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鑄鋼件“冒口”采用機器人進行切割處理的智能系統(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
五、 系統(tǒng)效率及預(yù)計實現(xiàn)效益
6.2改善傳統(tǒng)切割環(huán)境 保障職業(yè)健康
6.3推動鑄造行業(yè)智能化發(fā)展，邁向產(chǎn)業(yè)智能化升級之路
前 言
本文以基本機器人智能切割工作站的配置進行介紹,并補充說明可提供的擴展服務(wù)。
冒口切割鑄鋼件清理過程中的重要工序，現(xiàn)階段其幾乎全部采用人工手持氣體割槍進行切割。設(shè)定300mm（直徑或厚度）的切割厚度可以滿足大部分鑄鋼件（約60-70%鑄鋼件）冒口的切割需要。冒口切割工序工作量大，操作環(huán)境惡劣、安全風(fēng)險高、人工切割質(zhì)量差，且“用工難”等困境已極大的限制了鑄造行業(yè)的發(fā)展。運用自動化、智能化技術(shù)設(shè)備代替人工作業(yè)已是鑄造行業(yè)的發(fā)展方向之一。
一、適用范圍
通用機器人視覺智能火焰切割工作站適用于中大型鑄鋼件的300直徑（或厚度）以內(nèi)冒口的切割作業(yè)，適用工作范圍如下表1：
標準火焰切割工作站 | 適用范圍 |
冒口直徑（厚度） mm | ≤300mm 常溫下切割，熱態(tài)切割需加防護措施 |
切割部位預(yù)處理 | 切割線周圍30mm范圍內(nèi)殘砂和殘渣必須清理干凈 |
切割鑄鋼件材質(zhì) | 鑄造碳鋼、鑄造低、中合金鋼 |
切割工作范圍 | 機器人前部約2500×1800mm矩形區(qū)域 |
切割面的質(zhì)量水平 | 切割面平整，不影響機械加工，冒口根留高一致性好，留高3-10mm |
切割速度 | 60-120mm/分鐘 |
表1 機器人火焰切割適用范圍參數(shù)表
切割工作范圍可通過擴展變位機，增加切割機器人等方式提高。詳細布置見3.4擴展服務(wù)。
場地及外部能源需求：
需求項 | 內(nèi)容 |
場地尺寸 | 5000mm×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 | 燃氣（丙烷、天然氣）壓力≥0.3MPa,氧氣壓力≥1MPa； |
環(huán)保措施 | 粉塵處理 污廢處理 |
吊裝設(shè)備 | 滿足工件吊裝擺放需求 |
通風(fēng)及照明設(shè)備 | 滿足現(xiàn)場需求 |
表2 機器人火焰切割外部需求明細表
二、設(shè)置目標
1. 降低澆冒口切割工序中人工工作量，保障操作者職業(yè)健康安全。
2. 控制系統(tǒng)人機交互智能化，操作方便。
3. 切割面平整留高一致，方便機械加工和打磨。
4. 切割質(zhì)量遠高于人工，切割效率基本與人工一致，對鑄件擺放無嚴格要求。
5. 利用遠程數(shù)據(jù)平臺，進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理，并監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)。
6. 切割工藝參數(shù)可設(shè)置，適用多種鑄鋼件冒口切割工藝的優(yōu)化，切割消耗低于人工。
7. 提升鑄造冒口切割工序自動化，智能化水平。
8. 切割系統(tǒng)符合鑄造廠區(qū)環(huán)保規(guī)定。
9. 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
鑄鋼件冒口視覺火焰切割工作站主要由：主體部分、視覺部分、軟件控制部分等構(gòu)成，總體效果圖如下圖所示：
圖1 大中鑄鋼件視覺火焰切割工作站示意效果圖
主要具有以下三點優(yōu)勢：
