柔性打磨系統(tǒng)在大型發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件清理作業(yè)的應(yīng)用

王 輝，王季葉，汪繼革

（濰柴重機(jī)股份有限公司，山東 濰坊 261001）

關(guān)鍵字：柔性打磨系統(tǒng)；機(jī)器人；船用發(fā)動(dòng)機(jī)；缸體；自動(dòng)化

1 目前我國鑄造行業(yè)清理作業(yè)的現(xiàn)狀

鑄件清理作業(yè)是指將鑄件從砂型取出后，對(duì)鑄件本體以外的多余部分（冒口、澆道、批縫等）進(jìn)行去除，并打磨精整鑄件內(nèi)外表面以滿足要求。目前鑄造行業(yè)清理作業(yè)中主要存在以下兩個(gè)問題：1）作業(yè)環(huán)境惡劣，有大量的噪音、粉塵，危害身體健康；2）操作工勞動(dòng)強(qiáng)度大，人員需求有空缺，用工成本逐年增高。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，通過端面磨床或機(jī)器人等設(shè)備的應(yīng)用，部分鑄造行業(yè)（像濰柴、一汽等）已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化或自動(dòng)化打磨。其產(chǎn)品有以下幾點(diǎn)共性：體積小、數(shù)量大、結(jié)構(gòu)簡單分型面單一，比如小型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、差速器殼體、汽車輪轂等。但是，在大型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等復(fù)雜毛坯鑄件行業(yè)中，清理工序仍處于手持砂輪、風(fēng)鎬、扁鏟等工具進(jìn)行作業(yè)的水準(zhǔn)。大型鑄件清理還有其他特點(diǎn)：數(shù)量少，種類多、重量尺寸大等。針對(duì)船用發(fā)動(dòng)機(jī)系列缸體大型等鑄件清理作業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化的柔性打磨系統(tǒng)，并取得較好的應(yīng)用效果。

2 典型產(chǎn)品參數(shù)及打磨質(zhì)量的要求

筆者公司主要生產(chǎn)船用、陸用發(fā)電設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)毛坯，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率覆蓋30-12000 馬力，產(chǎn)品種類包括170 系列、180 系列、200 系列、MAN 機(jī)系列以及博杜安系列，幾種典型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件參數(shù)如表1 所示。

表1 典型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件主要參數(shù)

缸體鑄件為發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵的鑄造零件，對(duì)精清作業(yè)后的毛坯的表面質(zhì)量要求為：加工面批縫、冒口等殘根<1 mm，非加工面殘根<0.5 mm，不得出現(xiàn)過磨、損失、帶肉等問題，且對(duì)表面質(zhì)量的一致性有較高的要求。尺寸和重量范圍大，鑄件采用常規(guī)的自動(dòng)化打磨系統(tǒng)困難，為此選擇適應(yīng)范圍廣的自動(dòng)化柔性打磨系統(tǒng)。

3 柔性打磨系統(tǒng)

柔性打磨系統(tǒng)是指一套獨(dú)立的、可用于多種型號(hào)規(guī)格尺寸鑄件的清理作業(yè)。本系統(tǒng)主要包括機(jī)器人及其控制系統(tǒng)、工裝夾具、輸送設(shè)備、翻轉(zhuǎn)變位設(shè)備、刀具刀具庫及檢測設(shè)備等。

根據(jù)以上系統(tǒng)配置，首先根據(jù)鑄件毛坯重量確定選用機(jī)器人手持刀具對(duì)鑄件進(jìn)行精清的作業(yè)方式；其次，為提高系統(tǒng)的利用率減少物料等待的時(shí)間，采用一條輸送軌道，雙工位作業(yè)。作業(yè)順序?yàn)?號(hào)上料→輸送打磨→輸送翻轉(zhuǎn)→2 號(hào)上料→輸送打磨→輸送翻轉(zhuǎn)，雙工位的方式可以降低成本，滿足生產(chǎn)節(jié)拍。打磨系統(tǒng)布置如圖2 所示，下面簡述一下各組成部分的設(shè)計(jì)或選型。

