，大多數高溫鍛壓下料后都是自然降溫，降溫時間不統一，可能會導致鍛件應力、氧化等金屬特性存在差異，致使鍛件性能存在差異。

降本增效方面考慮

⑴近年來，中國勞動力人口減少，且由于鍛造行業普遍工作環境相對較差，出現招工困難，招工、用工成本逐年增加的現象；

⑵近年來工業機器人和機器視覺技術的突破和普及，自動化軟硬件投資成本降低，回本年限減少。

因此，綜合以上因素，高溫鍛壓下料的自動化升級成為了鍛造企業自動化升級過程中的一個重要改善點。

高溫鍛壓下料難點

高溫鍛壓下料主要功能是將鍛壓機生產的鍛件進行拾取、碼框，但是由于高溫鍛壓工藝的特點，目前存在如下一些難點。

環境惡劣

高溫鍛壓工位由于淬火、降溫等工藝，會存在大量油漬和水漬，同時鍛件在高溫作用下會產生有毒氣體和水蒸氣，這些都會極大影響自動化設備中的電子元件壽命，致使設備故障頻發。

高溫

高溫鍛壓鍛件通常需要加熱到600 ～1300℃，下料溫度也在500 ～1100℃，且場地空間有限，對降溫設備要求較高，鍛件高溫形態同樣對相機存在干擾。

高速

很多鍛壓設備生產節拍在1s 左右，由于目前大部分鍛壓機上料工序還未進行自動化改造，而且由于工人操作差異，存在節拍上的差異，人工操作節拍基本在3 ～6s，導致節拍不穩定且速度較快。

鍛件多態

⑴鍛壓機出料口無機械機構定位抓取，一般為人工夾取送出，導致出料產品可能存在疊壓、側立、翻轉等情況。

⑵鍛壓過程中由于工藝問題，可能存在變形、裙邊、異形等情況。

⑶鍛壓鍛件形狀多樣，有些沒有合適的抓取位置。

基于視覺定位的自動化改造方案

為了實現高溫鍛壓工位的自動化升級，我公司根據鍛件下料狀況，通過機器人動作，實現生產線自動上下料，從而避免鍛件之間產生不可接受的磕碰傷。

整體方案如圖1 所示，主要包含工作站總控系統、生產監控系統、機器人、3D 視覺系統、降溫輸送鏈、AB 料框定位裝置。工作流程如圖2 所示。

圖1 整體方案

圖2 工作流程

方案優勢

本方案除了具有高柔性生產的優點外，針對高溫鍛壓下料存在的技術難點進行了如下優化。

⑴環境惡劣。

現場3D 相機、工業機器人、線纜、氣管及電控柜，均達到IP65 的防護標準，能夠對現場油污、水漬產生較強防護。

⑵高溫。

1)3D 相機外殼采用隔熱材料，防止熱量導入，同時對相機進行不間斷噴氣，降低相機表面溫度；

2)機器人第4、5、6 關節采用防高溫涂層，且僅保留傳動機構，電機后移到1、2、3 關節，且安裝機器人隔熱防護衣；

3)輸送線采用風冷設計，在滿足客戶降溫曲線的情況下，將鍛件溫度穩定降低到200℃；

4)機器人抓手末端(圖3)采用隔空設計，連接部分加裝隔熱棉，防止高溫傳導。

圖3 抓手末端圖

⑶高速。

1)輸送線采用兩段，一段勻速不間斷運行，另一段采用高速啟停電機，進行抓取啟停；

2)機器人采用埃斯頓高功率版工業機器人，并采用異步觸發方式，即在放料過程中進行視覺拍照定位；

3)使用自研3D 相機，采用2D+3D 識別的方式，2D 進行粗匹配提供鍛件范圍，并對范圍內點云進行分割，減少點云數量，加速3D 匹配獲取鍛件位姿的時間，目前視覺整體姿態識別時間在1s 以內。視覺識別流程見圖4，識別效果見圖5。

圖4 視覺識別流程圖

圖5 識別效果圖

⑷鍛件多態。

1)機器人抓手(圖6)采用氣動永磁鐵設計，避免鍛件產生余磁的同時，滿足鍛件在任何角度和形態下，都能穩定抓取，同時采用隔空設計，增加磁鐵降溫裝置，極大降低高溫的影響；

圖6 抓手3D 圖

2)機器人抓手末端安裝壓力感應裝置，在抓取和放置的過程中防止由于產品形態差異導致的碰撞和剮蹭，保證鍛件品質。

結束語

隨著企業生產理念的發展，傳統的加工單一品種的剛性生產線已不適應目前市場發展的需要，高柔性和高效率的自動化鍛造生產線，已成為鍛造技術及裝備發展的主要潮流。而機器人+視覺的技術具有高柔性的同時，現場施工周期也極大縮短，可以判斷機器人+視覺，一定會為鍛造行業的自動化升級提供更加靈活、快捷的解決方案。