六自由度機器人在鑄鍛行業(yè)的應(yīng)用研究

王素艷

（沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽，110045）

六自由度機器人在鑄鍛行業(yè)的應(yīng)用研究

王素艷

（沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽，110045）

鑄鍛行業(yè)屬于高污染、高危險、高能耗行業(yè)，故可用機器人來代替人工。本文從六自由度機器人聯(lián)線在鑄鍛生產(chǎn)線的技術(shù)要求、聯(lián)線內(nèi)容設(shè)計要求、動作流程設(shè)計、工藝流程設(shè)計、計算機控制總線設(shè)計要求等方面進行論述。

機器人，六自由度，鑄鍛，總線控制，生產(chǎn)線

0 引言

近10年，經(jīng)濟中等發(fā)達地區(qū)汽車銷量以每天700輛遞增，已達平均2-3人就有1臺車的水平，2013年中國汽車產(chǎn)銷量均超過2000萬輛。我國汽車行業(yè)的快速發(fā)展為鍛造產(chǎn)品提供了廣闊的需求空間，2013年1-9月，僅遼寧省鍛件產(chǎn)量就達14萬噸,足見汽車行業(yè)對鍛造行業(yè)發(fā)展的重要性。為了跟上市場需求的變化，一些傳統(tǒng)鍛造企業(yè)紛紛通過合資、聯(lián)合、擴產(chǎn)等方法提升自身能力，還有越來越多的新企業(yè)進入鍛造領(lǐng)域，從業(yè)人員翻番增長，擴大了我國鍛造業(yè)整體規(guī)模[1]。

長期以來，鍛造行業(yè)屬于是高危險、高污染的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，企業(yè)員工待遇低，員工流失率高。鍛造行業(yè)多數(shù)的生產(chǎn)過程都是采用傳統(tǒng)設(shè)備并且由人工操作完成，危險性大，工人勞動強度高，能耗高，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；同時由于鍛造業(yè)產(chǎn)生有害氣體、煙塵、噪聲和振動等問題，對員工身心健康也構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[2]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，產(chǎn)品制造處于全球經(jīng)濟一體化的大潮中，企業(yè)對鍛件的質(zhì)量、價格、交貨期限等提出了越來越嚴(yán)格的要求。同時，國外許多鍛造企業(yè)在華投資，也增加了國內(nèi)鍛造企業(yè)的競爭壓力，因此，國內(nèi)鍛造企業(yè)為提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率、減輕工人勞動強度、減少產(chǎn)品生產(chǎn)周期，開始在鍛造生產(chǎn)線上應(yīng)用機器人，這對企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[3]。

1 機器人在汽車曲軸鍛造生產(chǎn)線上的應(yīng)用

曲軸是汽車發(fā)動機的主要旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，它擔(dān)負著將活塞的上下往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼膱A周運動，常說的發(fā)動機轉(zhuǎn)速就是指曲軸的轉(zhuǎn)速。汽車發(fā)動機曲軸一般都是鍛鋼曲軸，由于汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，其市場對曲軸的需求量越來越大，對曲軸的質(zhì)量要求也越來越高，因此，將機器人應(yīng)用在汽車曲軸鍛造生產(chǎn)線上，既可實現(xiàn)曲軸的輥壓、加熱、鍛壓、二次鍛壓以及修剪等，還能夠節(jié)省人力、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量。

機器人自動生產(chǎn)線由機器人和中央控制系統(tǒng)組成，機器人主要用于設(shè)備之間的物料轉(zhuǎn)移及周轉(zhuǎn)，并同其他鍛造設(shè)備相互連接，利用中央控制實現(xiàn)生產(chǎn)線的整體自動化[4-5]。

機器人普遍采用六自由度高速機器人，目前國內(nèi)有多家企業(yè)正在開發(fā)，并且技術(shù)逐漸穩(wěn)定成熟，機器人可在回轉(zhuǎn)范圍任意角度內(nèi)工作，負載能力可達500kg，重復(fù)定位精度可達±0.3mm，最高可達到±0.06mm，同時根據(jù)工藝需要配備外部滑臺，實現(xiàn)長距離物料轉(zhuǎn)移[6]。

機器人配備機械手用于夾持零件，并且夾鉗動作快速平穩(wěn)。夾緊塊采用模具鋼制造，所夾持坯料溫度在達到1200-1300℃時仍能保持良好的工作狀態(tài)。機械手夾持工件時,運轉(zhuǎn)自如，工作性能穩(wěn)定可靠。機械手根據(jù)零件而設(shè)計，可完成夾緊、松開、裝卸工件、前后移動、升降以及翻轉(zhuǎn)等動作，也可用于鑄造行業(yè)中澆鑄、噴丸、淋砂、掛鏈等工序。

2 六自由度機器人在鑄鍛造生產(chǎn)線上的技術(shù)開發(fā)

以360kg機器人（見圖1）的鍛造線為例，其技術(shù)性能及特點如下。

圖1 360kg的機器人

2.1360kg機器人參數(shù)

鑄鍛造生產(chǎn)用的聯(lián)線機器人（使用不同的機器人將生產(chǎn)線與生產(chǎn)線聯(lián)系起來）在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等直接影響鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量。360kg機器人的參數(shù)見表1。

表1 360kg機器人參數(shù)

2.2聯(lián)線設(shè)計內(nèi)容

聯(lián)線工作包括：

1)生產(chǎn)線工藝流程；

2)生產(chǎn)線主要設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求合理的選擇和配置設(shè)計；

3)各設(shè)備間相互銜接的技術(shù)設(shè)計和輔助設(shè)備的配置；

4)生產(chǎn)車間平面布置圖設(shè)計；

5)鍛造過程各工序、時序的設(shè)計和計算；

6)設(shè)備動作流程設(shè)計；

7)總線控制和各設(shè)備之間的通信技術(shù)要求設(shè)計;

