 圖1：表面打磨工作站原理圖 原標(biāo)題：基于工業(yè)機(jī)器人的壓鑄件表面打磨工作站的開發(fā) 摘要：壓鑄成形中，由于存在合模間隙，壓鑄件不可避免地產(chǎn)生飛邊及毛刺，傳統(tǒng)的人工手動(dòng)去除飛邊及毛刺作業(yè)方式，往往需要投入大量的人力，而且對(duì)工人的工作技能要求較高；而采用工業(yè)機(jī)器人的表面打磨工作站則是解決上述問題的一種很好的嘗試。應(yīng)用結(jié)果表明，采用工業(yè)機(jī)器人的表面打磨工作站示范生產(chǎn)線，可以實(shí)現(xiàn)1人1線，每個(gè)班 打磨180件量產(chǎn)產(chǎn)品，周期180 s/件。 壓鑄是液態(tài)金屬在高壓作用下，高速噴射充填模具型腔。由于模具制造及安裝的誤差，存在合模間隙，因此壓鑄件通常都產(chǎn)生飛邊及毛刺，為確保產(chǎn)品外觀品質(zhì)，防止后序作業(yè)人員出現(xiàn)刺手現(xiàn)象，防止因產(chǎn)品表面飛邊影響后工序安裝，以及毛刺殘留影響產(chǎn)品使用時(shí)的密封性，必須將鑄件毛坯表面的飛邊和毛刺去除干凈，因此壓鑄件表面打磨成為鋁合金鑄件加工必不可少的一道工序。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)工廠壓鑄件表面打磨工序自動(dòng)化程度低，屬于勞動(dòng)密集型工序，由于工作量比較大，往往需要投入相當(dāng)多的人力；并且是手工作業(yè)為主，對(duì)人的操作技能要求較高，同時(shí)車間工作環(huán)境內(nèi)存在一定的噪音和粉塵，危害工人的健康，因此普遍存在招工難的困境。 為了解決行業(yè)共同面臨的困境，減少作業(yè)人員及優(yōu)化工作環(huán)境，開發(fā)建立一條基于工業(yè)機(jī)器人的壓鑄件表面打磨工作站示范生產(chǎn)線。本工作站針對(duì)的產(chǎn)品為廣東鴻圖生產(chǎn)的一款克萊斯勒缸蓋罩鑄件。該款鑄件具有內(nèi)腔頂針印和預(yù)鑄孔數(shù)量較多，分型線比較長(zhǎng)，并且外表面和內(nèi)表面均有分型線毛刺，圓弧角位毛刺較多等特點(diǎn)。因?yàn)樵摽铊T件去毛刺工作量大，難度高。如果采用手工去毛刺，需要大量操作工，且質(zhì)量不穩(wěn)定，因此決定采用工業(yè)機(jī)械人自動(dòng)去毛刺打磨技術(shù)。 1、表面打磨工作站的工作原理 1.1 工業(yè)機(jī)器人選用方案 適合壓鑄件清理的工業(yè)機(jī)器人要符合幾個(gè)基本條件：①自由度要5軸以上。②工作半徑。③承載能力。④防護(hù)等級(jí)IP65以上。工業(yè)機(jī)器人的詳細(xì)參數(shù)如下。工業(yè)機(jī)器人6軸運(yùn)行，分別由六臺(tái)可聯(lián)動(dòng)也可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)控制，類似人工的手臂，可在三維空間任一點(diǎn)定位。機(jī)器人工作半徑為0.5～3.8 m， 承載5～1000 kg。定位精度高，一般可達(dá)0.1 mm，最大不會(huì)超過0.2 mm。最高運(yùn)行角速度可達(dá)660 r/s。 可編程實(shí)現(xiàn)，包括離線編程。機(jī)器人6個(gè)軸聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)直線、曲線、圓周等運(yùn)動(dòng)，對(duì)于鑄件表面的任何角度及位置均可到達(dá)，并且還對(duì)復(fù)雜的鑄件實(shí)行離線編程，輸入機(jī)器人控制系統(tǒng)后即可按設(shè)定軌跡實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)；由于機(jī)器人可編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，對(duì)于不同類的鑄件可選用不同的程序，僅需更換夾具及刀具即可，如配套自動(dòng)換夾具系統(tǒng)，即可根據(jù)不同壓鑄件實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)；在鑄造環(huán)境中高粉塵環(huán)境的使用。