機器人在高速重載扣件鑄造件打磨中的應用探討

吳恒志,吳曉琦

(安徽省巢湖鑄造廠有限責任公司，安徽 巢湖 238004)

鑄造件的后處理是其生產(chǎn)中必不可少的工藝過程，通常鑄造件的后處理包括型砂清理和飛邊毛刺的打磨。隨著社會發(fā)展和技術進步，以及我國人力資本紅利的逐步釋放，轉型發(fā)展讓更多的勞動力向環(huán)境更好、生產(chǎn)更安全、勞動強度更低的行業(yè)和崗位轉移。作為機械制造業(yè)基礎的鑄造業(yè)出現(xiàn)了像鑄造件清理打磨這樣的“臟、苦、累、?！睄徫粍趧恿袅鞒觯泄るy，招工貴，導致鑄造件的生產(chǎn)成本上升，質(zhì)量也受到了影響，制約著制造業(yè)的發(fā)展。

為緩解壓力，業(yè)內(nèi)和產(chǎn)業(yè)鏈的上下游做了很多的努力和嘗試[1-3]。對于大件(如機械裝備、車輛、工程機械等工件，質(zhì)量數(shù)千克到數(shù)百千克)，一般須對鑄造件毛坯進行加工才能滿足使用裝配要求。通常建設打磨生產(chǎn)線，將工件定位裝夾，再使用專用的機械裝置操控運動的刀具或磨具對其進行加工或打磨。這類鑄造件的打磨生產(chǎn)線結構復雜，專業(yè)性強，更換產(chǎn)品要對生產(chǎn)線進行較大的改造，生產(chǎn)效率較低，通常單班生產(chǎn)數(shù)十件到數(shù)百件。對于小件(如水暖配件等，單件質(zhì)量約1 kg)，一般情況下尺寸精度要求不高，大部分尺寸沒有配合裝配要求，只是進行裝飾性打磨或拋光、打光即可。其售價較高，通常是機械手抓取工件在柔性的打磨或拋光輪上打磨，以改善工件表面粗糙度。這類鑄造件打磨效率較高，通常單班生產(chǎn)數(shù)百件到上千件。

本文探討將工業(yè)機器人用在高速重載扣件鑄造件打磨中，介紹了采用的自動打磨方案和取得的成效。

1 高速重載鐵路扣件鑄造件結構及打磨特點

高速重載扣件的鑄造件常用的結構形式為鐵墊板和預埋鐵座，是扣件的重要基礎件，對其力學性能要求嚴格。因其結構緊湊、尺寸小，毛坯件不進行機械加工直接安裝使用。因為工件有的尺寸有裝配要求，尺寸精度影響線路的平順性和軌距，故對尺寸精度要求也很高，因此對打磨的要求更加嚴苛。這類工件數(shù)量大，售價低。人工打磨質(zhì)量不穩(wěn)定，勞動強度大，操作環(huán)境差，安全風險大，打磨效率低，對于一些因空間限制難以打磨的毛刺，還容易因打磨不當造成產(chǎn)品報廢。一些結構復雜的高速、重載扣件鑄造件因打磨造成的廢品率高達15%左右。因此高速重載扣件鑄造件的打磨是看似簡單卻十分精細的技術活。

2 自動打磨的技術難點

高速重載扣件鑄造件產(chǎn)品打磨要求高，工件小、產(chǎn)量大，現(xiàn)有技術和裝備很難滿足其要求。模擬人工，使用機器人抓取工件進行打磨的方案，動作精準，但對于毛刺大小、澆冒口大小及位置存在很大差距的鑄造件，還要精確地控制位置，并要包容尺寸公差達到1 mm的工件，以保證達到不傷及鑄造件本體、殘余飛邊毛刺符合技術要求。

