柔性热锻线机器人应用系统构建及其实验研究

周营平

摘 要：如今工业机器人已成为制造业中不可或缺的工具，柔性热锻机器人系统便是智能机器人在热锻线的实际应用，对于提高生产线的柔性化很有意义。应用过程中，机器人选型和上下料系统的构建对生产极其重要，合适的热锻线上下料的构建将会大大提高企业的效益。该文对热锻上下料系统机器人的选型进行了简单介绍，分析指出了柔性热锻线机器人上下料系统相关功能部件的构建注意事宜，并对柔性热锻系统的实验研究提出了合理的实验方法。

关键词：机器人 热锻上下料 构建 实验研究

中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（a）-0001-02

1 柔性热锻线机器人选型

热锻是热锻生产企业的核心加工环节，在进行柔性热锻线机器人选型之初，必须先了解热锻件的相关加工工艺要求，根据生产设备，模具、现场环境等情况，配备合理的辅助工装来满足工艺、设备兼容等问题，最后选择满足生产要求的机器人及方案布局。

热锻行业使用的设备各异，工作空间狭小，考虑其上下料系统的通用性，该文以6关节机器人的圆棒热锻上下料来介绍机器人和相关辅助件的选型。由于篇幅限制，只简要列出了选型方式核心思想。

（1）初期结合零件热锻工艺、设备参数、热锻模具定位精度、生产节拍、生产场地环境及设备布局来确定机器人需求的数量、运行速度、定位精度、臂展行程，确定机器人初始的摆放位置。（2）结合设备开合高度、模具尺寸、热锻模具的工件出模方式，构建出满足机器人手臂不进入模具的工件抓取结构及手指夹片长度，由热锻毛坯材料、规格尺寸、重量、工件抓取位置，结合手指长度确定行程≥10 mm和夹持力≥12倍工件重力摩擦力的夹持力的气缸型号。（3）由夹持夹具和工件的总重量、总惯量确定满足负载及惯量要求的机器人，结合机器人重复定位精度、臂展及防护等级，选定机器人型号。（4）由热锻设备上的模具合模面至地面的高度及机器人上下料的运动范围预确定机器人的底座高度，上料下料仓等辅助部件高度。（5）结合机器人位置，组合热锻设备、模具、机器人底座、上料装置进行上下料动作的干涉模拟，完成位置的校验及调准，之后再确定产线需求的配套附件。

2 热锻上下料系统构建

2.1 加工单元标准配置

坯料经加热后，通常需2次或2次以上热模锻加工，本柔性热锻线以2次热锻加工为例作柔性热锻线机器人上下料介绍。系统由2台热锻机、2台关节机器人、2套抓手、2套机器人底座、1台中频炉、1套上料装置、1套冷却装置、1套成品仓、1套电气系统等设备组成（见图1）。

2.2 工作流程

2台机械手各装一个手爪，负责2台热锻机的上下料任务，机床加工期间机械手完成工件的交换任务，不占用机床加工时间。流程如下：（1）毛坯从上料装置分料至导向槽形成一字排列，推送气缸将毛坯依次推送至中频炉加热。（2）加热完成的坯件从中频炉滑至末端定位机构，当感应器检测有毛坯来料时，机械手I执行抓料动作。（3）机械手I取毛坯后移至熱锻机1工位上方，松手爪放工件至工位，机械手移出。发出信号后，热锻机上模向下运动，完成半成型动作；上模上移，发出信号后，机械手I进行抓料动作。（4）机械手I取冲压半成品，移至热锻机2工位上方，松手爪放工件至工位，机械手移出，发出安全信号后，热锻机上模向下运动，完成成型动作，上模上移，发出信号，机械手II进行抓料动作。（5）机械手II抓取热锻成品，将其放至冷却装置上，冷却完成后，将其放至成品仓。（6）机械手I返回来料装置上方，准备抓料动作，如此循环。

2.3 柔性热锻线上下料系统的构建注意事项

（1）热锻液压机：完成各种锻造工艺的锻造设备，是锻造行业使用最广泛的设备之一，其开合状态需增设开合到位的检测信号，与机器人进行信号通信，实现机器人上下料的安全运行。（2）机床压锻模具：①热锻上模、下模须有脱料机构，防止热锻件粘模；②工件在下模须有放料定位及导向装置，方便机械手取放；③增加高温物料检测信号。（3）机器人抓手：手指采用耐高温的材料加工并使用隔热材料与气缸隔开，阻挡热量传递，保护气缸和机器人本体。（4）上料装置：上料装置由料仓、分料装置、工件推送导向槽装置组成。分料装置的气缸推料板厚度及斜角按圆棒料直径合理设计，要求气缸带动推料板作上下往复推料动作能实现圆棒料自动滚落至导向槽。（5）中频感应电炉：推送气缸将导向槽的工件送至中频感应电炉的感应圈，之后被快速加热到发红状态，然后出料，其出料口需设置满足机器人取料用的挡料定位装置。（6）控制系统：平台需具有良好的开放性，支持I/O点的逻辑控制，方便第三方软硬件的集成，拥有总线流程监控，报警及信息处理功能。（7）冷却装置。经两次热锻成型后，工件温度已大幅衰减，冷却装置需根据工艺需要按需配置。旋转料台上方设置冷风气嘴，旋转过程中工件以吹冷风实现工件冷却，其出风温度、压力及流量需可调节。

3 实验研究

对于柔性热锻线机器人应用系统的实验研究可以分为两步进行。

3.1 离线仿真实验

利用合适的离线仿真软件，设置好机器人及各功能部件的仿真环境，按照预先逻辑构建的系统进行虚拟仿真，模拟完成各功能部件的所有工作任务，检验机器人动作干涉、产线I/O逻辑控制问题，评估产线生产节拍及产能，优化机器人轨迹程序，实时调准各功能模块相对位置，满足产线生产要求。

3.2 在线验证

在离线仿真校准完成后，可投入产线部件的加工制作。为了保证系统构建的可靠性，产线生产前需要：（1）检测识别高温红色物体的传感器的可靠性，毛坯加热至锻压温度后，使烧红工件以1 m/s的速度一字快速流过，反复测试传感器对烧红后物体的稳定识别性能。经检验基恩士LR-TB2000数字激光传感器可满足使用要求。（2）检测机器人手抓手指材料的耐高温性，毛坯加热至锻压温度后，依次一字出料，连续执行30 min以上机器人的取料上下料试验，机器人手抓手指每次接触烧红热锻件12 s以上，然后验证工件放置至热锻机床模具的位置是否有跑偏误差现象，以检验手指材料、结构在高温环境下的使用性能。经验证，手指使用淬火硬度≥52HRC的SDK61热作模具钢满足高温稳定使用的要求。

4 结语

该文结合个人工作经验对机器人的柔性热锻线上下料系统进行了核心思想的介绍，最后构建了加热、上下料、热锻等的全自动化柔性热锻线机器人应用系统，可极大地满足热锻行业的自动化生产，具有很大的参考价值。

参考文献

[1] 王嫦美.柔性热锻线机器人选型与上下料系统构建及其实验研究[D].秦皇岛：燕山大学，2013.

[2] 周玉林，张志强，侯雨雷，等.热锻线机器人与压机动作协调方法[J].制造技术与机床，2013（1）：77-80.

[3] 高长利.论汽车制造企业柔性自动化装配生产线应用[J].华章，2012（36）：351.