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大型鑄鋼件非加工面采用機器人進行打磨處理的智能系統(tǒng)搭建及設(shè)置意見（討論稿）
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四川智能創(chuàng)新鑄造有限公司
2022年7月
目 錄
前 言
本文以基本機器人智能打磨工作站的配置進行介紹，并補充說明可提供的擴展服務(wù)。
大型鑄鋼件非加工面（工件表面不需要加工而直接鑄造成型和使用的表面）的打磨是鑄鋼件生產(chǎn)中必不可少的重要工序，現(xiàn)階段幾乎全部采用人工樹脂砂輪打磨。該工序工作量大，工人勞動條件處于極度的臟、累、苦、險狀況中，存在極大的職業(yè)健康風(fēng)險，行業(yè)現(xiàn)已明顯出現(xiàn)人力資源短缺。盡快提升該工序的自動化、智能化水平已是鑄造行業(yè)的發(fā)展共識。
一、適用范圍
鑄鋼件非加工面機器人智能打磨工作站適合于鑄鋼件各類毛坯面（即非加工面）的智能化打磨。
通用機器人打磨工作站適用范圍如下：
要素項目 | 適用范圍 |
打磨鑄鋼件材質(zhì) | 鑄造碳鋼；鑄造低、中、高、合金鋼 |
打磨面的預(yù)處理 | 毛坯面經(jīng)過清砂和拋丸處理 |
打磨面形狀 | 平面、斜面、弧面和敞開的曲面等 |
打磨覆蓋范圍 | 機器人前部約2000×1500mm矩形區(qū)域 |
打磨面的質(zhì)量水平 | 毛坯面打磨后光滑（平整），可以達到粗糙度Ra3.2-6.3μm，能夠滿足無損檢查和后期的涂裝要求 |
打磨工作效率 | 2.5-3.5㎡/小時 |
表1 適用范圍
標(biāo)準(zhǔn)單臺設(shè)備場地及外部能源需求（未擴展）：
需求項 | 內(nèi)容 | 備注 |
場地尺寸 | 6000mm×5000mm | |
電源要求 | 380V三相交流電 50HZ | |
水源要求 | 常用自來水 | |
氣源要求 | 0.6MPa | |
耗材（砂輪材質(zhì)） | 樹脂砂輪 | 平板砂輪和碗型砂 輪線，線速度35-50mps |
表2 場地及能源需求
標(biāo)準(zhǔn)打磨工作站機器人安裝于固定位置。本系統(tǒng)可進行擴展，詳細內(nèi)容查看3.6擴展服務(wù)。
二、設(shè)置目標(biāo)
1. 替代大中型鑄鋼件生產(chǎn)過程中人工打磨工序，保障操作者職業(yè)健康安全。
2. 系統(tǒng)控制實現(xiàn)人機交互智能化，操作方便。
3. 打磨質(zhì)量滿足無損探傷及后期涂裝要求。
4. 打磨質(zhì)量高于人工，打磨效率高于人工，預(yù)定打磨區(qū)域可做選取、增減。
5. 通過遠程數(shù)據(jù)平臺，進行數(shù)據(jù)處理，監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)。
6. 打磨工藝參數(shù)可設(shè)置，適用多種鑄鋼件整體打磨工藝的優(yōu)化。
7. （系統(tǒng)機器人）打磨面積占比整體打磨面積60%及以上。
8. 提供擴展服務(wù)，打磨系統(tǒng)適應(yīng)多種生產(chǎn)環(huán)境，提升廠房利用率。
9. 提升鑄造打磨工序自動化、智能化水平。
10. 打磨系統(tǒng)符合鑄造廠區(qū)環(huán)保規(guī)定。
11. 整體設(shè)備穩(wěn)定可靠，可在2-3年內(nèi)收回投資。
三、系統(tǒng)構(gòu)成
智能自動化打磨系統(tǒng)以工作站方式運行。標(biāo)準(zhǔn)打磨工作站主要由：主體部分、工作部分、控制部分、視覺識別系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、打磨運動軌跡自動生成部分等構(gòu)成。
3.1 主體部分
主體部分主要由品牌工業(yè)機器人、PLC總控制柜、管線包構(gòu)成。
機器人選型
工業(yè)機器人主要選擇現(xiàn)有Fanuc（發(fā)那科）、ABB、KUKA（庫卡）、Yaskawa（安川）四大品牌機器人和其他國產(chǎn)知名機器人等。打磨工作部分設(shè)備整體重量40-80KG，最遠打磨點距離機器人中心1500mm，可選取機器人范例如下：
l KUKA-KR QUANTEC系列高負載機器人，此系列能覆蓋90-300kg的負載范圍，機器人臂展范圍3000mm。
圖1 庫卡KR210 2700 機器人外觀圖
l ABB-IRB-6700機器人系列，負載為150kg 至300kg，工作范圍為 2600 mm 至 3200 mm.