3 自動打磨解決方案設計

為解決高速重載扣件鑄造件的高效自動打磨問題，針對高速重載扣件鑄造件結構特點及打磨要求，本著面向需求、解決問題的原則，確定“面向鐵墊板，兼顧預埋座”的基本要求，研制高速重載扣件鑄造件自動打磨生產(chǎn)線。生產(chǎn)線應當做到當班產(chǎn)品當班清理打磨完成，在鐵墊板與預埋鐵座之間可以快速轉換，同時能夠很方便地調(diào)整不同規(guī)格的鐵墊板或預埋鐵座尺寸。

3.1 自動打磨方案設計

根據(jù)設定的目標，生產(chǎn)線方案設計需要考慮到鑄造件生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力、對應的生產(chǎn)節(jié)拍指標(必須滿足鑄造件生產(chǎn)線的班產(chǎn)量，實現(xiàn)生產(chǎn)的流暢運行，單件產(chǎn)品的打磨時間約11.5 s)、生產(chǎn)線的柔性(滿足產(chǎn)品多個位置的打磨，并兼容多款產(chǎn)品的共線生產(chǎn))、物流問題、產(chǎn)品在夾具上的定位以及最小占地面積等，因此方案設計決定整個生產(chǎn)線建設的成敗和技術水平。按照機器人的工作節(jié)奏，通過理論計算和數(shù)值模擬，單臺機器人抓取工件時間約12 s(含視覺識別),打磨時間約10 s,放回工件的時間約10 s。據(jù)此設計了3種解決方案[4-6]。

方案1如圖1所示。采用6臺機器人兩兩一組，分別組成3個獨立的打磨工作單元，由人工通過起重設備將待打磨工件運送到供料處，機器人自動識別工件并抓取、打磨，然后放到輸送皮帶上，輸送到集中出料處，由專用料框收集，集滿一筐統(tǒng)一搬運。該方案雖然能夠達到預期的產(chǎn)能，但是存在設備投資和占地空間大(大于300 m2)、上料點分散(3處上料)、操作人員多(4～6人)等缺點。

圖1 6臺機器人方案示意

方案2如圖2所示。采用2臺機器人+2臺專機的方案，投資少(只用2臺機器人，2臺專機價格低于機器人)、占地較少(約60 m2)，打磨鐵墊板效率高。但是因為采用專機，產(chǎn)品轉換難度大，實現(xiàn)了“面向鐵墊板”，卻很難“兼顧預埋座”。

圖2 2臺機器人+2臺專機方案示意

方案3如圖3所示。采用4臺機器人方案，其中2臺打磨機器人進行打磨作業(yè)，前置機器人負責工件識別和供料到指定位置，后置機器人負責將完成打磨的工件重新碼放好。該方案投資適中，布置緊湊(占地約90 m2)，物流順暢(1處進料，1處出料)，對鐵墊板和預埋座能兼容，并且能方便地適應工件尺寸的變化，存在的缺陷是打磨效率達不到預期目標。

圖3 4臺機器人方案示意

經(jīng)過對3套方案的分析、比對，首先否決了方案2。再對方案1和方案3進行全面綜合分析，傾向于選擇方案3，并對該方案作進一步優(yōu)化。在打磨機器人與前(后)置機器人之間設置具有輔助定位功能的中間周轉定位平臺，以提高生產(chǎn)效率。優(yōu)化方案的主要特點是：①兼容性好，兼容高速重載扣件鑄造件產(chǎn)品鐵墊板、預埋座，且能快速切換;②設備布局緊湊，場地占用小，一次性投資適中，便于進一步推廣;③采用機器人抓取工件進行打磨的方式，符合傳統(tǒng)工藝習慣，可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn);④方案3對于預埋鐵座等小件產(chǎn)品打磨，因為輔助時間大于工作時間，需要通過技術措施如一次抓取多件產(chǎn)品以提高打磨的效率，才能達到設定的目標，技術上難度較大且存在不成功的風險。

