鑄造是制造業(yè)的基礎(chǔ)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鑄造行業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，但是在發(fā)展過程中鑄件清理自動(dòng)化很少被重視，一直依靠人工打磨。人工打磨車間勞動(dòng)環(huán)境惡劣、安全性差，打磨工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，并容易得職業(yè)病。隨著鑄造生產(chǎn)的規(guī)模不斷擴(kuò)大、環(huán)保的要求不斷提高、人力成本的不斷上升，鑄造清理自動(dòng)化已成為鑄造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

   自從20世紀(jì)60年代誕生了工業(yè)機(jī)器人，它就成為人力的最佳替代方式，替代人工處理重復(fù)性高、定位準(zhǔn)確、危險(xiǎn)性大、批量生產(chǎn)的工作。隨著傳感器技術(shù)、電腦技術(shù)和人工智能的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人逐漸從呆板、機(jī)械向柔性、智能方向發(fā)展，并逐步應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)和其它領(lǐng)域（如航天、醫(yī)療），它也將應(yīng)用于鑄件清理，將人工解放出來，實(shí)現(xiàn)鑄件清理的自動(dòng)化。

1 現(xiàn)有鑄件清理模式

   鑄件清理是鑄造流程的最后工序，圖1描述了鑄件清理的通常流程，其中清砂、粗拋、精拋、機(jī)加工主要由機(jī)械設(shè)備來完成，去澆冒口指人工敲掉殘余澆冒口和排氣針，打磨是對(duì)人工敲掉澆冒口、排氣針的殘余和飛邊進(jìn)行磨削。目前打磨的方式有人工打磨、鑄件磨削機(jī)和機(jī)器人打磨。

（1）人工打磨

   鑄件打磨目前主要是由人工打磨來完成，對(duì)于小的工件，工人拿著工件在砂輪機(jī)、砂帶機(jī)上打磨，對(duì)于大的工件工人拿著手動(dòng)工具配切割片、旋轉(zhuǎn)銼進(jìn)行打磨，對(duì)有色鑄件工人拿錘子、鑿子進(jìn)行清理。

（2）鑄件磨削機(jī)

   鑄件磨削機(jī)主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、曲軸箱等鑄件的多面磨削， 以及同類鑄件飛邊、平面的粗磨削。相比于人工打磨，鑄件磨削機(jī)具有加工效率高、打磨質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。它主要適用于生產(chǎn)批量大的鑄件。

（3）機(jī)器人打磨

   現(xiàn)代六軸工業(yè)機(jī)器人能夠在惡劣的環(huán)境下持續(xù)工作，并能很好地模擬人手臂的各種動(dòng)作，其機(jī)器人打磨主要特點(diǎn)有以下6點(diǎn)：

1）高精度的重復(fù)性：現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人（以Kuka機(jī)器人為例）的空間重復(fù)定位精度達(dá)到0.012mm，保證加工的準(zhǔn)確。

2）高級(jí)控制系統(tǒng)： 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人普遍采用高級(jí)編程語(yǔ)言，可以通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的加工工藝，對(duì)外形復(fù)雜的工件也能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化打磨。

3）強(qiáng)大的擴(kuò)展性：機(jī)器人打磨單元既可以作為獨(dú)立的單元，也可以通過工業(yè)通信方式將機(jī)器人工作單元集成到自動(dòng)化生產(chǎn)性中，通過中央管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單元生產(chǎn)的最優(yōu)化和整線生產(chǎn)效率的最大化。

4）靈活性： 快換法蘭盤使得機(jī)器人能夠快速地更換抓手，實(shí)現(xiàn)一個(gè)單元能夠打磨多種鑄件。離線編程技術(shù)能夠快速開發(fā)新工藝、降低工藝開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，并且無(wú)需生產(chǎn)單元停機(jī)，克服了磨削專機(jī)的缺點(diǎn)。

5）大承載：機(jī)器人的承載范圍從5Kg到1500Kg, 可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要選擇合適的機(jī)器人。

6）大范圍：機(jī)器人的工作可達(dá)范圍從0.5m到3.8m，還可以給機(jī)器人加配第7軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，擴(kuò)大它的運(yùn)動(dòng)范圍。

2 鑄件清理自動(dòng)化的難點(diǎn)

  在人工打磨時(shí)工人能夠通過目視判斷工件的冒口、飛邊的位置、大小，采用合理的打磨工具和打磨方式，通過觸覺感知控制磨削進(jìn)刀量和進(jìn)給速度。而傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備只能按設(shè)定的工藝進(jìn)行工作，這是目前制約鑄件清理自動(dòng)化發(fā)展的瓶頸。圖2列出了鑄件清理自動(dòng)化的難點(diǎn)。