圖1 柔性打磨系統(tǒng)布置示意圖

3.1 機(jī)器人的選型

引入工業(yè)機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)柔性打磨系統(tǒng)應(yīng)用的核心，機(jī)器人的應(yīng)用具有以下特點(diǎn)：

1）有效降低制造成本，提高生產(chǎn)效率，能夠在嚴(yán)苛和高危環(huán)境下作業(yè)，適合高強(qiáng)度的重復(fù)性勞動(dòng)，從而改善工人工作條件和安全性；

2）占地面積小，生產(chǎn)設(shè)施緊湊，重復(fù)定位精度與一致性俱優(yōu)，能夠長期確保優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量和容易控制；

3）生產(chǎn)變?nèi)嵝裕芨鶕?jù)市場需求的波動(dòng)零活增減產(chǎn)量，并能快速轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。

在精清作業(yè)中，機(jī)器人的防護(hù)等級(jí)和抗震能力至關(guān)重要，作業(yè)過程中頻繁的力的變化、高頻振動(dòng)對(duì)機(jī)器人有較強(qiáng)的本體剛性要求，以確保運(yùn)行的穩(wěn)定性。

根據(jù)毛坯參數(shù)表，最大毛坯尺寸為2 169 mm×1 088 mm×1 278 mm，最大重量為3 380 kg.目前國內(nèi)機(jī)器人市場主要有ABB、KUKA、發(fā)那科、安川。綜合考慮產(chǎn)品尺寸和機(jī)器人打磨方式，根據(jù)機(jī)器人手冊查詢采用ABB IRB6700-235-2650，六軸、臂展2.65 m，負(fù)載235 kg，防護(hù)等級(jí)IP67 級(jí)，重復(fù)定位精度±0.06 mm，可完全滿足精清作業(yè)的環(huán)境要求和工藝要求。

3.2 工裝夾具的設(shè)計(jì)

鑄件毛坯有以下特點(diǎn)：種類多、形狀尺寸及重量差異大；毛坯從砂型取出預(yù)處理后鑄件表面殘留批縫、冒口和澆道尺寸形狀無法確定，毛坯無可直接利用定位的平面。

在工裝夾具設(shè)計(jì)中，根據(jù)簡化工裝種類多、品種共用、快速更換夾裝、精準(zhǔn)定位的原則，采用通用工裝底板+帶導(dǎo)向插接式定位塊+液壓夾緊裝置，如圖2 所示。

圖2 鑄件打磨工裝夾具示意圖

采用通用工裝底板的設(shè)計(jì)方式，對(duì)不同種類的毛坯能實(shí)現(xiàn)輥道輸送統(tǒng)一定位；通過更換底板上不同形狀的定位塊和位置變換能夠滿足所有鑄件毛坯的定位，定位塊設(shè)計(jì)帶有導(dǎo)向斜面能夠?qū)崿F(xiàn)毛坯的定位導(dǎo)向，定位塊與毛坯鑄件的接觸采用點(diǎn)接觸方式，能有效解決毛坯批縫冒口等鑄件不一致問題。在四個(gè)方位的定位塊中，設(shè)計(jì)兩個(gè)方位為固定定位結(jié)構(gòu)，可有效限制毛坯的自由度；另兩個(gè)方位只帶有斜面導(dǎo)向和高度方向的定位，通過液壓缸的動(dòng)作配合其余定位塊實(shí)現(xiàn)毛坯的精準(zhǔn)定位和裝夾工作。