鑄件清理環(huán)境惡劣，高粉塵高噪音，機(jī)器人最高防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP67，可穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間在高粉塵高噪音環(huán)境內(nèi)工作； 1.2 工業(yè)機(jī)器人鑄件清理的幾種模式 工業(yè)機(jī)器人鑄件清理一般為兩種作業(yè)方式，一種為工業(yè)機(jī)器人抓取鑄件去打磨設(shè)備上清理，一種為工業(yè)機(jī)器人抓取打磨工具去固定的工件上清理。二者各有優(yōu)劣勢(shì)： (1) 機(jī)器人抓取鑄件清理模式 先將鑄件定位在流水線或擺動(dòng)雙工位工作臺(tái)上，工業(yè)機(jī)器人抓取鑄件定位面，移動(dòng)到鑄件清理刀具上進(jìn)行鑄件的飛邊清理。該方式適應(yīng)面廣，在有色鑄件清理中應(yīng)用最為廣泛。 (2) 機(jī)器人抓取打磨工具清理模式 鑄件固定在工裝上， 工業(yè)機(jī)器人在工具工作臺(tái)上自動(dòng)抓取不同類型的刀具或打磨工具對(duì)鑄件進(jìn)行清理。這種方式適合清理大型重載鑄件或簡(jiǎn)單鑄件，效率相對(duì)較低，但可選擇功率較小的工業(yè)機(jī)器人。 通過評(píng)估，缸蓋罩鑄件只有2.67 kg，形狀復(fù)雜，適合采用第一種模式的表面打磨工作站。 1.3 表面打磨工作站工作原理 表面打磨工作站由工業(yè)機(jī)械人、機(jī)械手爪、力控砂帶機(jī)、多模組設(shè)備、氣動(dòng)力控柔性打磨設(shè)備以及專用工具組成，表面打磨工作站原理見圖1。機(jī)械手爪夾起工件，移動(dòng)到力控砂帶機(jī)，在力控砂帶機(jī)打磨鑄件側(cè)面澆口和渣包口毛刺，砂帶打磨完畢機(jī)械手爪移動(dòng)到多模組設(shè)備打磨鑄件頂針印和針孔，為提高生產(chǎn)效率，多模組工具連接軸位置通過一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)工具同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)頂針印和針孔同時(shí)打磨，打磨完畢機(jī)械手爪移動(dòng)到氣動(dòng)力控柔性打磨設(shè)備，打磨鑄件外輪廓的圓弧部位，打磨完畢鑄件放回原位；機(jī)械手爪再夾起第2件，循環(huán)往復(fù)。 2、表面打磨工作站的初始方案 工作站建立的目標(biāo)產(chǎn)品為缸蓋罩，該產(chǎn)品分型線比較長(zhǎng)，外表面和內(nèi)表面均有分型線毛刺，圓弧角位較多，并且內(nèi)腔頂針印毛刺和預(yù)鑄孔毛刺數(shù)量較多等。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和產(chǎn)品打磨質(zhì)量要求，引進(jìn)多模組設(shè)備，柔性砂帶機(jī)、柔性氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備以及專用工具等等，保證產(chǎn)品質(zhì)量合格及穩(wěn)定。 采用專用定位臺(tái)進(jìn)行上下料，根據(jù)產(chǎn)品定位孔設(shè)計(jì)定位銷的尺寸，同時(shí)根據(jù)定產(chǎn)品定位孔位置設(shè)計(jì)定位銷的安裝位置，最后通過檢測(cè)開關(guān)定位治具臺(tái)位置，保證上料的精度。 使用機(jī)器人連帶專用取件夾手進(jìn)行取放產(chǎn)品，通過機(jī)器人不同姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)，一次性完成各工序位置的打磨，這樣既確保了鑄件夾取精度的一致性和穩(wěn)定性，又可減少重復(fù)取放件所需的時(shí)間；機(jī)器手爪針對(duì)缸蓋罩鑄件進(jìn)行設(shè)計(jì)：采用鑄件的兩個(gè)非加工基準(zhǔn)預(yù)鑄孔作為夾取孔，以?shī)A取孔的孔面做基準(zhǔn)平面，通過夾爪下壓和張開完成鑄件的夾取，確保鑄件夾取精度和穩(wěn)定。 壓鑄件打磨部位有頂針印和預(yù)鑄孔，大端面分型線，側(cè)面圓弧邊分型線，它們將分別采用3組機(jī)構(gòu)打磨。見圖2。
