工業(yè)機(jī)器人在球墨鑄鐵管生產(chǎn)線上的應(yīng)用

習(xí) 杰 李 軍 申 勇

（新興河北工程技術(shù)有限公司，河北邯鄲，056001）

0 引言

近年來，隨著人們對(duì)機(jī)器人的認(rèn)知與普及，其應(yīng)用已遍布各行各業(yè)。機(jī)器人的應(yīng)用優(yōu)先從物流、服務(wù)、食品、汽車、家電、電子等行業(yè)展開，逐漸擴(kuò)展到鋼鐵、冶金、鑄造等基礎(chǔ)工業(yè)行業(yè)。

崗位人數(shù)多、工作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度高、安全管理不到位、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定一直是重工行業(yè)的五大痛點(diǎn)，面對(duì)這五個(gè)難題，行業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求迫在眉睫。但是一些重型工業(yè)采用工業(yè)機(jī)器人面臨的難度很大，比如鐵水等熱態(tài)環(huán)境、粉塵干擾環(huán)境、工件的不一致性等等，其不確定因素造成的原始數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，難以準(zhǔn)確檢測(cè)和采集，是機(jī)器人應(yīng)用推廣的重要壁壘。

近年來，隨著機(jī)器人構(gòu)成基本元素——高精度檢測(cè)元器件的飛速發(fā)展，助力了工業(yè)機(jī)器人在鑄造冶金等重工行業(yè)的應(yīng)用，加速了其推廣的速度。下面簡(jiǎn)述工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)球墨鑄鐵管行業(yè)的探索應(yīng)用。

1 球墨鑄鐵管生產(chǎn)線的現(xiàn)狀

從上世紀(jì)70年代中國引進(jìn)第一條球墨鑄鐵管（以下簡(jiǎn)稱鑄管）生產(chǎn)線以來，目前國內(nèi)鑄管產(chǎn)能達(dá)到每年600～630萬噸水平，并且以每年20～30萬噸的平均產(chǎn)能增加。國內(nèi)鑄管生產(chǎn)線達(dá)到70～80條，但是鑄管生產(chǎn)線的裝備水平并沒有呈現(xiàn)加速提高態(tài)勢(shì)，目前基本分為三種情況。

1.1 半機(jī)械化生產(chǎn)線

該種生產(chǎn)線建設(shè)時(shí)間多集中在2008年以前，裝備自動(dòng)化率低于30%，僅在個(gè)別重要設(shè)備上采用半自動(dòng)化操作，比如離心機(jī)、退火爐、水壓機(jī)等等。該類生產(chǎn)線設(shè)備多采用手工操作生產(chǎn)，可完成功能性生產(chǎn)作業(yè)，人工密集度較大，鑄管產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)較大。

1.2 自動(dòng)化生產(chǎn)線

2008年～2014年間，隨著國內(nèi)鑄管市場(chǎng)的發(fā)展，國內(nèi)以較快的速度陸續(xù)安裝了一些鑄管生產(chǎn)線，這階段生產(chǎn)線裝備的特點(diǎn)是：所有專機(jī)設(shè)備基本達(dá)到了機(jī)械自動(dòng)化水平，工人在操作臺(tái)上進(jìn)行按鈕操作，以完成一個(gè)個(gè)工序的動(dòng)作；數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集沒有實(shí)現(xiàn)，離心機(jī)、水壓等重點(diǎn)崗位的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，依靠人工錄入來完成，沒有科學(xué)客觀的依據(jù)，且由于數(shù)據(jù)源的真實(shí)性問題，導(dǎo)致質(zhì)量追溯和分析困難。另外，在專用設(shè)備之間連續(xù)和輔助等工序還需要人工干預(yù)。在這一階段，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的一致性的要求，是推動(dòng)裝備機(jī)械自動(dòng)化改進(jìn)的動(dòng)力，裝備自動(dòng)化率達(dá)到了50～60%左右。

1.3 初級(jí)數(shù)字化生產(chǎn)線

2015年以后，隨著人力成本的逐年增高、在產(chǎn)品的成本構(gòu)成中占據(jù)的比例遞增，一些環(huán)境惡劣、強(qiáng)度較高的崗位招工難度越來越大。同時(shí)，在另一方面，國內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中價(jià)格占比較大，因此鑄管企業(yè)從其他行業(yè)中尋求機(jī)器代人的應(yīng)用實(shí)例，希望在本行業(yè)中推廣應(yīng)用。

另外，專機(jī)的自動(dòng)化水平隨著檢測(cè)和控制元件的技術(shù)提高，也在逐步提高，達(dá)到了一鍵操作的水平。在工藝數(shù)字化控制水平達(dá)到一定高度的情況下，減少人工干預(yù)成為產(chǎn)品高質(zhì)量的保障之一。對(duì)此，國內(nèi)一些企業(yè)正在做這方面的努力和嘗試。

2 工業(yè)機(jī)器人在鑄管生產(chǎn)線上的應(yīng)用探索

2.1 生產(chǎn)中典型工序分析

離心鑄造球墨鑄鐵管生產(chǎn)在以下幾個(gè)方面是生產(chǎn)企業(yè)面臨的痛點(diǎn)：人工密集大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作環(huán)境劣、質(zhì)量追溯難等等，在幾個(gè)典型工序上，痛點(diǎn)問題尤其突出。

