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大型自由锻钢件毛坯UT部位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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2022年7月
前 言
大型自由锻钢件由于优良的性能和“消除”了各类铸造缺陷而被广泛用于主要支撑和受力的机械设备等重要部位。锻造成型后一项必不可少的检查-超声波探伤（UT）就是被广泛用于检查判断其内部质量的重要工序。
现阶段大型锻钢件普遍采用的实现UT探伤的表面必须经过机械加工以便达到可以进行UT工序的表面质量要求。机械加工需要较大的加工余料，和较高的加工成本，造成UT检查效率低而成本高。
本文设置的大型锻钢件毛坯UT部位机器人智能打磨工作站可以很快地按照工艺技术要求对需要UT的部位进行智能打磨以实现高效和低成本的UT检查，可以很好地适应大型锻钢件的生产。
一、适用范围
大型锻钢件毛坯UT部位机器人智能打磨工作站适合于各类自由锻钢件毛坯指定部位的打磨。
机器人打磨工作站适用范围如下：
要素项目 | 适用范围 |
锻钢件材质 | 碳钢、低、中、高合金钢 |
打磨面的准备 | 按工艺技术要求部位设定打磨部位 |
打磨面形状 | 平面、斜面、圆弧面和其他锻造毛坯面 |
打磨覆盖范围 | 机器人前部约2500×1500mm矩形区域 |
打磨面的质量水平 | 毛坯面打磨可以达到平整光，粗糙度3.2-6.3μm，满足UT检查要求 |
打磨工作效率 | 1.5-2.5㎡/小时 |
表1 适用范围
场地动力能源需求：
需求项 | 内容 | 备注 |
场地尺寸 | 6000mm×5000mm | |
电源要求 | 380V三相交流电 50HZ | |
压缩空气 | 0.6Mbar | |
耗材 | 树脂砂轮 | 平板砂轮，线速度35-50mps |
表2 场地及能源需求
二、设置目标
1. 替代机械加工快速高效和低成本的实现锻钢件毛坯的内部锻造质量检查。
2. 控制系统人机交互智能化，操作方便。
3. 通过远程数据平台，可进行数据处理，监控系统运行状态。
4. 打磨工艺参数可设置，适用多种锻钢件UT部位快速打磨和打磨工艺的优化。
5. 提升锻造流程的智能化水平。
6. 整体设备稳定可靠，可快速收回投资（半年左右）。
三、系统构成
机器人智能打磨工作站的系统构成：
1、工业机器人本体
2、打磨工作机构
3、视觉识别和打磨轨迹编程系统
4、控制和数据处理系统
3.1 工业机器人本体系统
主要由品牌工业机器人及其控制系统、PLC总控制系统、管线包和安全防护机构等构成。
机器人选型
推荐优先选择：Fanuc（发那科）、ABB、KUKA（库卡）、Yaskawa（安川）等和国产的一线品牌机器人
打磨工作站要求机器人：负载范围为：150-250㎏；臂展范围：2500-3000mm
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，有多种安装方式可选.结构形式如图2所示。
图1 库卡KR210 2700 机器人外观图
l ABB-IRB-6700机器人系列结构刚性更好，无故障运行时间更长，性能提升且维修简化，其总拥有成本降低20%。IRB 6700有多款型号，负载为150kg 至300kg，工作范围为 2.6 m 至 3.2 m，有落地式和倒装式版本可选。
图2 ABB-IRB-6700 机器人外观图
3.2 打磨工作机构
锻钢件毛坯UT部位打磨工作站推荐使用“平板砂轮恒力打磨头”，其结构简单，使用可靠，可以使用直径达300的平板砂轮工作，打磨效率高，砂轮消耗低。
图3 平板砂轮打磨头示意图
3.3视觉识别和打磨轨迹编程系统
视觉识别系统由视觉相机和相机快换机构两部分构成。视觉相机工作时通过相机快换机构连接在机器人的第6轴上，对锻件进行视觉图像的采集。机器人作打磨工作时，视觉相机通过快换机构已置于安全位置。
打磨轨迹的编程系统是通过控制系统将视觉图像采集到的需要打磨部位图像化地与操作者进行点取确认打磨范围后在线自动编程生成的。
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。
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，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. |
表3 控制和数据处理系统模块及功能
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：
打磨工艺参数 | 数值范围 |
电机转速 | 3000~6000rpm，按砂轮直径和线速度设定 |
打磨速度 | 100~300 mm/s，与锻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，与毛坯面质量相关 |
表4 打磨工艺控制参数
3.6 打磨范围扩展
建议打磨工作站固定位置安装，采用吊起移动锻件来扩展打磨范围。
四、系统工作流程
1、起吊摆放锻件至机器人打磨工作站的有效打磨区域（约2500×1500）；
2、启动打磨工作站设备系统，（自动）安装视觉相机对当前工件进行视觉采集后（自动）卸掉视觉相机至安全位置；
3、系统显示视觉相机采集到的工件点云图像，操作者按工业技术要求点取锻件毛坯上当前覆盖范围内所有的需要打磨的部位范围后确认；
4、机器人逐个区域进行打磨，打磨完每一个区域后需要操作者确认达到（或需要重复打磨）质量要求后进行下一个区域的打磨，所有区域打磨合格后设备停止工作回到安全位置。
5、需要打磨其他件（或该锻件的其他部位）时，重复上述步骤；
6、结束。
五、系统效率及预期效益
锻钢件毛坯UT部位打磨工作站可以替代机械加工来完成锻件毛坯内部质量的检查。
与机械加工后进行UT检查相比较，系统效率和效益都是“颠覆性”的。特别是对于没有配备机械加工设备的锻造工厂，可以解决其质量控制的严重缺项，为该类企业的质量成本的降低提供保障。
六、总结
6.1配置更低要求
实现最基础的打磨功能且不增加企业资金压力，机器人智能打磨工作站的配置要求如下：
①主机部分可采用市面常见承重150KG以上，臂展超过2500mm以上机器人作为系统机器人，搭配恒力平板砂轮打磨头。
②通过常规PLC总控制柜进行控制，C#编写控制交互界面，用以太网控制与PLC、机器人、视觉进行联动控制。
③系统对工厂场地配套和能源要求都比较低，仅需要大小为6000mm×5000mm，有50HZ-380V三相交流电、通自来水的场地即可满足要求，设备主要耗材为树脂砂轮，系统运行花费低。
6.2系统优势
①简易明了的交互模式，实现操作者与系统的交互操作：操作者仅需输入工艺参数或选取参数，确定打磨轨迹即可开启打磨。
②系统维护简单，定期进行机械磨损检查、线路健康状况评估和工控机内运行环境及冗余清理。
③安全环保：操作者可远离打磨操作平台，机器人设备稳定可靠，系统基本无排放，杜绝安全和环保风险。
④操作者仅需职业技术学校相关专业学习，或拥有大专以上学历，具有计算机操作能力，通过培训即可快速掌握系统操作方法。
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