曲軸鍛件毛坯的拋丸清理及其自動(dòng)化

文／甄誠(chéng)，阮曉春，李全心·中國(guó)重型汽車集團(tuán)公司

曲軸是汽車行業(yè)鍛造產(chǎn)品的代表，而曲軸鍛件的表面清理工序隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷發(fā)展，近年來(lái)3D 視覺技術(shù)的突破與機(jī)器人系統(tǒng)的普及，也使得曲軸鍛件拋丸清理工序的自動(dòng)化成為發(fā)展方向。目前，雙工位懸鏈?zhǔn)綊佂铏C(jī)以其生產(chǎn)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)成為曲軸鍛件表面清理的主要裝備，但懸鏈?zhǔn)綊佂铏C(jī)本身的特點(diǎn)使其實(shí)現(xiàn)拋丸自動(dòng)化存在難點(diǎn)，本文主要就如何克服這些難點(diǎn)展開研究。

曲軸鍛件的表面清理

曲軸鍛打成形后，一般需要調(diào)質(zhì)、表面清理、探傷、裂紋清除、復(fù)探、矯直、防銹等工序。曲軸表面清理的主要目的是去除曲軸毛坯的氧化皮，常見的方式為酸洗和拋丸。

酸洗

碳素鋼和合金鋼鍛件使用的酸洗液是硫酸或鹽酸， 其中， 硫酸酸洗的化學(xué)過(guò)程是Fe+H2SO4=FeSO4+H2，F(xiàn)eO+H2SO4=FeSO4+H2O，生成的氫和易溶的FeSO4使氧化皮從基體金屬表層脫落。鹽酸酸洗的化學(xué)過(guò)程是Fe3O4+8HCl=2FeCl3+FeCl2+4H2O，F(xiàn)e2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O，F(xiàn)eO+2HCl=FeCl2+H2O，F(xiàn)e+2HCl=FeCl2+H2，氧化皮的清除主要依靠其本身在鹽酸溶液中的溶解，而基體金屬與鹽酸的反應(yīng)相對(duì)要慢得多。酸洗清理的效果好，效率較高，但對(duì)環(huán)境有較大的污染。

拋丸

拋丸機(jī)拋頭上的葉輪在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力，將鋼丸拋射到鍛件上以除去氧化皮。常用鋼丸含碳量為0.5%～0.7%、直徑為0.8 ～2mm，一般為鑄鋼丸、鋼絲切丸。拋丸清理在擊落氧化皮的同時(shí)，也可消除一定的表面應(yīng)力及顯微裂紋，并能起到強(qiáng)化作用。對(duì)于經(jīng)過(guò)淬火或調(diào)質(zhì)處理的鍛件，加工強(qiáng)化程度更為明顯。該方法效率高，效果好，但噪聲大。

隨著環(huán)保要求的提高，酸洗工藝已很少采用了，主要為拋丸清理。

曲軸鍛件拋丸清理的設(shè)備

傳統(tǒng)拋丸機(jī)有單鉤拋丸機(jī)(3710)、臺(tái)車式拋丸機(jī)、懸鏈拋丸機(jī)(4810)和履帶拋丸機(jī)(28GN)，目前被廣泛應(yīng)用的是雙工位積放鏈?zhǔn)綉覓鞉佂铏C(jī)。

⑴早期的單鉤拋丸機(jī)、臺(tái)車式拋丸機(jī)。曲軸鍛件的表面清理質(zhì)量超越酸洗工藝，但是由于產(chǎn)能不足，這一階段拋丸、酸洗并存。

⑵后來(lái)的懸鏈拋丸機(jī)和履帶拋丸機(jī)。采用懸鏈拋丸機(jī)和履帶拋丸機(jī)，曲軸鍛件的拋丸清理產(chǎn)能進(jìn)一步釋放，完全淘汰了酸洗工藝，拋丸成為曲軸鍛件表面清理的主流。

⑶目前廣泛應(yīng)用的雙工位積放鏈?zhǔn)綉覓鞉佂铏C(jī)。該拋丸機(jī)采用兩工位、六拋頭同時(shí)拋丸清理，生產(chǎn)效率大幅提高，設(shè)備設(shè)置的上料位、卸料位可同時(shí)獨(dú)立作業(yè)，上料、卸料的時(shí)間不大于拋丸時(shí)間，生產(chǎn)節(jié)拍明顯提高。

自動(dòng)化拋丸清理的難點(diǎn)

雙工位積放鏈?zhǔn)綉覓鞉佂铏C(jī)的應(yīng)用，迅速提高了拋丸工序的產(chǎn)能，而上料、卸料工位操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也隨之加大，降低勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度成為迫切需要解決的問題。由于懸掛拋丸機(jī)控制系統(tǒng)的升級(jí)，使其具備了與機(jī)器人通訊的硬件基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)拋丸自動(dòng)化成為了可能，但依然存在必須克服的困難。

⑴曲軸鍛件來(lái)自先進(jìn)的鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線，曲軸毛坯的擺放雖然有序，但是無(wú)法滿足機(jī)器人抓取上料的精度要求，而如果從曲軸專用料箱的角度去解決，則需要巨大的投入才能滿足鍛造工序到熱處理、拋丸工序的需求。

⑵懸掛拋丸機(jī)一般使用圓盤式吊具懸掛曲軸，吊盤由積放鏈小車來(lái)負(fù)載，這必然存在一定的自由度，無(wú)論是采用機(jī)器人懸掛曲軸還是摘取曲軸都存在吊盤晃動(dòng)，勢(shì)必造成機(jī)器人負(fù)載的報(bào)錯(cuò)或者位置精度不足。