8)生產(chǎn)線各子項（生產(chǎn)單位）之間的技術(shù)協(xié)調(diào)；

9)生產(chǎn)線聯(lián)線的調(diào)試工作和調(diào)試期間的技術(shù)協(xié)調(diào)工作。

2.3工藝流程

根據(jù)產(chǎn)品分類及其特點，工藝流程有所不同。一般工藝如下：

感應(yīng)加熱—輥鍛—預(yù)鍛—終鍛—切邊—熱校正。

2.4總線控制設(shè)計

總線控制系統(tǒng)采用2層網(wǎng)絡(luò)，3種總線結(jié)構(gòu)，上層采用工業(yè)以太網(wǎng)，下層采用Profibus-DP現(xiàn)場總線和PILZ安全總線。工業(yè)控制計算機通過交換機與主控PLC連接，實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)高速傳輸?，F(xiàn)場設(shè)備層采用Profibus-DP為通信總線，進行實時數(shù)據(jù)傳輸。全線各分設(shè)備直接與總控通信，且各分設(shè)備之間不進行通信?，F(xiàn)場安全信號接入到PILZ安全PLC上，實現(xiàn)安全信號的單獨傳輸[7]。主控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。

生產(chǎn)線總線控制系統(tǒng)由以下3種總線結(jié)構(gòu)組成。

工業(yè)以太網(wǎng)：主控計算機通過網(wǎng)絡(luò)交換機連接主控PLC，傳輸數(shù)據(jù)流量大的信號，用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)備份。以太網(wǎng)交換機預(yù)留100Mbit/s與工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)連接的接口。

Profibus-DP：由主控PLC作為主站連接單機設(shè)備的PLC和遠程IO站，傳輸各單機設(shè)備與總線控制系統(tǒng)之間的控制信號（包括狀態(tài)信號和動作信號），保證生產(chǎn)線運行；主控PLC也可通過DP/DP耦合器與各分設(shè)備進行通信，實現(xiàn)控制信號的傳輸。

PILZ安全總線：安全PLC采用緊湊安全型PLC，現(xiàn)場安全信號通過硬接線方式連接到安全PLC上。另外，安全PLC采用冗余技術(shù)，由不同廠家生產(chǎn)的2個CPU組成，保證安全信號傳輸?shù)目煽啃?。安全PLC通過Profibus-DP通信模塊接入到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，控制信號和安全信號分離，保證系統(tǒng)的高可靠性。

圖2 主控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

3 結(jié)論

1）鑄鍛造生產(chǎn)線上利用六自由度機器人可優(yōu)化生產(chǎn)線設(shè)備配置和節(jié)約資源。汽車曲軸鍛造生產(chǎn)線是由汽車曲軸生產(chǎn)節(jié)拍配置的加熱設(shè)備和其他輔助設(shè)備組成，模具的冷卻和潤滑是在設(shè)備打擊之間完成，配置機器人后可最大限度地減少生產(chǎn)輔助時間、減少加熱火次、節(jié)約能源、提高設(shè)備的使用效率，從而最大限度地提高設(shè)備的負荷率，設(shè)備負荷率可以提高到95%以上。

2）鑄鍛造生產(chǎn)線上利用機器人可節(jié)省人力。利用機器人可實現(xiàn)鍛造生產(chǎn)線的全線自動化及無人操作自動化生產(chǎn),節(jié)省了大量的人力，從而減少有害氣體、煙塵、噪聲和振動等對人身心健康造成的危害。

3）鑄鍛造生產(chǎn)線上利用機器人可保障安全生產(chǎn)。機器人與生產(chǎn)線相關(guān)設(shè)備及裝置通過中央控制可以實現(xiàn)控制接口互鎖，故障自動提示、報警，保障安全生產(chǎn)，最大限度地減少設(shè)備的損壞及人員傷亡。

4）鑄鍛造生產(chǎn)線上利用機器人可提高產(chǎn)品質(zhì)量。機器人在生產(chǎn)線設(shè)備的工藝參數(shù)一致，避免了人為因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，因此利用機器人生產(chǎn)線可保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

5）鑄鍛造生產(chǎn)線上利用機器人適合生產(chǎn)大批量的汽車零件，如曲軸、連桿、前橋、半軸、十字軸、缸體、缸蓋等，滿足了生產(chǎn)線上坯料的周轉(zhuǎn)、冷卻以及潤滑模具的要求，提升了生產(chǎn)線設(shè)備的智能化水平，降低了鍛造工序的能耗，有助于鍛造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 韓木林,吳順達.鍛造行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)措施及發(fā)展方向研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（5）：15-20.

[2] 鑄造和鍛壓行業(yè)分析報告[R].2014.5.http://www.docin.com/p-807397213.html.

[3] 2012-2016年中國鍛壓機械制造行業(yè)產(chǎn)銷需求預(yù)測與轉(zhuǎn)型升級分析報告[R].2012.

[4] 劉長斌,王韞,孔文.機械手在鍛造生產(chǎn)線上應(yīng)用研究[J].科技資訊，2011（12）：112.

[5] 馬占義,芮執(zhí)元.一種新型鋁錠碼垛機械手的研究設(shè)計[J].新技術(shù)新工藝，2009（8）：63-65.

[6] 李尊榮，付翔.現(xiàn)代鍛造生產(chǎn)線的設(shè)計[J].鍛壓技術(shù)，1996，21（3）：7-12.

[7] 陳霄.PLC在鍛造操作機械手中的應(yīng)用研究[J].電子機械工程，1995（2）：37-41.

本項目是沈陽市科學(xué)技術(shù)計劃項目，項目編號：F13-015-2-00。