圖2 ABB-IRB-6700 機器人外觀圖
3.2 工作部分
工作部分主要由打磨頭、壓力傳感器等部分構(gòu)成。打磨頭有恒力平板砂輪打磨頭和碗型砂輪打磨頭等多種，選用樹脂砂輪為打磨耗材。
打磨頭類型 | 打磨區(qū)域及作業(yè)環(huán)境 | 軌跡運動 |
平板砂輪打磨頭 | 曲率半徑較大的（≮600）打磨面，操作空間充裕 | 直線往復(fù)運動 |
碗型砂輪打磨頭軸向 | 曲率半徑較小的（約＜600）打磨面，相對有“干涉”的打磨面， 立面等； | 運動軌跡可設(shè)置，可進行曲線運動 |
碗型砂輪打磨頭徑向 | 狹小操作空間 鑄件內(nèi)腔 等其它打磨面 |
表3 打磨頭類型、打磨區(qū)域及作業(yè)環(huán)境和軌跡運動
3.3視覺識別和打磨軌跡編程系統(tǒng)
視覺識別定位系統(tǒng)主要由視覺相機和相機快換機構(gòu)兩部分構(gòu)成。相機快換機構(gòu)固定在機器人第六軸末端上，完成對鑄件的位置、外形尺寸等掃描工作并自動生成視覺圖像。
通過操作者交互人工選取打磨區(qū)域后，系統(tǒng)通過視覺程序后處理，實現(xiàn)自動打磨程序的生成。機器人打磨工作前，視覺相機通過快換機構(gòu)置于安全位置。
打磨軌跡的編程系統(tǒng)依托視覺識別系統(tǒng)。視覺識別系統(tǒng)采集到的需打磨部位圖像數(shù)據(jù)由操作者進行點取確認打磨范圍，然后在線自動編程生成。
3.4 控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
機器人智能自動化打磨軟件部分主要包括總控制程序、視覺定位算法、打磨軌跡自動生成算法、本地數(shù)據(jù)采集及傳輸算法、云端數(shù)據(jù)處理軟件等。
模塊 | 模塊功能 |
總控制程序 | C#編寫控制交互界面，上位機通過以太網(wǎng)控制于PLC、機器人、視覺進行聯(lián)動控制 |
視覺識別定位算法 | 通過視覺相機拍攝圖像，編寫圖像擬合程序：生成高精度圖像數(shù)據(jù)：識別工件尺寸、工件位置、工件類型 |
打磨軌跡自生成算法 | 根據(jù)視覺識別定位生成的圖像數(shù)據(jù)，在操作者點取的打磨區(qū)域自動生產(chǎn)打磨運動軌跡 |
本地數(shù)據(jù)采集 | 通過ACCESS數(shù)據(jù)庫采集生產(chǎn)過程中的設(shè)備參數(shù)、打磨工件參數(shù)、打磨工藝參數(shù)、成本消耗、工作量信息等 |
云端數(shù)據(jù)處理 | 通過數(shù)據(jù)遠程傳輸至云端服務(wù)器，并配置生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理軟件，生成多項報表，可監(jiān)控監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài). |
表4 控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模塊及功能
3.5 打磨工藝控制
打磨工藝控制是實現(xiàn)自動化打磨質(zhì)量的重要因素。操作者可選擇在交互界面輸入工藝參數(shù)或使用已驗證的默認參數(shù)進行打磨，系統(tǒng)通過控制機器人移動參數(shù)和PLC控制打磨工具頭相結(jié)合，實現(xiàn)打磨運動軌跡，詳細打磨工藝參數(shù)如下表：
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打磨工藝參數(shù) | 數(shù)值范圍 | 備注 |
打磨頭電機轉(zhuǎn)速 | 3000~8000rpm | 按砂輪直徑和線速度設(shè)定 |
打磨移動速度 | 100~300mm/s | 與鑄件材料和毛坯面質(zhì)量相關(guān) |
變軌道寬 | 6~20mm | 與打磨面形狀等相關(guān) |
打磨壓力 | 15~30kg | 與毛坯面
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