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大型铸钢件非加工面采用机器人进行打磨处理的智能系统搭建及设置意见（讨论稿）
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四川智能创新铸造有限公司
2022年7月
目 录
前 言
本文以基本机器人智能打磨工作站的配置进行介绍，并补充说明可提供的扩展服务。
大型铸钢件非加工面（工件表面不需要加工而直接铸造成型和使用的表面）的打磨是铸钢件生产中必不可少的重要工序，现阶段几乎全部采用人工树脂砂轮打磨。该工序工作量大，工人劳动条件处于极度的脏、累、苦、险状况中，存在极大的职业健康风险，行业现已明显出现人力资源短缺。尽快提升该工序的自动化、智能化水平已是铸造行业的发展共识。
一、适用范围
铸钢件非加工面机器人智能打磨工作站适合于铸钢件各类毛坯面（即非加工面）的智能化打磨。
通用机器人打磨工作站适用范围如下：
要素项目 | 适用范围 |
打磨铸钢件材质 | 铸造碳钢；铸造低、中、高、合金钢 |
打磨面的预处理 | 毛坯面经过清砂和抛丸处理 |
打磨面形状 | 平面、斜面、弧面和敞开的曲面等 |
打磨覆盖范围 | 机器人前部约2000×1500mm矩形区域 |
打磨面的质量水平 | 毛坯面打磨后光滑（平整），可以达到粗糙度Ra3.2-6.3μm，能够满足无损检查和后期的涂装要求 |
打磨工作效率 | 2.5-3.5㎡/小时 |
表1 适用范围
标准单台设备场地及外部能源需求（未扩展）：
需求项 | 内容 | 备注 |
场地尺寸 | 6000mm×5000mm | |
电源要求 | 380V三相交流电 50HZ | |
水源要求 | 常用自来水 | |
气源要求 | 0.6MPa | |
耗材（砂轮材质） | 树脂砂轮 | 平板砂轮和碗型砂 轮线，线速度35-50mps |
表2 场地及能源需求
标准打磨工作站机器人安装于固定位置。本系统可进行扩展，详细内容查看3.6扩展服务。
二、设置目标
1. 替代大中型铸钢件生产过程中人工打磨工序，保障操作者职业健康安全。
2. 系统控制实现人机交互智能化，操作方便。
3. 打磨质量满足无损探伤及后期涂装要求。
4. 打磨质量高于人工，打磨效率高于人工，预定打磨区域可做选取、增减。
5. 通过远程数据平台，进行数据处理，监控系统运行状态。
6. 打磨工艺参数可设置，适用多种铸钢件整体打磨工艺的优化。
7. （系统机器人）打磨面积占比整体打磨面积60%及以上。
8. 提供扩展服务，打磨系统适应多种生产环境，提升厂房利用率。
9. 提升铸造打磨工序自动化、智能化水平。
10. 打磨系统符合铸造厂区环保规定。
11. 整体设备稳定可靠，可在2-3年内收回投资。
三、系统构成
智能自动化打磨系统以工作站方式运行。标准打磨工作站主要由：主体部分、工作部分、控制部分、视觉识别系统、数据处理系统、打磨运动轨迹自动生成部分等构成。
3.1 主体部分
主体部分主要由品牌工业机器人、PLC总控制柜、管线包构成。
机器人选型
工业机器人主要选择现有Fanuc（发那科）、ABB、KUKA（库卡）、Yaskawa（安川）四大品牌机器人和其他国产知名机器人等。打磨工作部分设备整体重量40-80KG，最远打磨点距离机器人中心1500mm，可选取机器人范例如下：
l KUKA-KR QUANTEC系列高负载机器人，此系列能覆盖90-300kg的负载范围，机器人臂展范围3000mm。
图1 库卡KR210 2700 机器人外观图
l ABB-IRB-6700机器人系列，负载为150kg 至300kg，工作范围为 2600 mm 至 3200 mm.
图2 ABB-IRB-6700 机器人外观图
3.2 工作部分
工作部分主要由打磨头、压力传感器等部分构成。打磨头有恒力平板砂轮打磨头和碗型砂轮打磨头等多种，选用树脂砂轮为打磨耗材。
打磨头类型 | 打磨区域及作业环境 | 轨迹运动 |
平板砂轮打磨头 | 曲率半径较大的（≮600）打磨面，操作空间充裕 | 直线往复运动 |
碗型砂轮打磨头轴向 | 曲率半径较小的（约＜600）打磨面，相对有“干涉”的打磨面， 立面等； | 运动轨迹可设置，可进行曲线运动 |
碗型砂轮打磨头径向 | 狭小操作空间 铸件内腔 等其它打磨面 |
3.3视觉识别和打磨轨迹编程系统
视觉识别定位系统主要由视觉相机和相机快换机构两部分构成。相机快换机构固定在机器人第六轴末端上，完成对铸件的位置、外形尺寸等扫描工作并自动生成视觉图像。
通过操作者交互人工选取打磨区域后，系统通过视觉程序后处理，实现自动打磨程序的生成。机器人打磨工作前，视觉相机通过快换机构置于安全位置。
打磨轨迹的编程系统依托视觉识别系统。视觉识别系统采集到的需打磨部位图像数据由操作者进行点取确认打磨范围，然后在线自动编程生成。
3.4 控制和数据处理系统
机器人智能自动化打磨软件部分主要包括总控制程序、视觉定位算法、打磨轨迹自动生成算法、本地数据采集及传输算法、云端数据处理软件等。
模块 | 模块功能 |
总控制程序 | C#编写控制交互界面，上位机通过以太网控制于PLC、机器人、视觉进行联动控制 |
视觉识别定位算法 | 通过视觉相机拍摄图像，编写图像拟合程序：生成高精度图像数据：识别工件尺寸、工件位置、工件类型 |
打磨轨迹自生成算法 | 根据视觉识别定位生成的图像数据，在操作者点取的打磨区域自动生产打磨运动轨迹 |
本地数据采集 | 通过ACCESS数据库采集生产过程中的设备参数、打磨工件参数、打磨工艺参数、成本消耗、工作量信息等 |
云端数据处理 | 通过数据远程传输至云端服务器，并配置生产数据管理软件，生成多项报表，可监控监控生产设备的运行状态. |
3.5 打磨工艺控制
打磨工艺控制是实现自动化打磨质量的重要因素。操作者可选择在交互界面输入工艺参数或使用已验证的默认参数进行打磨，系统通过控制机器人移动参数和PLC控制打磨工具头相结合，实现打磨运动轨迹，详细打磨工艺参数如下表：
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打磨工艺参数 | 数值范围 | 备注 |
打磨头电机转速 | 3000~8000rpm | 按砂轮直径和线速度设定 |
打磨移动速度 | 100~300mm/s | 与铸件材料和毛坯面质量相关 |
变轨道宽 | 6~20mm | 与打磨面形状等相关 |
打磨压力 | 15~30kg | 与毛坯面
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