  按GB/T 6414—1999《鑄件 尺寸公差與機(jī)械加工余量》的鑄件公差等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)40-63mm長(zhǎng)的鑄件，按公差等級(jí)9可以允許在長(zhǎng)度方向上有2mm的公差。機(jī)械設(shè)備按設(shè)定程序打磨，將會(huì)出現(xiàn)打磨不到位或打磨過多傷及本體的問題。而且人工處理澆冒口、氣針后的殘余也會(huì)大小不一，鑄造過程中產(chǎn)生的披縫也使得鑄件飛邊的厚度和高度不一，這些因素決定了自動(dòng)化打磨無(wú)法向加工中心那樣設(shè)計(jì)工藝，控制進(jìn)刀量和進(jìn)給速度，對(duì)打磨工具和刀具提出了更高的要求。

  除了打磨工藝之外，自動(dòng)化打磨設(shè)備還要考慮環(huán)保和安全，設(shè)計(jì)吸塵排屑系統(tǒng)，對(duì)于有色鑄件（鑄鋁件、鋁鎂合金）要做防爆設(shè)計(jì)。不同鑄件需要設(shè)計(jì)不同的抓手（機(jī)器人抓工件）和夾具（機(jī)器人抓工具），抓手、夾具的設(shè)計(jì)既要考慮重復(fù)定位的準(zhǔn)確性又要考慮能夠打磨盡量多的部位。

3 機(jī)器人打磨技術(shù)

  機(jī)器人的工作軌跡是事先設(shè)定的，無(wú)法應(yīng)對(duì)鑄件毛坯的公差和飛邊大小不一的問題。傳感器、機(jī)器視覺技術(shù)融入到機(jī)器人應(yīng)用，使機(jī)器人自動(dòng)化打磨成為現(xiàn)實(shí)。

（1）柔性裝置

 所謂柔性裝置是指在保持恒定打磨力的條件下，讓打磨刀具（砂輪、旋轉(zhuǎn)銼）能夠依照鑄件打磨部位尺寸的變換而自動(dòng)發(fā)生偏移或偏轉(zhuǎn)。按其機(jī)構(gòu)和工作原理可以分為電子式和機(jī)械式。

 電子式柔性裝置利用力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打磨力，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)按打磨力的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)器人的姿態(tài)、位置等參數(shù)，通過閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人保持恒定力來打磨鑄件。一維力傳感器只感應(yīng)打磨預(yù)應(yīng)力，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和位置隨著預(yù)應(yīng)力的變化而變化。對(duì)于外形復(fù)雜而且加工質(zhì)量要求高的鑄件打磨采用六維力傳感器，它能感知X、Y、Z方向的力和扭矩，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器調(diào)節(jié)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度、位置、姿態(tài)，保證最優(yōu)的打磨工藝。

 機(jī)械式柔性裝置在打磨過程中隨打磨力的變化產(chǎn)生自適應(yīng)的偏移，保持打磨力動(dòng)態(tài)的平衡。簡(jiǎn)單的打磨可以利用一維柔性裝置，實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向上的自適應(yīng)。對(duì)于外形復(fù)雜的鑄件，例如處理曲線的飛邊，一維柔性無(wú)法同時(shí)響應(yīng)兩個(gè)方向力的變化，就需要二維柔性。和電子式柔性裝置相比較，機(jī)械式柔性裝置的實(shí)時(shí)性更好，但由于無(wú)法感知偏移量，無(wú)法保證打磨質(zhì)量，只能起到保護(hù)工具的作用。格林策巴赫機(jī)械（上海）有限公司研發(fā)了帶柔性反饋機(jī)制的柔性裝置，控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的獲得偏移量，實(shí)時(shí)修正打磨參數(shù)，依據(jù)反饋數(shù)據(jù)繪制打磨刀具實(shí)際的工作軌跡，重而能夠判斷是否清理干凈鑄件，并采取相應(yīng)的措施。

（2）機(jī)器視覺

  柔性裝置給機(jī)器人配上了觸覺功能，那么機(jī)器視覺將給機(jī)器人安上眼睛。如果機(jī)器人有了視覺功能就能夠自動(dòng)抓取工件，識(shí)別打磨部位位置和冒口、飛邊的尺寸，打磨后能夠進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

  利用相機(jī)鏡頭對(duì)鑄件拍照，通過圖片信息處理軟件計(jì)算鑄件的擺放位置，將位置坐標(biāo)傳送給機(jī)器人控制系統(tǒng)，機(jī)器人自行抓取鑄件。這樣可以節(jié)省夾具的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化上下料的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多規(guī)格鑄件的混線自動(dòng)打磨，避免了人工操作錯(cuò)誤。