3.2 單件產(chǎn)品打磨工藝及技術參數(shù)研究

根據(jù)扣件鑄造件產(chǎn)品的特點，要對各個打磨工藝環(huán)節(jié)進行分解并予以研究，以達到設計合理的打磨工藝流程。具體研究內(nèi)容：①根據(jù)產(chǎn)品打磨要求，結合產(chǎn)品的結構特點，研究適合機器人打磨程序的打磨工藝順序;②研究機器人工作程序，確定影響打磨毛刺進給量的因素如毛刺的厚度、材質(zhì)、磨料切削速度、機器人運動速度等及其相互關系和相互影響;③研究打磨鑄造件程序變量的控制;④研究磨具直徑，應達到磨料打磨線速度要求，高速旋轉的動平衡要求，適用產(chǎn)品結構、達到最佳磨削效果的要求等；⑤研究磨具的性能參數(shù)如磨料材質(zhì)、磨料顆粒大小、磨料覆蓋結構、磨料的耐磨性以及排屑性能、散熱等。

3.3 主要技術難點解決思路

綜合考慮了打磨的效率和實施技術難度，統(tǒng)一了打磨的工藝流程，將4臺機器人進行固定的分工，分成打磨機器人和輔助機器人。前置輔助機器人負責供料，后置輔助機器人負責卸料。前置機器人將待打磨產(chǎn)品搬運到指定的定位臺上，如圖4所示，便于2臺打磨機器人快速準確抓取。2臺打磨機器人分別抓取，獨立進行打磨作業(yè)，從供料臺抓取產(chǎn)品進行打磨，并將打磨完成的產(chǎn)品投放到下料平臺上。后置機器人負責從下料平臺抓取打磨過的產(chǎn)品重新碼放到托盤上(或放到集料框中)。這樣經(jīng)流程優(yōu)化的作業(yè)可以有效提高系統(tǒng)整體的打磨效率，還能兼顧多種產(chǎn)品，適應不同類型產(chǎn)品的快速切換[7-8]。在此基礎上制定了針對性的零部件打磨技術方案，分述如下。

圖4 中間定位平臺

1)鐵墊板打磨方案

選擇產(chǎn)量較大的高速鐵路WJ8型扣件鐵墊板作為研究對象，本節(jié)中鐵墊板的具體方案和工藝數(shù)據(jù)都是針對該鐵墊板。其他形式的鐵墊板可以在此基礎上進行擴展。為滿足多種鐵墊板的打磨適用性，提高打磨效率，對于鐵墊板類產(chǎn)品的打磨以打磨四周的毛刺為主。為便于打磨，以鐵墊板的孔作為定位和裝夾基準，采用木托盤加隔板(主要是通過色差提高識別效率)的形式直接碼垛即可提供給系統(tǒng)進行識別、抓取。圖5給出了鐵墊板裝夾及打磨位置。

圖5 鐵墊板裝夾及打磨位置示意

系統(tǒng)作業(yè)時，通過安裝在前置機器人臂上的照相機拍照，對托盤上碼垛的鐵墊板進行視覺定位以便準確抓取，將鐵墊板搬運到供料臺指定的位置，打磨機器人按照設定的毛刺參數(shù)對產(chǎn)品進行打磨。為了保證打磨的效率和質(zhì)量，要對設置在鐵墊板一側的澆冒口進行識別，以便調(diào)用相應的澆冒口打磨程序和參數(shù)對澆冒口及其附近的毛刺進行打磨。打磨過的產(chǎn)品由后置機器人在下料托盤重新碼垛。數(shù)值模擬結果表明，該方案單臺打磨機器人打磨高速鐵路扣件鐵墊板的時間分布為：抓取工件7～8 s、打磨作業(yè)約12 s、放下(中間臺)工件7～8 s。該方案將視覺識別任務交給前置機器人，并在前置機器人、打磨機器人、后置機器人之間設置中間工作臺，減少了打磨機器人的等待時間，節(jié)省了打磨機器人的輔助時間，工作效率明顯提高。單臺打磨機器人平均工作節(jié)拍提高到25～27 s，系統(tǒng)節(jié)拍約在14 s以內(nèi)，基本能實現(xiàn)設定的目標。