2.1.1 質(zhì)量追蹤工序

在生產(chǎn)中目前通常的做法是：在鑄管管身上人工書寫標(biāo)記，在生產(chǎn)過程中，鑄管外表面經(jīng)過幾道工序的作業(yè)，退火處理、表面噴鋅、表面涂刷瀝青等等，需要反復(fù)對(duì)該標(biāo)記重新書寫錄入，其中，一時(shí)疏忽導(dǎo)致記錄錯(cuò)誤的情況時(shí)有發(fā)生。當(dāng)鑄管產(chǎn)品到達(dá)工地、施工使用當(dāng)中發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，根據(jù)管號(hào)查找生產(chǎn)單位，查找當(dāng)時(shí)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，進(jìn)行質(zhì)量分析等等，這時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)性較差，不能準(zhǔn)確地對(duì)應(yīng)找到當(dāng)時(shí)所留存的生產(chǎn)信息。因此，鑄管管號(hào)代表的信息量非常重要，那么給鑄管帶上永久“身份證”就是當(dāng)前生產(chǎn)環(huán)節(jié)亟待解決的問題。

圖1是目前國內(nèi)鑄管企業(yè)生產(chǎn)線上普遍使用的管號(hào)記錄辦法。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)工人書寫管號(hào)過程

2.1.2 離心機(jī)上芯工序

目前砂芯全部依靠人工搬運(yùn)，每天工人的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，以DN600砂芯為例，其重量為～28kg，按照每小時(shí)產(chǎn)量～35支，一班工作8h計(jì)算，該崗位工人每天搬運(yùn)28kg砂芯280次，工作強(qiáng)度較大。DN1000規(guī)格砂芯重量為～72kg，需要兩個(gè)工人抬，勞動(dòng)強(qiáng)度大且增加一倍人力。在該工序上應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人尤其急迫。

圖2為人工上芯生產(chǎn)工序。

圖2 人工上芯工序

2.1.3 承口打磨工序

鑄管的內(nèi)外表面質(zhì)量關(guān)系到使用壽命周期，打磨工序因鑄管產(chǎn)品差異性，采用機(jī)械裝備處理效果不理想，往往使用一段時(shí)間后由人工打磨代替，由此噪音和粉塵帶來不良環(huán)境對(duì)工人身體健康影響較大。圖3為現(xiàn)場(chǎng)打磨工序。

圖3 生產(chǎn)過程中的打磨工序

2.1.4 水泥涂襯上下堵頭工序

這兩個(gè)工序是典型的人工密集區(qū)，上堵頭需要充氣密封，下堵頭需要泄氣沖刷，前后兩個(gè)工序雖然相隔不遠(yuǎn)，但是生產(chǎn)線上作業(yè)工人連續(xù)重復(fù)動(dòng)作達(dá)到上百次，勞動(dòng)強(qiáng)度比較大。故在此工序采用機(jī)器人作業(yè)，對(duì)降低人工成本意義重大。圖4為鑄管上堵頭作業(yè)工序。

圖4 人工上堵頭工序

2.2 探索應(yīng)用成果

生產(chǎn)上的迫切需求就是研發(fā)的動(dòng)力。在經(jīng)過反復(fù)工藝試驗(yàn)，機(jī)械手工裝反復(fù)設(shè)計(jì)修改后，筆者團(tuán)隊(duì)用一年多的時(shí)間在生產(chǎn)線上成功研發(fā)了砂芯刻字機(jī)器人、上芯機(jī)器人、打磨機(jī)器人、上下堵頭機(jī)器人等等工業(yè)機(jī)器人，并推廣應(yīng)用在多個(gè)鑄管企業(yè)。

下面以打磨機(jī)器人為例，解析在鑄管產(chǎn)品上應(yīng)用機(jī)器人的研發(fā)過程。

采用離心鑄造工藝生產(chǎn)出的球墨鑄鐵管，在鑄管承口部位存在著不同程度的黏砂、毛刺、鐵渣等缺陷，造成鑄管鑄造出來后，承口部位的溝槽處凹凸不平，在施工連接時(shí)承口處要安裝密封圈，如果承口處不平整，在鑄管連接處將存在輸送介質(zhì)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。因此需要對(duì)鑄管承口部位進(jìn)行打磨，使其表面平整整潔。目前大部分鑄管生產(chǎn)廠家對(duì)此問題，均采用人工打磨的方法，這樣的處理工作造成工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)生的噪音嚴(yán)重影響工人健康，而且生產(chǎn)效率低，一根鑄管平均打磨時(shí)間為3～5min，且打磨后的產(chǎn)品質(zhì)量一致性差。圖5是鑄管承口需要打磨的部位示意圖（紅色部分）。

