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铸钢件“冒口”采用机器人进行切割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
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前 言
本文以基本机器人智能切割工作站的配置进行介绍,并补充说明可提供的扩展服务。
冒口切割铸钢件清理过程中的重要工序，现阶段其几乎全部采用人工手持气体割枪进行切割。设定300mm（直径或厚度）的切割厚度可以满足大部分铸钢件（约60-70%铸钢件）冒口的切割需要。冒口切割工序工作量大，操作环境恶劣、安全风险高、人工切割质量差，且“用工难”等困境已极大的限制了铸造行业的发展。运用自动化、智能化技术设备代替人工作业已是铸造行业的发展方向之一。
一、适用范围
通用机器人视觉智能火焰切割工作站适用于中大型铸钢件的300直径（或厚度）以内冒口的切割作业，适用工作范围如下表1：
标准火焰切割工作站 | 适用范围 |
冒口直径（厚度） mm | ≤300mm 常温下切割，热态切割需加防护措施 |
切割部位预处理 | 切割线周围30mm范围内残砂和残渣必须清理干净 |
切割铸钢件材质 | 铸造碳钢、铸造低、中合金钢 |
切割工作范围 | 机器人前部约2500×1800mm矩形区域 |
切割面的质量水平 | 切割面平整，不影响机械加工，冒口根留高一致性好，留高3-10mm |
切割速度 | 60-120mm/分钟 |
表1 机器人火焰切割适用范围参数表
切割工作范围可通过扩展变位机，增加切割机器人等方式提高。详细布置见3.4扩展服务。
场地及外部能源需求：
需求项 | 内容 |
场地尺寸 | 5000mm×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 | 燃气（丙烷、天然气）压力≥0.3MPa,氧气压力≥1MPa； |
环保措施 | 粉尘处理 污废处理 |
吊装设备 | 满足工件吊装摆放需求 |
通风及照明设备 | 满足现场需求 |
表2 机器人火焰切割外部需求明细表
二、设置目标
1. 降低浇冒口切割工序中人工工作量，保障操作者职业健康安全。
2. 控制系统人机交互智能化，操作方便。
3. 切割面平整留高一致，方便机械加工和打磨。
4. 切割质量远高于人工，切割效率基本与人工一致，对铸件摆放无严格要求。
5. 利用远程数据平台，进行生产数据处理，并监控系统运行状态。
6. 切割工艺参数可设置，适用多种铸钢件冒口切割工艺的优化，切割消耗低于人工。
7. 提升铸造冒口切割工序自动化，智能化水平。
8. 切割系统符合铸造厂区环保规定。
9. 整体设备稳定可靠，可在2-3年内收回投资。
三、系统构成
铸钢件冒口视觉火焰切割工作站主要由：主体部分、视觉部分、软件控制部分等构成，总体效果图如下图所示：
图1 大中铸钢件视觉火焰切割工作站示意效果图
主要具有以下三点优势：
（1）摆放定位方面：本工作站采用高精度视觉相机对铸件（冒口）进行定位，铸件只需摆放至预先设定范围内，不需严格确定摆放位置。但铸件需姿态调整，使铸件形成一定的气割角度≥45°。
（2）程序设计方面：操作者确认铸件切割冒口起点和终点，系统自动识别并生成切割轨迹程序。
（3）切割质量和效率方面：机器人切割的坡口光洁度好，外形美观，切割效率高。
3.1主体部分
主体部分主要由品牌工业机器人、专用割枪、铸件切割区域构成。
3.1.1 工业机器人
为保证火焰切割工作的正常进行，需配套有工业机器人，可以采用Fanuc（发那科）、ABB、KUKA（库卡）、Yaskawa（安川）等知名品牌的机器人。要求机器人负载50kg以上，臂展2500~3000mm。
3.1.2 专用割枪
根据用户的使用场景，本工作站推荐使用梅赛尔的MS932原装射吸式割枪，其燃气类型可以使用乙炔、丙烷、天然气、液化气等，本工作站主要使用丙烷，其主要优势如下：
① 更高的切割速度，提升约30%-40%；
② 更低的氧气消耗，降低30%-40%；
③ 更长的割嘴使用寿命，提高大约4-5倍；
④ 更换方便，可以实现快速更换；
⑤ 更低的热变形，更小的割缝，减小割缝10-15%。
图2 MS932原装射吸式割枪
3.1.3 火焰切割工艺
选取气割（火焰切割）工艺，具有切割钢铁速度快、尺寸公差低、经济实惠、设备费用低、设备便携、操作简便、可手动可自动等优点。需配套烟气控制和排风设施。
气割（火焰切割）工艺参数 | 数值范围 |
切割氧气压力 | 0.5~1.0 MPa 受切割点参数影响 |
切割天燃气压力 | 0.2~0.3 MPa 受切割点参数影响 |
割枪移动速度 | 1~2mm/s 受切割点参数影响 |
表3 火焰切割工艺参数
3.2视觉系统部分和切割轨迹程序
采用3D工业相机获得加工铸件表面的点云图像及坐标数据，在交互界面选取切割冒口区域。自动编程生成出机器人切割轨迹程序，具有使用灵活、采样精度高、对铸件适应性强的优点。
3.3控制和数据处理系统
机器人智能自动化切割软件部分主要包括总控制程序，视觉视觉定位算法，切割路径自动生成算法，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 |
切割轨迹自生成算法 | 根据视觉识别定位生成的图像数据，自动生成切割运动轨迹 |
本地数据采集 | 通过ACCESS数据库采集生产过程中的设备参数、切割工件参数、切割工艺参数、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4 控制和数据处理系统模块及功能
四、系统工作流程
1.清理干净铸件冒口切割线附近50mm左右部位的残砂、粘砂等；将铸件摆放到指定作业范围内（约2500×1500），并形成一定的气割角度≥45°，切割面偏离机器人。
2.打开电源，登录系统，输入铸件相关参数。
3.启动扫描系统，视觉相机调整为拍照姿态后开始扫描，对铸件表面进行扫描同时完成定位。
4.人工在操作界面确认切割冒口的起点和终点位置，系统自动形成切割程序。
5.进入切割流程，打开丙烷（或天然气）及氧气开关，预先进行切割枪校准点火，逐个冒口进行切割作业，直至选取的冒口全部切割完成。需要切割该铸件