2)預埋鐵座打磨方案

選擇重載鐵路彈條Ⅶ型扣件TZ5預埋鐵座作為研究對象，本節(jié)討論的預埋鐵座具體方案和工藝數(shù)據(jù)都針對該預埋鐵座。由于預埋鐵座軌枕面以下部分打磨要求不高，其整體外圍毛刺可由外形沖模一次沖裁到位，無需打磨，只有頭部T形槽毛刺很難人工打磨，打磨時容易損傷工件本體且安全風險高，所以將機器人打磨的重點集中在頭部T形槽處，如圖6所示。通過打磨過程的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，打磨機器人從中間定位臺單件抓取、打磨、放下的全過程至少需要34 s。其中打磨18 s，抓取、放下16 s。2臺機器人每小時只能打磨約200件，不能滿足造型線的生產(chǎn)節(jié)拍。為了保證打磨質(zhì)量，打磨工序的時間減少裕度空間很小，但是機器人進行抓取的時間有很大的壓縮空間。如果采用適當?shù)墓ぱb使得機器人一次可以抓取多件產(chǎn)品進行打磨，就可以大大減少重復抓取、放下工件的次數(shù)，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)拍。

圖6 預埋鐵座打磨位置示意

按照以上思路進行了工裝的設計研發(fā)，設計一次抓取多件產(chǎn)品進行打磨的工裝，減少機器人不斷抓取、放下的重復行程時間，提高打磨系統(tǒng)的效率。理論上看，單次抓取的工件越多系統(tǒng)的效率越高，但是單次抓取的工件越多技術上實現(xiàn)的難度也越大，系統(tǒng)的復雜性增大，而系統(tǒng)的可靠性也會下降。不同抓取方案時間的消耗和整個系統(tǒng)的工作效率如表1所示。

表1 不同抓取方案時間消耗與系統(tǒng)效率

由表1不難發(fā)現(xiàn)，隨著打磨機器人一次抓取工件數(shù)量的增加，打磨機器人的工作節(jié)拍加快，平均單件產(chǎn)品的打磨時間逐漸減少，系統(tǒng)效率不斷提高。但是當一次抓取3件以上的產(chǎn)品進行打磨時，系統(tǒng)效率的提升并不明顯，而一次抓取工件越多定位要求越高，工裝的設計、制造精度要求越嚴，更多工件在抓緊時的累計相對定位公差會不可避免影響到系統(tǒng)的打磨工作質(zhì)量。考慮到在鐵墊板方案中，選擇打磨機器人負載200 kg，兼顧最大限度地提高生產(chǎn)節(jié)拍和盡可能降低技術研發(fā)的難度，選擇一次抓取3件產(chǎn)品進行打磨是較好的方案。該方案可以充分利用打磨機器人的負載能力，保證系統(tǒng)的工作的穩(wěn)定性、可靠性。通過進一步的數(shù)值模擬，在實際應用中存在更進一步優(yōu)化的可能，有望將單臺打磨機器人完成3件產(chǎn)品抓取、打磨、放下的總時間控制在60 s左右，系統(tǒng)每小時能打磨約350件產(chǎn)品，效率提高75%。通過設計制造實尺專用夾具，進行實際抓取、放置精度驗證，確認了優(yōu)化方案可行。

4 方案實施和系統(tǒng)應用

通過反復推敲、數(shù)值模擬，經(jīng)過較全面的技術評審，認為最終的打磨解決方案可行，遂決定投入資金購置設備，搭建示范生產(chǎn)線。同時著手加工與生產(chǎn)線配套的工裝、夾具，對特定的產(chǎn)品鐵墊板、預埋鐵座分別進行生產(chǎn)工藝驗證。在驗證其工藝可行性的基礎上，逐步完善方案，優(yōu)化程序，達成設計目標，使得該解決方案可復制、可推廣應用。

