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大型自由鍛鋼件毛坯UT部位采用機器人進行打磨處理的智能系統(tǒng)搭建及設(shè)置意見（討論稿）
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2022年7月
前 言
大型自由鍛鋼件由于優(yōu)良的性能和“消除”了各類鑄造缺陷而被廣泛用于主要支撐和受力的機械設(shè)備等重要部位。鍛造成型后一項必不可少的檢查-超聲波探傷（UT）就是被廣泛用于檢查判斷其內(nèi)部質(zhì)量的重要工序。
現(xiàn)階段大型鍛鋼件普遍采用的實現(xiàn)UT探傷的表面必須經(jīng)過機械加工以便達到可以進行UT工序的表面質(zhì)量要求。機械加工需要較大的加工余料，和較高的加工成本，造成UT檢查效率低而成本高。
本文設(shè)置的大型鍛鋼件毛坯UT部位機器人智能打磨工作站可以很快地按照工藝技術(shù)要求對需要UT的部位進行智能打磨以實現(xiàn)高效和低成本的UT檢查，可以很好地適應(yīng)大型鍛鋼件的生產(chǎn)。
一、適用范圍
大型鍛鋼件毛坯UT部位機器人智能打磨工作站適合于各類自由鍛鋼件毛坯指定部位的打磨。
機器人打磨工作站適用范圍如下：
要素項目 | 適用范圍 |
鍛鋼件材質(zhì) | 碳鋼、低、中、高合金鋼 |
打磨面的準備 | 按工藝技術(shù)要求部位設(shè)定打磨部位 |
打磨面形狀 | 平面、斜面、圓弧面和其他鍛造毛坯面 |
打磨覆蓋范圍 | 機器人前部約2500×1500mm矩形區(qū)域 |
打磨面的質(zhì)量水平 | 毛坯面打磨可以達到平整光，粗糙度3.2-6.3μm，滿足UT檢查要求 |
打磨工作效率 | 1.5-2.5㎡/小時 |
表1 適用范圍
場地動力能源需求：
需求項 | 內(nèi)容 | 備注 |
場地尺寸 | 6000mm×5000mm | |
電源要求 | 380V三相交流電 50HZ | |
壓縮空氣 | 0.6Mbar | |
耗材 | 樹脂砂輪 | 平板砂輪，線速度35-50mps |
表2 場地及能源需求
二、設(shè)置目標
1. 替代機械加工快速高效和低成本的實現(xiàn)鍛鋼件毛坯的內(nèi)部鍛造質(zhì)量檢查。
2. 控制系統(tǒng)人機交互智能化，操作方便。
3. 通過遠程數(shù)據(jù)平臺，可進行數(shù)據(jù)處理，監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)。
4. 打磨工藝參數(shù)可設(shè)置，適用多種鍛鋼件UT部位快速打磨和打磨工藝的優(yōu)化。
5. 提升鍛造流程的智能化水平。
6. 整體設(shè)備穩(wěn)定可靠，可快速收回投資（半年左右）。
三、系統(tǒng)構(gòu)成
機器人智能打磨工作站的系統(tǒng)構(gòu)成：
1、工業(yè)機器人本體
2、打磨工作機構(gòu)
3、視覺識別和打磨軌跡編程系統(tǒng)
4、控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
3.1 工業(yè)機器人本體系統(tǒng)
主要由品牌工業(yè)機器人及其控制系統(tǒng)、PLC總控制系統(tǒng)、管線包和安全防護機構(gòu)等構(gòu)成。
機器人選型
推薦優(yōu)先選擇：Fanuc（發(fā)那科）、ABB、KUKA（庫卡）、Yaskawa（安川）等和國產(chǎn)的一線品牌機器人
打磨工作站要求機器人：負載范圍為：150-250㎏；臂展范圍：2500-3000mm
l KUKA-KR QUANTEC系列高負載機器人，此系列能覆蓋90-300kg的負載范圍，機器人臂展范圍3000mm，有多種安裝方式可選.結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。
圖1 庫卡KR210 2700 機器人外觀圖
l ABB-IRB-6700機器人系列結(jié)構(gòu)剛性更好，無故障運行時間更長，性能提升且維修簡化，其總擁有成本降低20%。IRB 6700有多款型號，負載為150kg 至300kg，工作范圍為 2.6 m 至 3.2 m，有落地式和倒裝式版本可選。
圖2 ABB-IRB-6700 機器人外觀圖
3.2 打磨工作機構(gòu)
鍛鋼件毛坯UT部位打磨工作站推薦使用“平板砂輪恒力打磨頭”，其結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，可以使用直徑達300的平板砂輪工作，打磨效率高，砂輪消耗低。
圖3 平板砂輪打磨頭示意圖
3.3視覺識別和打磨軌跡編程系統(tǒng)
視覺識別系統(tǒng)由視覺相機和相機快換機構(gòu)兩部分構(gòu)成。視覺相機工作時通過相機快換機構(gòu)連接在機器人的第6軸上，對鍛件進行視覺圖像的采集。機器人作打磨工作時，視覺相機通過快換機構(gòu)已置于安全位置。
打磨軌跡的編程系統(tǒng)是通過控制系統(tǒng)將視覺圖像采集到的需要打磨部位圖像化地與操作者進行點取確認打磨范圍后在線自動編程生成的。
3.4 控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
