工业机器人在精铸铸钢件浇口及飞边打磨中的应用

工业机器人在精铸铸钢件浇口

及飞边打磨中的应用

杨军熊亮

东风精密铸造有限公司装备管理部湖北十堰 442714

摘要：铸件清理是铸造工艺流程中的薄弱环节，大量的使用人力打磨。本文就工业机器人在铸件清理存在的技术难点进行分析，探讨工业机器人集合柔性系统、变形检测系统及新型打磨工具在铸件清理自动化中的应用，为铸件生产清理自动化的发展提供实践参考。

关键词：工业机器人柔性系统变形检测系统新型打磨工具

前言

当前铸造行业中铸件的清理打磨仍然使用大量的人工，工资的不断上涨加重了铸造企业的负担，打磨环境和飞扬的粉尘对工人身体健康造成极大危害。职业病、工伤赔偿进一步提高了人工成本，也使企业陷入了招工难的困境。大型铸件使用人工打磨，需要大量的场地，效率低下，打磨质量不能保证，这些都无形地增加了企业的生产成本。针对以上问题，提出了利用工业机器人的多自由度柔性化加工的特点，替代人工对铸件浇口及飞边进行打磨。现代6轴机器人是一种柔性自动化设备，且能持续不间断的工作。随着打磨工具、检测技术等相配套技术的升级，人工打磨将逐步被机器人自动打磨所替代。

1系统方案设计

1.1机器人的选型

对于打磨机器人的选型，主要从机器人最大载荷，工作轨迹范围，重复定位精度，防护等级等要求方面进行考虑：

○1机器人最大载荷：根据产品、夹具的最大单重，并预留一定的余量。机器人最大载荷≥210KG。

○2工作轨迹范围：需要保证机器人运动轨迹完全覆盖产品打磨的表面。机器人工作半径R≥2700mm。

○3重复定位精度：产品打磨精度要求±0.5mm，所以机器人重复定位精度≤±0.5mm。

○4防护等级：打磨作业工况恶劣，机器人防护等级要求较高。

本课题选择KUKA的KR2000打磨机器人，该机器人最大载荷210KG，工作半径达到2700mm，重复定位精度≤0.06mm，设备防护等级达到IP65。并具有重复定位精度高，设备可靠性高等特点，并能在严苛环境和高危环境下作业。

1.2工装夹具系统的设计

工装夹具是机器人和打磨产品连接的部件，必须具备稳定性强、柔性化高、更换效率高，自带防错等功能。本系统的工装夹具分为三部分：1.双工位工作台；2.机器人抓手；3.抓手库。

双工位工作台有两个产品上下料的工作台，可单独实现产品的上下料。工作台根据不同的产品设计产品定位工装，实现柔性化生产；工装定位采用浮动结构，避免因为零件变形导致的抓取零件错位；同时，工作台设计了检测系统，能够自动识别人工上件零件与系统设置零件是否匹配，避免工人零件误放而导致的事故发生。工作台结构原理如图1：

图1 工作台结构图

机器人抓手是根据铸件尺寸进行非标制作。机器人与抓手连接采用标准法兰连接，管线通过航插连接，可达到快速更换工装的效果。同时，抓手设计了检测系统，能够自动识别抓取零件与系统设置零件是否匹配，检测抓手抓取零件的准确性，进一步保证系统的安全性。

抓手库是用于存放暂时闲置的抓手。抓手库设计抓手定位工装，保证抓手存放位置的一致性。需要更换抓手时，人工能快速、轻便的更换；

1.3 打磨工具的设计

本系统选用双头大功率、大扭矩砂轮机，配置一厚一薄砂轮片，分别用于切割和打磨，使砂轮机打磨工件更灵活，用于处理铸件的浇冒口残留和较大飞边、飞针、毛刺。本系统打磨产品主要是铸钢件，所以砂轮选择CBN（立方氮化硼）砂轮。该砂轮具有硬度较高，耐热性强，耐磨损等优点。可以较好的保证打磨效率和打磨质量。

同时，系统还配置了两组打磨动力头，分别为柔性动力头和钢性动力头。柔性动力头采用柱塞式结构，具有大功率、高扭矩、柔性摆动、安全保护、自动补偿等特点。柔性动力头的结构原理如图2：

图2 柔性动力头结构原理图

柔性动力装置能在打磨过程中随打磨力的变化产生自适应的偏移，保持打磨力动态的平衡，保证打磨质量，并能起到保护工具的作用。

1.4 检测系统的设计

激光检测系统能够在打磨前对铸件各特征部位进行扫描检测，以获得铸件的相对外形尺寸误差，通过相应软件自动计算出补偿量，并自动调整打磨轨迹进行误差补偿，以提高打磨质量。本系统配置一款基恩士IA系列的CMOS模拟激光传感器，该传感器具有精度高，抗干扰能力强，通信兼容性好等特点。检测系统如图3：

图3检测系统

2 项目风险及对策

针对铸钢件浇口及飞边的自动化打磨一直是铸造行业的难题，存在着打磨效率低、打磨成本高、产品变形量大等技术风险。针对这些技术风险，项目组开展实验、调研等方式进行分析、讨论，最终对项目的风险做出合理的应对对策。

表1 项目风险及对策

3 效果及效益

相对于人工打磨，机器人在打磨方面有效率高、成本低、打磨质量好等优势。同时，机器人打磨具有较高的灵活性和扩展性，即可打磨多种不同型号的工件，又可以统括多个单元的集成形成自动化生产线。自动打磨单元如图4：

图 4 自动打磨单元

根据现场统计数据：自动打磨单元打磨效率提升100%以上，打磨磨料成本节省20%以上，产品合格率提升1.2%左右，合计年创造效益40万元整。自动打磨单元与人工打磨对比见表2：

表2人工打磨和机器人打磨效果对比表

4 结论

本课题是基于精铸行业铸钢件的浇口及飞边的自动化打磨，利用工业机器人替代人工进行打磨作业。该自动打磨单元的投产不仅改善了员工的工作环境，提高了打磨质量，降低了打磨成本，而且还提高了公司的自动化水平，提升了企业竞争力。

参考文献

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[2] 胡建勇新型机器人自动打磨工艺探析，铸造装备，2012.12

[3] 周泽平铸件后处理磨削工艺装备的应用现状，重庆铸造年会论文集，2014.02

[4] 闻邦椿机械设计手册[M]. 机械工业出版社， 2010.01