為盡快實現(xiàn)目標，研發(fā)團隊一方面進行設備選型、采購，另一方面完善工作流程和打磨方案，優(yōu)化磨具、中間定位、物流、視覺識別等子系統(tǒng)的方案。采購的設備到位后，搭建了實際應用的平臺，并首先對鐵墊板產(chǎn)品進行使用驗證。應用經(jīng)過優(yōu)化的程序進行打磨，主要的瓶頸是鐵墊板澆冒口位置存在不確定性誤差，澆冒口的大小(厚薄、殘留長短)也存在較大的差異，為保證打磨的質(zhì)量要多次反復打磨，比較費時。如果反復打磨的次數(shù)設置少，可能打磨產(chǎn)品的澆冒口位置不符合標準;若反復打磨次數(shù)設置多，雖然打磨質(zhì)量有保證，但單個產(chǎn)品消耗的時間明顯增加，效率達不到設定的目標。由于鑄造工藝的原因，鐵墊板的澆冒口設置在不同的位置，為了提高打磨工作效率，要對澆冒口位置進行準確識別，根據(jù)澆冒口的位置設置特定的打磨工藝參數(shù)，只在澆冒口位置進行重復打磨。為此，設計了鐵墊板澆冒口精確識別裝置，對放置在中間定位臺上的鐵墊板進行澆冒口識別，并將識別信息傳送給打磨機器人，這樣有效地兼顧了質(zhì)量和效率。

打磨預埋鐵座時，打磨機器人一次抓取3件產(chǎn)品后，打磨效率明顯提高。圖7是專用工裝同時抓夾3件預埋鐵座打磨的情況。此時前置機器人只能進行單件的拍照識別，成為系統(tǒng)運行的瓶頸，打磨機器人經(jīng)常要等候前置機器人。為進一步提升系統(tǒng)效率，設計了上料定位板，通過定位板的輔助定位使得單次拍照即可實現(xiàn)視野內(nèi)3件預埋鐵座的識別和定位，將單件產(chǎn)品的拍照、上料時間由12 s減少到平均8 s，效率提高了33.3%，實現(xiàn)了系統(tǒng)的流暢運行。

圖7 同時抓取3件預埋鐵座予以打磨

5 結語

高速、重載扣件鑄造件自動打磨生產(chǎn)線，嘗試使用工業(yè)機器人，提供了高精度、大批量、小件的鑄造件打磨解決方案。經(jīng)過對正在生產(chǎn)的鐵墊板和預埋鐵座分別進行打磨實踐，能每小時打磨鐵墊板300塊，已累計打磨 10 000多塊;能每小時打磨預埋鐵座350件，累計已打磨30萬件。不同類型的工件轉換比較方便。實踐證明，該扣件鑄造件打磨解決方案能滿足“面向鐵墊板，兼顧預埋鐵座”的既定目標，實現(xiàn)對高速、重載鐵路扣件鑄造件的有效覆蓋，打磨精度達到小于0.2 mm。與人工打磨相比，預埋鐵座打磨造成的廢品率由9%下降到2%以下，節(jié)省勞力75%，操作人員的勞動強度和工作環(huán)境亦大大改善。對于鐵墊板，實現(xiàn)了拍照定位、澆冒口精確識別、自動智能化選擇打磨參數(shù)，實現(xiàn)了快速精準打磨。對于預埋鐵座，在同行業(yè)首先實現(xiàn)了一次抓取3件預埋鐵座進行打磨的工藝方案，解決了扣件產(chǎn)品大批量、小件鑄造件的多件產(chǎn)品統(tǒng)一定位和抓取的難題，實現(xiàn)了高效的多件小件產(chǎn)品精準打磨，取得了良好的應用效果。同時該方案還能實現(xiàn)不同規(guī)格型號的產(chǎn)品方便地切換。目前該解決方案已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利授權，示范生產(chǎn)線已運行一年多，各項指標穩(wěn)定。

研究和實踐表明，應用工業(yè)機器人實現(xiàn)高速、重載扣件鑄造件的自動打磨是可行的。