3.3 輸送方式的設(shè)計(jì)選型

輸送輥道是鑄件清理過程重要的設(shè)備之一。根據(jù)任務(wù)要求和現(xiàn)場負(fù)載大、定位精度要求高、打磨過程中有沖擊等因素，設(shè)計(jì)輥道最大負(fù)載能力≥8 t，有足夠的強(qiáng)度和安全系數(shù)；輸送輥道選擇分段式控制，采用電機(jī)+減速機(jī)的方式傳動(dòng)，該方式具有驅(qū)動(dòng)動(dòng)力大，剛性傳動(dòng)可精確定位，能實(shí)現(xiàn)定位精度±1mm.工件輸送到作業(yè)位置后，為保證輸送線的穩(wěn)定運(yùn)行，不可直接在輸送線上進(jìn)行清理作業(yè)，在清理工位設(shè)計(jì)可升降式打磨平臺(tái)，工裝底板帶鑄件毛坯到位后，升降平臺(tái)升起將鑄件脫離輸送輥道，保證輥道的使用精度和壽命。升降平臺(tái)的導(dǎo)向側(cè)邊帶有萬向滾珠，平臺(tái)可以在升起過程中對(duì)工裝底板進(jìn)行導(dǎo)向和位置調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)工裝夾具毛坯的準(zhǔn)確定位。帶升降平臺(tái)的輸送輥道結(jié)構(gòu)如圖3 所示，萬向滾珠結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 帶升降平臺(tái)的輸送輥道

圖4 萬向滾珠

3.4 翻轉(zhuǎn)變位設(shè)備的設(shè)計(jì)

鑄件毛坯第一次裝夾后進(jìn)行清理作業(yè)，由于工裝定位塊的干涉因素，不能對(duì)所有毛坯面進(jìn)行清理，所以需要對(duì)毛坯進(jìn)行一次翻轉(zhuǎn)變位處理。常用的翻轉(zhuǎn)變位有桁架機(jī)構(gòu)、180°翻轉(zhuǎn)機(jī)、90°翻轉(zhuǎn)機(jī)。其特點(diǎn)如下：

1）桁架機(jī)構(gòu)能夠通過設(shè)計(jì)毛坯曲軸瓦口定位和端面夾緊機(jī)構(gòu)，通過電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)所有鑄件的翻轉(zhuǎn)工作，同時(shí)還可以在橫向和縱向通過私服或液壓控制移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)毛坯的搬運(yùn)工作，桁架機(jī)構(gòu)如圖5 所示。但是在大型缸體鑄件的精清作業(yè)中，鑄件的翻轉(zhuǎn)變位屬于輔助作業(yè)不影響生產(chǎn)節(jié)拍，且大噸位桁架機(jī)構(gòu)的制造成本較高。

圖5 桁架機(jī)構(gòu)

2）180°翻轉(zhuǎn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)毛坯的180°翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)過程中需要上下部位對(duì)鑄件進(jìn)行夾緊才可以翻轉(zhuǎn)，且翻轉(zhuǎn)機(jī)上下行程有限，鑄件種類多，高度差異大，需要設(shè)計(jì)多種輔助底板才可以滿足所有要求，180°翻轉(zhuǎn)機(jī)如圖6 所示。

圖6 180°翻轉(zhuǎn)機(jī)

3）90°翻轉(zhuǎn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)毛坯的90°快速翻轉(zhuǎn)，直列發(fā)動(dòng)機(jī)缸體毛坯可直接安裝后翻轉(zhuǎn)，V 型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體毛坯通過配合簡單仿形定位輔助塊實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)；不足之處是只能實(shí)現(xiàn)90°翻轉(zhuǎn)，90°翻轉(zhuǎn)機(jī)及翻轉(zhuǎn)原理如圖7 所示。

圖7 90°翻轉(zhuǎn)機(jī)及其翻轉(zhuǎn)原理圖

根據(jù)缸體鑄件毛坯結(jié)構(gòu)和以上機(jī)構(gòu)的使用，設(shè)計(jì)制作兩套帶輸送功能的90°翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)毛坯的90°或者180°翻轉(zhuǎn)，配合人工吊運(yùn)，可滿足生產(chǎn)要求。

3.5 刀具及刀具庫的設(shè)計(jì)