圖5 鑄管承口需要打磨的部位

2.2.1 確定打磨的合理軌跡流程

首先需要確定打磨的合理軌跡流程,包括：傳感器測(cè)量鑄管端面位置 → 磨頭進(jìn)d2面 → 轉(zhuǎn)動(dòng)鑄管、啟動(dòng)磨頭→d2、d3、d5面清砂、打磨鐵渣 →倒角 →鑄管停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6 鑄管承口打磨軌跡的確定

2.2.2 恒力機(jī)構(gòu)研發(fā)

國內(nèi)拋光打磨行業(yè)現(xiàn)有的恒力輸出裝置通常采用變頻器、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和PLC控制系統(tǒng)來保持恒定輸出力，但是這類裝置（在考慮摩擦力的情況下）的響應(yīng)速度不快，穩(wěn)定性不高，精度不夠準(zhǔn)確，而且可應(yīng)用的范圍受到限制，通用性不強(qiáng)。有些企業(yè)采用直線電機(jī)和傳感器裝置來保持恒定輸出力，但是在拋光打磨作業(yè)時(shí)所受扭矩比較大，現(xiàn)有的裝置機(jī)構(gòu)難以承受如此大的扭矩。為了克服現(xiàn)有的機(jī)器人末端裝置難以實(shí)時(shí)輸出恒力、響應(yīng)速度不夠快、精度低、穩(wěn)定性差、通用性不強(qiáng)、無法承受較大扭矩等缺點(diǎn)，筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種通過調(diào)節(jié)氣壓閥門控制末端工具與接觸面保持恒定接觸力的恒力控制機(jī)構(gòu)。

圖7 磨頭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.3 打磨機(jī)器人機(jī)構(gòu)組成

筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用6軸機(jī)器人，其自由度高，可以完成復(fù)雜動(dòng)作。

1）打磨頭：由X、Z軸恒力控制機(jī)構(gòu)電、主軸和金剛砂輪磨片組成，具備抗沖擊及磨頭位置異常自動(dòng)故障診斷/報(bào)警功能。

2）恒力機(jī)構(gòu)：Z軸恒力機(jī)構(gòu)通過比例閥控制壓力，確保砂輪與磨削面緊密接觸，提高打磨效率；X軸恒力機(jī)構(gòu)：通過比例閥控制壓力，與Z軸恒力配合完成立面等復(fù)雜位置的打磨需要，提高打磨效率。

3）位置檢測(cè)反饋：當(dāng)磨輪在各打磨面進(jìn)行切換時(shí)，機(jī)器人可對(duì)當(dāng)前位置準(zhǔn)確與否進(jìn)行判斷；當(dāng)打磨面有粘貼異物時(shí)，亦可進(jìn)行感知反饋。

4）磨頭前方：安裝有吹氣清掃機(jī)構(gòu)，保障打磨位置無磨渣堆積。

圖8為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)正在使用的打磨機(jī)器人。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)打磨機(jī)器人

目前已有許多其他工序機(jī)器人經(jīng)過工藝試驗(yàn)并成功投用到生產(chǎn)線中。下面是一些崗位使用機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)圖片，表1為機(jī)器人應(yīng)用列表。

圖9 刻字機(jī)器人

圖10 上芯機(jī)器人

圖11 上下堵頭機(jī)器人

表1 鑄管生產(chǎn)線上機(jī)器人類型列表

2.3 生產(chǎn)線應(yīng)用對(duì)比

目前筆者單位生產(chǎn)線上機(jī)器人數(shù)量達(dá)到45臺(tái)，在人員重復(fù)工作、高強(qiáng)度勞動(dòng)的生產(chǎn)崗位上均投用了工業(yè)機(jī)器人，同時(shí)為了進(jìn)一步建設(shè)數(shù)字化工廠，在測(cè)量、檢驗(yàn)、運(yùn)輸?shù)葝徫灰矐?yīng)用了機(jī)器人，以保障數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)及上傳的真實(shí)、自動(dòng)、及時(shí)性，為工廠制造系統(tǒng)執(zhí)行MES的架構(gòu)打下基礎(chǔ)。

表1是應(yīng)用機(jī)器人的工序和人員優(yōu)化情況。以某單條生產(chǎn)線核算，僅機(jī)器代人就減少約40人工作崗位，按照人均收入8萬元/年，一年的人力成本減少約320萬元，極大提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

隨著工業(yè)機(jī)器人在鑄管生產(chǎn)線上成功應(yīng)用，下一階段，筆者團(tuán)隊(duì)將在多個(gè)生產(chǎn)線上進(jìn)行快速普及機(jī)器人應(yīng)用，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，解放出更多勞動(dòng)力；并進(jìn)一步探索生產(chǎn)線上熱態(tài)工業(yè)區(qū)域機(jī)器人應(yīng)用。

工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用是工業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，人機(jī)結(jié)合的生產(chǎn)線在各行各業(yè)應(yīng)用中會(huì)越來越普遍。隨著集成機(jī)器人視覺、判斷、保護(hù)、仿真等功能的完善，其智能化元素為制造業(yè)的升級(jí)改造奠定了基礎(chǔ)。相信在不遠(yuǎn)的將來，在重型鋼鐵、冶金、鑄造行業(yè)一定能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的智能制造生產(chǎn)線。