圖2：壓鑄件打磨部位圖 多模組定點(diǎn)打磨技術(shù)，采用多模組結(jié)構(gòu)設(shè)備，分別根據(jù)鑄件頂針印和針孔位置布置多模組工具連接軸位置，通過一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)個(gè)工具同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以一次完成多個(gè)頂針印或預(yù)鑄孔毛刺的打磨，縮短加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。 該工作站對(duì)于去除內(nèi)腔頂針印面周邊毛刺的工具選用了三刃銑刀。銑刀的規(guī)格要求刀具外徑比毛坯頂針印打大2 mm , 刀頭平整。銑刀與多模組設(shè)備采用柔性結(jié)構(gòu)連接。只能把毛坯的頂針印表面周邊的毛刺打磨干凈而不會(huì)出現(xiàn)銑削過量或加工不到的現(xiàn)象,保證了產(chǎn)品的打磨加工質(zhì)量和加工穩(wěn)定性。 采用力控砂帶機(jī)，使用柔性砂帶機(jī)和氣動(dòng)設(shè)備，防止磨傷產(chǎn)品或與機(jī)器人發(fā)生相互作用力過大的干涉，通過調(diào)整氣壓的大小控制砂帶打磨可承受的壓緊力，杜絕鑄件澆口和渣包口打磨碰撞，確保打磨連貫性；打磨入料澆口和渣包口的力控砂帶機(jī)的砂帶，選用砂粒為80號(hào)，寬度為30 mm的型號(hào)，這樣可以很好地避免砂帶邊與產(chǎn)品外框圓弧角位之間的干涉，防止產(chǎn)品圓弧角位被磨傷。 氣動(dòng)力控柔性打磨設(shè)備，由于刀柄具有浮動(dòng)特征，通過調(diào)整力控氣壓，針對(duì)不規(guī)則的鑄造飛邊能夠較好地吸收工件誤差并避免刀具的損壞，可控制打磨工具與鑄件表面的摩擦壓緊力，控制工具打磨量，同時(shí)由于工具受力避讓，可以消化工具磨損而與鑄件表面無(wú)接觸的問題，確保打磨部位的質(zhì)量合格及穩(wěn)定。浮動(dòng)刀柄夾持圓柱鋼刷打磨毛坯內(nèi)腔分型線上的毛刺，通過工具本身的柔性，結(jié)合氣動(dòng)工具的柔性，確保不會(huì)磨傷產(chǎn)品同時(shí)又能將分型線上的細(xì)小披鋒打磨干凈。 3、表面打磨工作站的優(yōu)化及應(yīng)用效果 表面打磨工作站經(jīng)過小批試生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)腔頂針印面粗糙，部分頂針印面銑削深入到基準(zhǔn)面以下。外框圓弧角位分型線毛刺去除不干凈，殘留高度大于0.5 mm。壓鑄件表面飛邊及毛刺的打磨標(biāo)準(zhǔn)是既不能低于基準(zhǔn)面，又不能高于基準(zhǔn)面0.5 mm。因此判定鑄件表面打磨質(zhì)量未達(dá)到要求。為此，對(duì)表面打磨工作站作出以下改進(jìn)： 將去除內(nèi)腔頂針印面周邊毛刺的三刃銑刀改用四刃平頭銑刀。主要特點(diǎn)是增加1刃，刀頭平整，中間1/2半徑范圍內(nèi)不開刀刃，外圈1/2半徑范圍內(nèi)開刀刃。這樣結(jié)合多模組的柔性結(jié)構(gòu)，就只能把毛坯的頂針印表面周邊的毛刺打磨干凈而不會(huì)出現(xiàn)銑削過深或殘留高度超過0.5 mm的現(xiàn)象。保證了產(chǎn)品的打磨加工質(zhì)量和加工穩(wěn)定性。 外框圓弧角位分型線毛刺去除不干凈，殘留高度大于0.5 mm，原因是氣動(dòng)磨頭鋼絲刷拋磨能力不足。因此嘗試改用圓柱千葉輪拋磨毛坯內(nèi)腔分型線上的毛刺，開始時(shí)打磨質(zhì)量達(dá)到要求，但做到接近200件就出現(xiàn)殘留高度大于0.5 mm。停止打磨工作站檢查，發(fā)現(xiàn)是千葉輪上砂紙磨損嚴(yán)重，毛刺打磨達(dá)不到要求。為此設(shè)定千葉輪使用壽命是失效的0.9倍，剛好是1個(gè)班的產(chǎn)量更換1次千葉輪。 通過優(yōu)化及改進(jìn)，應(yīng)用在克萊斯勒缸蓋產(chǎn)品表面打磨工作站，最終穩(wěn)定在1人1線每個(gè)班7 h做180件，周期180 s/件；而傳統(tǒng)人工手動(dòng)除毛刺生產(chǎn)線10人每個(gè)班做800~900件，人均班產(chǎn)80~90件。 4、結(jié)語(yǔ) 基于工業(yè)機(jī)器人的鑄件表面打磨工作站示范生產(chǎn)線的建立，能滿足產(chǎn)品的打磨質(zhì)量要求，解決自動(dòng)打磨壓鑄件的飛邊及毛刺的技術(shù)難題。減少了人員工作量，縮減了生產(chǎn)線人員數(shù)量配置；降低人工手動(dòng)打磨的技能要求，還很好地改善生產(chǎn)線人員操作區(qū)的工作環(huán)境。
作者： 本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第10期 |
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