（1）擺放定位方面：本工作站采用高精度視覺相機對鑄件（冒口）進行定位，鑄件只需擺放至預(yù)先設(shè)定范圍內(nèi)，不需嚴格確定擺放位置。但鑄件需姿態(tài)調(diào)整，使鑄件形成一定的氣割角度≥45°。
（2）程序設(shè)計方面：操作者確認鑄件切割冒口起點和終點，系統(tǒng)自動識別并生成切割軌跡程序。
（3）切割質(zhì)量和效率方面：機器人切割的坡口光潔度好，外形美觀，切割效率高。
3.1主體部分
主體部分主要由品牌工業(yè)機器人、專用割槍、鑄件切割區(qū)域構(gòu)成。
3.1.1 工業(yè)機器人
為保證火焰切割工作的正常進行，需配套有工業(yè)機器人，可以采用Fanuc（發(fā)那科）、ABB、KUKA（庫卡）、Yaskawa（安川）等知名品牌的機器人。要求機器人負載50kg以上，臂展2500~3000mm。
3.1.2 專用割槍
根據(jù)用戶的使用場景，本工作站推薦使用梅賽爾的MS932原裝射吸式割槍，其燃氣類型可以使用乙炔、丙烷、天然氣、液化氣等，本工作站主要使用丙烷，其主要優(yōu)勢如下：
① 更高的切割速度，提升約30%-40%；
② 更低的氧氣消耗，降低30%-40%；
③ 更長的割嘴使用壽命，提高大約4-5倍；
④ 更換方便，可以實現(xiàn)快速更換；
⑤ 更低的熱變形，更小的割縫，減小割縫10-15%。
圖2 MS932原裝射吸式割槍
3.1.3 火焰切割工藝
選取氣割（火焰切割）工藝，具有切割鋼鐵速度快、尺寸公差低、經(jīng)濟實惠、設(shè)備費用低、設(shè)備便攜、操作簡便、可手動可自動等優(yōu)點。需配套煙氣控制和排風(fēng)設(shè)施。
氣割（火焰切割）工藝參數(shù) | 數(shù)值范圍 |
切割氧氣壓力 | 0.5~1.0 MPa 受切割點參數(shù)影響 |
切割天燃氣壓力 | 0.2~0.3 MPa 受切割點參數(shù)影響 |
割槍移動速度 | 1~2mm/s 受切割點參數(shù)影響 |
表3 火焰切割工藝參數(shù)
3.2視覺系統(tǒng)部分和切割軌跡程序
采用3D工業(yè)相機獲得加工鑄件表面的點云圖像及坐標數(shù)據(jù)，在交互界面選取切割冒口區(qū)域。自動編程生成出機器人切割軌跡程序，具有使用靈活、采樣精度高、對鑄件適應(yīng)性強的優(yōu)點。
3.3控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
機器人智能自動化切割軟件部分主要包括總控制程序，視覺視覺定位算法，切割路徑自動生成算法，本地數(shù)據(jù)采集及傳輸算法，云端數(shù)據(jù)處理軟件。
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 |
切割軌跡自生成算法 | 根據(jù)視覺識別定位生成的圖像數(shù)據(jù)，自動生成切割運動軌跡 |
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)、切割工件參數(shù)、切割工藝參數(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
四、系統(tǒng)工作流程
1.清理干凈鑄件冒口切割線附近50mm左右部位的殘砂、粘砂等；將鑄件擺放到指定作業(yè)范圍內(nèi)（約2500×1500），并形成一定的氣割角度≥45°，切割面偏離機器人。
2.打開電源，登錄系統(tǒng)，輸入鑄件相關(guān)參數(shù)。
3.啟動掃描系統(tǒng)，視覺相機調(diào)整為拍照姿態(tài)后開始掃描，對鑄件表面進行掃描同時完成定位。
4.人工在操作界面確認切割冒口的起點和終點位置，系統(tǒng)自動形成切割程序。
5.進入切割流程，打開丙烷（或天然氣）及氧氣開關(guān)，預(yù)先進行切割槍校準點火，逐個冒口進行切割作業(yè)，直至選取的冒口全部切割完成。需要切割該鑄件