  利用機(jī)器視覺的三維掃描技術(shù)可以對(duì)鑄件進(jìn)行掃描獲得CAD數(shù)據(jù)，通過和模型CAD數(shù)據(jù)的比對(duì)識(shí)別冒口、飛邊的大小，然后利用離線編程技術(shù)結(jié)合工藝規(guī)則生成機(jī)器人打磨程序，該種方式非常適合大型和特大型鑄件的自動(dòng)化打磨. 機(jī)器視覺還可以對(duì)鑄件打磨后進(jìn)行表面質(zhì)量檢測(cè)，不合格的進(jìn)行再處理。自動(dòng)檢測(cè)保證了大批量生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量，在同一工位發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)處理，節(jié)約了流轉(zhuǎn)時(shí)間和返工成本，如果將檢測(cè)結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)里，還可以提高質(zhì)量追溯性。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化模塊化

  機(jī)器人打磨涉及大量的非標(biāo)設(shè)計(jì)和量身定制，如何提高其穩(wěn)定性、擴(kuò)展性和維護(hù)性一直是一個(gè)難題，標(biāo)準(zhǔn)化系列化開發(fā)是未來的趨勢(shì)。圖4展示的是格林策巴赫機(jī)械（上海）有限公司研發(fā)的緊湊型標(biāo)準(zhǔn)化打磨單元，該單元針對(duì)的是50公斤以下的鑄鐵件，采取機(jī)器人抓工件的打磨方式。單元集成了柔性砂帶機(jī)、柔性動(dòng)力頭、砂輪機(jī)三類打磨工具，鑄件不同部位采用不同的打磨方式，將打磨效率和打磨成本有機(jī)的結(jié)合起來，做到最優(yōu)化。

  采用雙工位旋轉(zhuǎn)臺(tái)上料，旋轉(zhuǎn)臺(tái)上裝帶定位裝置的托盤，安裝旋轉(zhuǎn)臺(tái)上方的攝像頭對(duì)托盤上的工件進(jìn)行類型識(shí)別，和有無(wú)工件的判定，防止人工上料錯(cuò)誤發(fā)生。對(duì)于打磨節(jié)拍快的工件，可以增加視覺的定位功能引導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)抓取鑄件，工人只需將工件放到托盤上。對(duì)于表面加工質(zhì)量高的工件還可以通過視覺進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)打磨不合格的鑄件，可以馬上進(jìn)行精整。在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上方設(shè)有抓手支架，支持單元打磨多種工件。

  標(biāo)準(zhǔn)單元還集成了排屑、吸塵系統(tǒng)，對(duì)打磨的鐵屑、粉塵進(jìn)行回收，降低打磨車間的粉塵污染，通過合理的布局設(shè)計(jì)減少了占地面積、方便了多個(gè)單元在車間里的連排布局，對(duì)于復(fù)雜的鑄件還可以通過多個(gè)單元的組合實(shí)現(xiàn)一次上料自動(dòng)打磨完成，無(wú)需單個(gè)單元的機(jī)器人更換抓手來多次抓取，也無(wú)需人工多次上下料，提高打磨效率。

  單元的控制系統(tǒng)提供友好、簡(jiǎn)便的操作界面，提供鑄件打磨工藝管理功能，一個(gè)類型的鑄件對(duì)應(yīng)一種工藝，操作人員可以按生產(chǎn)計(jì)劃來更換打磨的鑄件類型；提供生產(chǎn)管理功能，記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)；監(jiān)控刀具使用情況，在刀具壽命到期時(shí)，及時(shí)提醒操作員更換刀具；實(shí)時(shí)地監(jiān)控所有的設(shè)備，實(shí)時(shí)提供信息、警告和故障報(bào)警，出現(xiàn)故障后能引導(dǎo)操作員檢查故障原因和恢復(fù)生產(chǎn)。

4 鑄件清理自動(dòng)化發(fā)展展望

  使用機(jī)器人打磨是一個(gè)必然趨勢(shì)，但就機(jī)器人清理自動(dòng)化而言機(jī)器人打磨只是實(shí)現(xiàn)了打磨工序，在各工序間還是由人工完成鑄件的流轉(zhuǎn)，清理自動(dòng)化的方向應(yīng)該是從澆鑄出來到進(jìn)倉(cāng)庫(kù)不落地的在各工序自動(dòng)流轉(zhuǎn)，采用輸送線、AGV小車、機(jī)器人搬運(yùn)等自動(dòng)化技術(shù)將各工序自動(dòng)的銜接起來。在生產(chǎn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上還可以實(shí)現(xiàn)信息流的自動(dòng)化，納入生產(chǎn)實(shí)施系統(tǒng)（MES），通過網(wǎng)絡(luò)采集各生產(chǎn)單元和設(shè)備的數(shù)據(jù)，提供實(shí)時(shí)的生產(chǎn)信息，根據(jù)ERP系統(tǒng)內(nèi)訂單管理信息的變動(dòng)，實(shí)時(shí)的生成和更新生產(chǎn)計(jì)劃。

  總而言之當(dāng)前鑄件清理自動(dòng)化還處于起步階段，在清理工藝的研究、設(shè)備開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理等方面有很大的空間去研發(fā)、開拓創(chuàng)新。