以上兩個(gè)難題，多年來(lái)一直成為曲軸拋丸實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的障礙，制約了曲軸鍛件拋丸清理自動(dòng)化的進(jìn)程。

破解自動(dòng)化難題的措施

最近幾年隨著3D 照相技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)化的視覺識(shí)別系統(tǒng)日漸成熟，而該系統(tǒng)與機(jī)器人的協(xié)作猶如給機(jī)器人裝上了眼睛，使之前制約懸掛式拋丸機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的難題得到了有效破解。

視覺識(shí)別系統(tǒng)引入

3D 相機(jī)、工控機(jī)、后處理軟件、顯示器等構(gòu)成了視覺識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)的基本工作步驟為：⑴將曲軸鍛件三維造型輸入系統(tǒng)，建立模板；⑵3D 相機(jī)拍照成像，獲取工件點(diǎn)云；⑶通過(guò)我們自研的軟件進(jìn)行模板匹配；⑷獲取工件在相機(jī)坐標(biāo)系下的位姿；⑸通過(guò)相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)成機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置點(diǎn)發(fā)給機(jī)器人；⑹機(jī)器人抓取工件。實(shí)現(xiàn)曲軸鍛件的摘取、裝箱工作也是同理。

3D 視覺識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ)是3D 相機(jī)，3D 相機(jī)的使用分為眼在手上和眼在手外兩種方式，相當(dāng)一部分3D 相機(jī)可以兼顧兩種使用方式，因此要綜合生產(chǎn)工藝節(jié)拍要求、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間及視場(chǎng)范圍需求等因素做最終選擇。

3D 相機(jī)的成像方法主要有光度立體視覺法、立體視覺法、飛行時(shí)間法、激光線掃法、散焦恢復(fù)形狀法及結(jié)構(gòu)光投影法。從近些年工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的需求及發(fā)展情況看，該領(lǐng)域采用的主流成像方法為激光線掃法和結(jié)構(gòu)光投影法。其中，激光線掃法多用于三維檢測(cè)領(lǐng)域，自動(dòng)化上下料方面采用結(jié)構(gòu)光投影法的居多。而結(jié)構(gòu)光投影法又分為散斑結(jié)構(gòu)光及條紋結(jié)構(gòu)光兩種編碼方式，投射效果分別如圖1、圖2 所示，每種編碼方式下又有多種編碼算法可供選擇。散斑結(jié)構(gòu)光原理的相機(jī)一般體積較小，成本較低，但是精度和抗干擾能力稍差，條紋結(jié)構(gòu)光原理的相機(jī)成本相對(duì)高，體積也較大，精度和抗干擾能力相對(duì)散斑結(jié)構(gòu)光均有提高，所以需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

圖1 一種散斑結(jié)構(gòu)光投射效果

圖2 一種條紋結(jié)構(gòu)光投射效果

后處理軟件則在拿到3D相機(jī)生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，通過(guò)濾波、采樣、計(jì)算法向量、與理論模型比對(duì)等一些算法處理后，完成對(duì)工件在空間的識(shí)別定位，同時(shí)還要根據(jù)識(shí)別定位的結(jié)果完成零件的抓取規(guī)劃及相應(yīng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑重規(guī)劃，從而完成整個(gè)機(jī)器人視覺引導(dǎo)過(guò)程。

曲軸鍛件毛坯拋丸清理自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)建

該自動(dòng)化系統(tǒng)控制過(guò)程如圖3 所示，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：⑴視覺拍照并分析，給出上料機(jī)器人抓取目標(biāo)；⑵上料機(jī)器人抓取曲軸；⑶將曲軸懸掛至指定位置；⑷上料機(jī)器人回位，申請(qǐng)懸鏈放車；⑸視覺拍照并分析，確定并發(fā)送機(jī)器人抓取目標(biāo)；⑹卸料機(jī)器人摘取拋丸后的曲軸鍛件；⑺將曲軸卸至指定位置；⑻卸料機(jī)器人回位，申請(qǐng)懸鏈放車。拋丸完成，且上料、卸料機(jī)器人均處于懸鏈放車狀態(tài)，開始下一個(gè)循環(huán)……

圖3 曲軸鍛件毛坯拋丸清理自動(dòng)化生產(chǎn)流程圖

機(jī)器人抓鉗的浮動(dòng)技術(shù)

由于懸掛式拋丸機(jī)吊盤隨曲軸鍛件的懸掛或摘取，其角度、位置會(huì)在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，一般而言，這種變化會(huì)造成機(jī)器人的保護(hù)性過(guò)載報(bào)警，進(jìn)而中斷自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程，因此需要在機(jī)器人抓鉗設(shè)計(jì)一套浮動(dòng)或隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)在抓取曲軸毛坯前為剛性結(jié)構(gòu)，完成抓取動(dòng)作后，可以產(chǎn)生一定幅度的浮動(dòng)或隨動(dòng)，并繼續(xù)完成摘走或者懸掛工件的后撤動(dòng)作，這樣一來(lái)，自動(dòng)化過(guò)程就可以持續(xù)。

結(jié)束語(yǔ)

由于視覺識(shí)別技術(shù)的成熟應(yīng)用，原本困擾曲軸拋丸清理自動(dòng)化的難題得到了破解，可以判斷自動(dòng)化的曲軸拋丸清理生產(chǎn)線會(huì)日漸成熟并將得到迅猛發(fā)展。