機(jī)器人手持刀具進(jìn)行清理作業(yè)對(duì)作業(yè)精度和作業(yè)效率有了更高要求，因此對(duì)砂輪或切割盤等提出了更高要求，陶瓷樹脂結(jié)合劑砂輪磨削過程中砂輪損耗大，需要不斷通過設(shè)定刀具補(bǔ)償進(jìn)行程序優(yōu)化，已不能滿足生產(chǎn)需要。近年來釬焊金剛石砂輪的應(yīng)用有了快速發(fā)展，釬焊金剛石砂輪是將金剛石、結(jié)合劑（釬焊合金材料）和金屬基體界面化學(xué)冶金結(jié)合。其具有以下特點(diǎn)：1）金剛石具有高的抗磨性，砂輪磨損較小，使用壽命長；金剛石的導(dǎo)熱性非常好，避免工件燒傷、裂紋及掉塊等現(xiàn)象；2）較高的結(jié)合強(qiáng)度，金剛石裸露高度可達(dá)70%～80%，使磨料的利用更加充分，大大提高了工具的壽命和加工效率；3）通過設(shè)計(jì)制作不同形狀金屬基體可實(shí)現(xiàn)毛坯的切割、打磨等作業(yè)；金剛石磨損后可使用原基體進(jìn)行釬焊修復(fù)。通過釬焊金剛石砂輪的應(yīng)用，能夠高效、高質(zhì)量地完成精清作業(yè)，同時(shí)降低成本。

刀庫主要是提供儲(chǔ)刀位置，并能依程序的控制，正確選擇刀具加以定位，以進(jìn)行刀具交換。刀庫的選擇可借鑒數(shù)控加工中心的圓盤式刀庫，可滿足最高20 把刀具的使用，對(duì)刀具進(jìn)行編碼，機(jī)器人通過編碼識(shí)別和換刀裝置進(jìn)行換刀。整個(gè)刀庫做密封設(shè)計(jì)，內(nèi)部增設(shè)正壓裝置防止清理作業(yè)過程中產(chǎn)生的粉塵進(jìn)入刀柄，影響換刀動(dòng)作。

3.6 檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型

對(duì)于大型鑄件，由于工件尺寸誤差、工裝夾具誤差等原因，自動(dòng)化打磨機(jī)器人系統(tǒng)所需要的重復(fù)定位精度得不到保障?；谝陨峡紤]，為打磨機(jī)器人增加基恩士傳感器和Cognex 相機(jī)組建激光和視覺識(shí)別系統(tǒng)，在打磨精清作業(yè)前通過激光檢測多點(diǎn)取值，檢測X、Y、Z 坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)值運(yùn)算自動(dòng)調(diào)整加工程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，對(duì)于某些原因造成偏差過大的工件，機(jī)器人自動(dòng)回到原點(diǎn)，停止加工；采用視覺系統(tǒng)各個(gè)角度拍照，能夠識(shí)別披縫等需加工位置的尺寸，通過程序計(jì)算可以對(duì)機(jī)器人的打磨軌跡進(jìn)行修正，彌補(bǔ)激光識(shí)別不能優(yōu)化加工程序的問題。通過兩種檢測技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)加工路線自動(dòng)優(yōu)化，鑄件識(shí)別安全防錯(cuò)，完成高精度清理作業(yè)。

4 結(jié)束語

根據(jù)大型發(fā)動(dòng)機(jī)系列缸體鑄件的特點(diǎn)，建立了自動(dòng)化柔性打磨系統(tǒng)，在0.43 t～3.38 t 范圍系列大型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件打磨中進(jìn)行了應(yīng)用，提高了鑄造表面打磨質(zhì)量和尺寸精度，并保證了打磨質(zhì)量的一致性。通過上述柔性系統(tǒng)的搭建及推廣應(yīng)用，目前筆者單位已實(shí)現(xiàn)大型毛坯鑄件自動(dòng)化清理作業(yè)，大大提升了打磨效率，減少人工成本；產(chǎn)品質(zhì)量得到了保障，企業(yè)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。