高溫鍛壓下料自動化解決方案

文／段閃·河南中原動力智能制造有限公司

高溫鍛壓屬于熱鍛的一種，在整個鍛壓行業(yè)中占據(jù)很大一部分比重，而高溫鍛壓通常生產(chǎn)環(huán)境較差，危險因素多，導(dǎo)致近年來招工困難，用工成本逐年增加。隨著近年來3D 視覺技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人的普及，為鍛壓企業(yè)在自動化升級中提供了一種更加靈活的選擇。而高溫鍛壓下料是整個熱鍛工藝中必不可少的一個環(huán)節(jié)，且鍛壓機(jī)高溫高速的特點使其實現(xiàn)自動化存在難點，本文主要就如何克服這些難點展開研究介紹。

高溫鍛壓下料自動化升級的必要性

安全方面考慮

⑴鍛件溫度下降后表面顏色和常溫近似，容易降低工人高溫安全意識，導(dǎo)致燒傷燙傷；

⑵高溫鍛壓下料工位附近溫度基本維持在40 ～60℃，熱輻射和高溫極容易導(dǎo)致工人在夏季中暑；

⑶鍛壓車間由于鍛造、加熱、淬火等工藝，會產(chǎn)生大量噪聲、煙霧、有毒氣體等，長期會導(dǎo)致工人一系列職業(yè)病。

工藝方面考慮

⑴高溫鍛壓下料工位工人無法長時間進(jìn)行工作，必須離開工位降溫，這就導(dǎo)致產(chǎn)品的堆積，嚴(yán)重可能產(chǎn)生磕碰、掉落等情況，導(dǎo)致不良率上升；

⑵目前，大多數(shù)高溫鍛壓下料后都是自然降溫，降溫時間不統(tǒng)一，可能會導(dǎo)致鍛件應(yīng)力、氧化等金屬特性存在差異，致使鍛件性能存在差異。

降本增效方面考慮

⑴近年來，中國勞動力人口減少，且由于鍛造行業(yè)普遍工作環(huán)境相對較差，出現(xiàn)招工困難，招工、用工成本逐年增加的現(xiàn)象；

⑵近年來工業(yè)機(jī)器人和機(jī)器視覺技術(shù)的突破和普及，自動化軟硬件投資成本降低，回本年限減少。

因此，綜合以上因素，高溫鍛壓下料的自動化升級成為了鍛造企業(yè)自動化升級過程中的一個重要改善點。

高溫鍛壓下料難點

高溫鍛壓下料主要功能是將鍛壓機(jī)生產(chǎn)的鍛件進(jìn)行拾取、碼框，但是由于高溫鍛壓工藝的特點，目前存在如下一些難點。

環(huán)境惡劣

高溫鍛壓工位由于淬火、降溫等工藝，會存在大量油漬和水漬，同時鍛件在高溫作用下會產(chǎn)生有毒氣體和水蒸氣，這些都會極大影響自動化設(shè)備中的電子元件壽命，致使設(shè)備故障頻發(fā)。

高溫

高溫鍛壓鍛件通常需要加熱到600 ～1300℃，下料溫度也在500 ～1100℃，且場地空間有限，對降溫設(shè)備要求較高，鍛件高溫形態(tài)同樣對相機(jī)存在干擾。

高速

很多鍛壓設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍在1s 左右，由于目前大部分鍛壓機(jī)上料工序還未進(jìn)行自動化改造，而且由于工人操作差異，存在節(jié)拍上的差異，人工操作節(jié)拍基本在3 ～6s，導(dǎo)致節(jié)拍不穩(wěn)定且速度較快。

鍛件多態(tài)

⑴鍛壓機(jī)出料口無機(jī)械機(jī)構(gòu)定位抓取，一般為人工夾取送出，導(dǎo)致出料產(chǎn)品可能存在疊壓、側(cè)立、翻轉(zhuǎn)等情況。

