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大型自由鍛鋼件毛坯UT部位采用機(jī)器人進(jìn)行打磨處理的智能系統(tǒng)搭建及設(shè)置意見(jiàn)（討論稿）
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2022年7月
3.3視覺(jué)識(shí)別和打磨軌跡編程系統(tǒng)
前 言
大型自由鍛鋼件由于優(yōu)良的性能和“消除”了各類鑄造缺陷而被廣泛用于主要支撐和受力的機(jī)械設(shè)備等重要部位。鍛造成型后一項(xiàng)必不可少的檢查-超聲波探傷（UT）就是被廣泛用于檢查判斷其內(nèi)部質(zhì)量的重要工序。
現(xiàn)階段大型鍛鋼件普遍采用的實(shí)現(xiàn)UT探傷的表面必須經(jīng)過(guò)機(jī)械加工以便達(dá)到可以進(jìn)行UT工序的表面質(zhì)量要求。機(jī)械加工需要較大的加工余料，和較高的加工成本，造成UT檢查效率低而成本高。
本文設(shè)置的大型鍛鋼件毛坯UT部位機(jī)器人智能打磨工作站可以很快地按照工藝技術(shù)要求對(duì)需要UT的部位進(jìn)行智能打磨以實(shí)現(xiàn)高效和低成本的UT檢查，可以很好地適應(yīng)大型鍛鋼件的生產(chǎn)。
一、適用范圍
大型鍛鋼件毛坯UT部位機(jī)器人智能打磨工作站適合于各類自由鍛鋼件毛坯指定部位的打磨。
機(jī)器人打磨工作站適用范圍如下：
要素項(xiàng)目 | 適用范圍 |
鍛鋼件材質(zhì) | 碳鋼、低、中、高合金鋼 |
打磨面的準(zhǔn)備 | 按工藝技術(shù)要求部位設(shè)定打磨部位 |
打磨面形狀 | 平面、斜面、圓弧面和其他鍛造毛坯面 |
打磨覆蓋范圍 | 機(jī)器人前部約2500×1500mm矩形區(qū)域 |
打磨面的質(zhì)量水平 | 毛坯面打磨可以達(dá)到平整光，粗糙度3.2-6.3μm，滿足UT檢查要求 |
打磨工作效率 | 1.5-2.5㎡/小時(shí) |
表1 適用范圍
場(chǎng)地動(dòng)力能源需求：
需求項(xiàng) | 內(nèi)容 | 備注 |
場(chǎng)地尺寸 | 6000mm×5000mm | |
電源要求 | 380V三相交流電 50HZ | |
壓縮空氣 | 0.6Mbar | |
耗材 | 樹(shù)脂砂輪 | 平板砂輪，線速度35-50mps |
表2 場(chǎng)地及能源需求
二、設(shè)置目標(biāo)
1. 替代機(jī)械加工快速高效和低成本的實(shí)現(xiàn)鍛鋼件毛坯的內(nèi)部鍛造質(zhì)量檢查。
2. 控制系統(tǒng)人機(jī)交互智能化，操作方便。
3. 通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺(tái)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。
4. 打磨工藝參數(shù)可設(shè)置，適用多種鍛鋼件UT部位快速打磨和打磨工藝的優(yōu)化。
5. 提升鍛造流程的智能化水平。
6. 整體設(shè)備穩(wěn)定可靠，可快速收回投資（半年左右）。
三、系統(tǒng)構(gòu)成
機(jī)器人智能打磨工作站的系統(tǒng)構(gòu)成：
1、工業(yè)機(jī)器人本體
2、打磨工作機(jī)構(gòu)
3、視覺(jué)識(shí)別和打磨軌跡編程系統(tǒng)
4、控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
3.1 工業(yè)機(jī)器人本體系統(tǒng)
主要由品牌工業(yè)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)、PLC總控制系統(tǒng)、管線包和安全防護(hù)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。
機(jī)器人選型
推薦優(yōu)先選擇：Fanuc（發(fā)那科）、ABB、KUKA（庫(kù)卡）、Yaskawa（安川）等和國(guó)產(chǎn)的一線品牌機(jī)器人
打磨工作站要求機(jī)器人：負(fù)載范圍為：150-250㎏；臂展范圍：2500-3000mm
l KUKA-KR QUANTEC系列高負(fù)載機(jī)器人，此系列能覆蓋90-300kg的負(fù)載范圍，機(jī)器人臂展范圍3000mm，有多種安裝方式可選.結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。