機器人智能自動化打磨軟件部分主要包括總控制程序，視覺視覺定位算法，打磨軌跡自動生成算法，本地數(shù)據(jù)采集及傳輸算法，云端數(shù)據(jù)處理軟件。
模塊 | 模塊功能 |
總控制程序 | C#編寫控制交互界面，上位機通過以太網(wǎng)控制于PLC、機器人、視覺進行聯(lián)動控制 |
視覺識別定位算法 | 通過視覺相機拍攝圖像，編寫圖像擬合程序：生成高精度圖像數(shù)據(jù)：識別工件尺寸、工件位置、工件類型 |
打磨軌跡自生成算法 | 根據(jù)視覺識別定位生成的圖像數(shù)據(jù)，自動生產(chǎn)打磨運動軌跡 |
本地數(shù)據(jù)采集 | 通過ACCESS數(shù)據(jù)庫采集生產(chǎn)過程中的設(shè)備參數(shù)、打磨工件參數(shù)、打磨工藝參數(shù)、成本消耗、工作量信息等 |
云端數(shù)據(jù)處理 | 通過數(shù)據(jù)遠程傳輸至云端服務(wù)器，并配置生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理軟件，生成多項報表,可監(jiān)控監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài). |
表3 控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模塊及功能
3.5 打磨工藝控制
打磨工藝控制是實現(xiàn)自動化打磨質(zhì)量的重要因素。操作者可選擇在交互界面輸入工藝參數(shù)或使用已驗證的默認參數(shù)進行打磨，系統(tǒng)通過控制機器人移動參數(shù)和PLC控制打磨工具頭相結(jié)合，實現(xiàn)打磨運動軌跡，詳細打磨工藝參數(shù)如下表：
打磨工藝參數(shù) | 數(shù)值范圍 |
電機轉(zhuǎn)速 | 3000~6000rpm，按砂輪直徑和線速度設(shè)定 |
打磨速度 | 100~300 mm/s，與鍛件材料和毛坯面質(zhì)量相關(guān) |
變軌道寬 | 6~20mm，與打磨面形狀等相關(guān) |
打磨壓力 | 15~30kg，與毛坯面質(zhì)量相關(guān) |
表4 打磨工藝控制參數(shù)
3.6 打磨范圍擴展
建議打磨工作站固定位置安裝，采用吊起移動鍛件來擴展打磨范圍。
四、系統(tǒng)工作流程
1、起吊擺放鍛件至機器人打磨工作站的有效打磨區(qū)域（約2500×1500）；
2、啟動打磨工作站設(shè)備系統(tǒng)，（自動）安裝視覺相機對當前工件進行視覺采集后（自動）卸掉視覺相機至安全位置；
3、系統(tǒng)顯示視覺相機采集到的工件點云圖像，操作者按工業(yè)技術(shù)要求點取鍛件毛坯上當前覆蓋范圍內(nèi)所有的需要打磨的部位范圍后確認；
4、機器人逐個區(qū)域進行打磨，打磨完每一個區(qū)域后需要操作者確認達到（或需要重復打磨）質(zhì)量要求后進行下一個區(qū)域的打磨，所有區(qū)域打磨合格后設(shè)備停止工作回到安全位置。
5、需要打磨其他件（或該鍛件的其他部位）時，重復上述步驟；
6、結(jié)束。
五、系統(tǒng)效率及預期效益
鍛鋼件毛坯UT部位打磨工作站可以替代機械加工來完成鍛件毛坯內(nèi)部質(zhì)量的檢查。
與機械加工后進行UT檢查相比較，系統(tǒng)效率和效益都是“顛覆性”的。特別是對于沒有配備機械加工設(shè)備的鍛造工廠，可以解決其質(zhì)量控制的嚴重缺項，為該類企業(yè)的質(zhì)量成本的降低提供保障。
六、總結(jié)
6.1配置更低要求
實現(xiàn)最基礎(chǔ)的打磨功能且不增加企業(yè)資金壓力，機器人智能打磨工作站的配置要求如下：
①主機部分可采用市面常見承重150KG以上，臂展超過2500mm以上機器人作為系統(tǒng)機器人，搭配恒力平板砂輪打磨頭。
②通過常規(guī)PLC總控制柜進行控制，C#編寫控制交互界面，用以太網(wǎng)控制與PLC、機器人、視覺進行聯(lián)動控制。
③系統(tǒng)對工廠場地配套和能源要求都比較低，僅需要大小為6000mm×5000mm，有50HZ-380V三相交流電、通自來水的場地即可滿足要求，設(shè)備主要耗材為樹脂砂輪，系統(tǒng)運行花費低。
6.2系統(tǒng)優(yōu)勢
①簡易明了的交互模式，實現(xiàn)操作者與系統(tǒng)的交互操作：操作者僅需輸入工藝參數(shù)或選取參數(shù)，確定打磨軌跡即可開啟打磨。
②系統(tǒng)維護簡單，定期進行機械磨損檢查、線路健康狀況評估和工控機內(nèi)運行環(huán)境及冗余清理。
③安全環(huán)保：操作者可遠離打磨操作平臺，機器人設(shè)備穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)基本無排放，杜絕安全和環(huán)保風險。
④操作者僅需職業(yè)技術(shù)學校相關(guān)專業(yè)學習，或擁有大專以上學歷，具有計算機操作能力，通過培訓即可快速掌握系統(tǒng)操作方法。
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