⑵鍛壓過程中由于工藝問題，可能存在變形、裙邊、異形等情況。

⑶鍛壓鍛件形狀多樣，有些沒有合適的抓取位置。

基于視覺定位的自動化改造方案

為了實現(xiàn)高溫鍛壓工位的自動化升級，我公司根據(jù)鍛件下料狀況，通過機(jī)器人動作，實現(xiàn)生產(chǎn)線自動上下料，從而避免鍛件之間產(chǎn)生不可接受的磕碰傷。

整體方案如圖1 所示，主要包含工作站總控系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)器人、3D 視覺系統(tǒng)、降溫輸送鏈、AB 料框定位裝置。工作流程如圖2 所示。

圖1 整體方案

圖2 工作流程

方案優(yōu)勢

本方案除了具有高柔性生產(chǎn)的優(yōu)點外，針對高溫鍛壓下料存在的技術(shù)難點進(jìn)行了如下優(yōu)化。

⑴環(huán)境惡劣。

現(xiàn)場3D 相機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、線纜、氣管及電控柜，均達(dá)到IP65 的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)ΜF(xiàn)場油污、水漬產(chǎn)生較強(qiáng)防護(hù)。

⑵高溫。

1)3D 相機(jī)外殼采用隔熱材料，防止熱量導(dǎo)入，同時對相機(jī)進(jìn)行不間斷噴氣，降低相機(jī)表面溫度；

2)機(jī)器人第4、5、6 關(guān)節(jié)采用防高溫涂層，且僅保留傳動機(jī)構(gòu)，電機(jī)后移到1、2、3 關(guān)節(jié)，且安裝機(jī)器人隔熱防護(hù)衣；

3)輸送線采用風(fēng)冷設(shè)計，在滿足客戶降溫曲線的情況下，將鍛件溫度穩(wěn)定降低到200℃；

4)機(jī)器人抓手末端(圖3)采用隔空設(shè)計，連接部分加裝隔熱棉，防止高溫傳導(dǎo)。

圖3 抓手末端圖

⑶高速。

1)輸送線采用兩段，一段勻速不間斷運(yùn)行，另一段采用高速啟停電機(jī)，進(jìn)行抓取啟停；

2)機(jī)器人采用埃斯頓高功率版工業(yè)機(jī)器人，并采用異步觸發(fā)方式，即在放料過程中進(jìn)行視覺拍照定位；

3)使用自研3D 相機(jī)，采用2D+3D 識別的方式，2D 進(jìn)行粗匹配提供鍛件范圍，并對范圍內(nèi)點云進(jìn)行分割，減少點云數(shù)量，加速3D 匹配獲取鍛件位姿的時間，目前視覺整體姿態(tài)識別時間在1s 以內(nèi)。視覺識別流程見圖4，識別效果見圖5。

圖4 視覺識別流程圖

圖5 識別效果圖

⑷鍛件多態(tài)。

1)機(jī)器人抓手(圖6)采用氣動永磁鐵設(shè)計，避免鍛件產(chǎn)生余磁的同時，滿足鍛件在任何角度和形態(tài)下，都能穩(wěn)定抓取，同時采用隔空設(shè)計，增加磁鐵降溫裝置，極大降低高溫的影響；

圖6 抓手3D 圖

2)機(jī)器人抓手末端安裝壓力感應(yīng)裝置，在抓取和放置的過程中防止由于產(chǎn)品形態(tài)差異導(dǎo)致的碰撞和剮蹭，保證鍛件品質(zhì)。

結(jié)束語

隨著企業(yè)生產(chǎn)理念的發(fā)展，傳統(tǒng)的加工單一品種的剛性生產(chǎn)線已不適應(yīng)目前市場發(fā)展的需要，高柔性和高效率的自動化鍛造生產(chǎn)線，已成為鍛造技術(shù)及裝備發(fā)展的主要潮流。而機(jī)器人+視覺的技術(shù)具有高柔性的同時，現(xiàn)場施工周期也極大縮短，可以判斷機(jī)器人+視覺，一定會為鍛造行業(yè)的自動化升級提供更加靈活、快捷的解決方案。