圖1 庫(kù)卡KR210 2700 機(jī)器人外觀圖
l ABB-IRB-6700機(jī)器人系列結(jié)構(gòu)剛性更好，無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，性能提升且維修簡(jiǎn)化，其總擁有成本降低20%。IRB 6700有多款型號(hào)，負(fù)載為150kg 至300kg，工作范圍為 2.6 m 至 3.2 m，有落地式和倒裝式版本可選。
圖2 ABB-IRB-6700 機(jī)器人外觀圖
3.2 打磨工作機(jī)構(gòu)
鍛鋼件毛坯UT部位打磨工作站推薦使用“平板砂輪恒力打磨頭”，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，可以使用直徑達(dá)300的平板砂輪工作，打磨效率高，砂輪消耗低。
圖3 平板砂輪打磨頭示意圖
3.3視覺(jué)識(shí)別和打磨軌跡編程系統(tǒng)
視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)由視覺(jué)相機(jī)和相機(jī)快換機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。視覺(jué)相機(jī)工作時(shí)通過(guò)相機(jī)快換機(jī)構(gòu)連接在機(jī)器人的第6軸上，對(duì)鍛件進(jìn)行視覺(jué)圖像的采集。機(jī)器人作打磨工作時(shí)，視覺(jué)相機(jī)通過(guò)快換機(jī)構(gòu)已置于安全位置。
打磨軌跡的編程系統(tǒng)是通過(guò)控制系統(tǒng)將視覺(jué)圖像采集到的需要打磨部位圖像化地與操作者進(jìn)行點(diǎn)取確認(rèn)打磨范圍后在線自動(dòng)編程生成的。
3.4 控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
機(jī)器人智能自動(dòng)化打磨軟件部分主要包括總控制程序，視覺(jué)視覺(jué)定位算法，打磨軌跡自動(dòng)生成算法，本地?cái)?shù)據(jù)采集及傳輸算法，云端數(shù)據(jù)處理軟件。
模塊 | 模塊功能 |
總控制程序 | C#編寫(xiě)控制交互界面，上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)控制于PLC、機(jī)器人、視覺(jué)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制 |
視覺(jué)識(shí)別定位算法 | 通過(guò)視覺(jué)相機(jī)拍攝圖像，編寫(xiě)圖像擬合程序：生成高精度圖像數(shù)據(jù)：識(shí)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(jué)識(shí)別定位生成的圖像數(shù)據(jù)，自動(dòng)生產(chǎn)打磨運(yùn)動(dòng)軌跡 |
本地?cái)?shù)據(jù)采集 | 通過(guò)ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)采集生產(chǎn)過(guò)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(guò)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)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(xiàng)報(bào)表,可監(jiān)控監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài). |
表3 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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(yàn)證的默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行打磨，系統(tǒng)通過(guò)控制機(jī)器人移動(dòng)參數(shù)和PLC控制打磨工具頭相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)打磨運(yùn)動(dòng)軌跡，詳細(xì)打磨工藝參數(shù)如下表：
打磨工藝參數(shù) | 數(shù)值范圍 |
電機(jī)轉(zhuǎn)速 | 3000~6000rpm，按砂輪直徑和線速度設(shè)定 |
打磨速度 | 100~300 mm/s，與鍛件材料和毛坯面質(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，與毛坯面質(zhì)量相關(guān) |
表4 打磨工藝控制參數(shù)
3.6 打磨范圍擴(kuò)展
建議打磨工作站固定位置安裝，采用吊起移動(dòng)鍛件來(lái)擴(kuò)展打磨范圍。
四、系統(tǒng)工作流程
1、起吊擺放鍛件至機(jī)器人打磨工作站的有效打磨區(qū)域（約2500×1500）；
2、啟動(dòng)打磨工作站設(shè)備系統(tǒng)，（自動(dòng)）安裝視覺(jué)相機(jī)對(duì)當(dāng)前工件進(jìn)行視覺(jué)采集后（自動(dòng)）卸掉視覺(jué)相機(jī)至安全位置；
3、系統(tǒng)顯示視覺(jué)相機(jī)采集到的工件點(diǎn)云圖像，操作者按工業(yè)技術(shù)要求點(diǎn)取鍛件毛坯上當(dāng)前覆蓋范圍內(nèi)所有的需要打磨的部位范圍后確認(rèn)；
4、機(jī)器人逐個(gè)區(qū)域進(jìn)行打磨，打磨完每一個(gè)區(qū)域后需要操作者確認(rèn)達(dá)到（或需要重復(fù)打磨）質(zhì)量要求后進(jìn)行下一個(gè)區(qū)域的打磨，所有區(qū)域打磨合格后設(shè)備停止工作回到安全位置。
5、需要打磨其他件（或該鍛件的其他部位）時(shí)，重復(fù)上述步驟；
6、結(jié)束。
五、系統(tǒng)效率及預(yù)期效益
鍛鋼件毛坯UT部位打磨工作站可以替代機(jī)械加工來(lái)完成鍛件毛坯內(nèi)部質(zhì)量的檢查。
與機(jī)械加工后進(jìn)行UT檢查相比較，系統(tǒng)效率和效益都是“顛覆性”的。特別是對(duì)于沒(méi)有配備機(jī)械加工設(shè)備的鍛造工廠，可以解決其質(zhì)量控制的嚴(yán)重缺項(xiàng)，為該類企業(yè)的質(zhì)量成本的降低提供保障。
六、總結(jié)
6.1配置更低要求
實(shí)現(xiàn)最基礎(chǔ)的打磨功能且不增加企業(yè)資金壓力，機(jī)器人智能打磨工作站的配置要求如下：
①主機(jī)部分可采用市面常見(jiàn)承重150KG以上，臂展超過(guò)2500mm以上機(jī)器人作為系統(tǒng)機(jī)器人，搭配恒力平板砂輪打磨頭。
②通過(guò)常規(guī)PLC總控制柜進(jìn)行控制，C#編寫(xiě)控制交互界面，用以太網(wǎng)控制與PLC、機(jī)器人、視覺(jué)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。
③系統(tǒng)對(duì)工廠場(chǎng)地配套和能源要求都比較低，僅需要大小為6000mm×5000mm，有50HZ-380V三相交流電、通自來(lái)水的場(chǎng)地即可滿足要求，設(shè)備主要耗材為樹(shù)脂砂輪，系統(tǒng)運(yùn)行花費(fèi)低。
6.2系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
①簡(jiǎn)易明了的交互模式，實(shí)現(xiàn)操作者與系統(tǒng)的交互操作：操作者僅需輸入工藝參數(shù)或選取參數(shù)，確定打磨軌跡即可開(kāi)啟打磨。
②系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單，定期進(jìn)行機(jī)械磨損檢查、線路健康狀況評(píng)估和工控機(jī)內(nèi)運(yùn)行環(huán)境及冗余清理。
③安全環(huán)保：操作者可遠(yuǎn)離打磨操作平臺(tái)，機(jī)器人設(shè)備穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)基本無(wú)排放，杜絕安全和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。
④操作者僅需職業(yè)技術(shù)學(xué)校相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)，或擁有大專以上學(xué)歷，具有計(jì)算機(jī)操作能力，通過(guò)培訓(xùn)即可快速掌握系統(tǒng)操作方法。
2-大型自由鍛鋼件毛坯UT部位采用機(jī)器人進(jìn)行打磨處理的智能系統(tǒng)搭建及設(shè)置意見(jiàn)（討論稿）.docx
