工业机器人在球墨铸铁管生产线上的应用

习 杰 李 军 申 勇

（新兴河北工程技术有限公司，河北邯郸，056001）

0 引言

近年来，随着人们对机器人的认知与普及，其应用已遍布各行各业。机器人的应用优先从物流、服务、食品、汽车、家电、电子等行业展开，逐渐扩展到钢铁、冶金、铸造等基础工业行业。

岗位人数多、工作环境差、劳动强度高、安全管理不到位、产品质量不稳定一直是重工行业的五大痛点，面对这五个难题，行业对机器人的需求迫在眉睫。但是一些重型工业采用工业机器人面临的难度很大，比如铁水等热态环境、粉尘干扰环境、工件的不一致性等等，其不确定因素造成的原始数据不稳定，难以准确检测和采集，是机器人应用推广的重要壁垒。

近年来，随着机器人构成基本元素——高精度检测元器件的飞速发展，助力了工业机器人在铸造冶金等重工行业的应用，加速了其推广的速度。下面简述工业机器人在国内球墨铸铁管行业的探索应用。

1 球墨铸铁管生产线的现状

从上世纪70年代中国引进第一条球墨铸铁管（以下简称铸管）生产线以来，目前国内铸管产能达到每年600～630万吨水平，并且以每年20～30万吨的平均产能增加。国内铸管生产线达到70～80条，但是铸管生产线的装备水平并没有呈现加速提高态势，目前基本分为三种情况。

1.1 半机械化生产线

该种生产线建设时间多集中在2008年以前，装备自动化率低于30%，仅在个别重要设备上采用半自动化操作，比如离心机、退火炉、水压机等等。该类生产线设备多采用手工操作生产，可完成功能性生产作业，人工密集度较大，铸管产品质量波动较大。

1.2 自动化生产线

2008年～2014年间，随着国内铸管市场的发展，国内以较快的速度陆续安装了一些铸管生产线，这阶段生产线装备的特点是：所有专机设备基本达到了机械自动化水平，工人在操作台上进行按钮操作，以完成一个个工序的动作；数据的自动采集没有实现，离心机、水压等重点岗位的生产数据，依靠人工录入来完成，没有科学客观的依据，且由于数据源的真实性问题，导致质量追溯和分析困难。另外，在专用设备之间连续和辅助等工序还需要人工干预。在这一阶段，市场对产品质量的一致性的要求，是推动装备机械自动化改进的动力，装备自动化率达到了50～60%左右。

1.3 初级数字化生产线

2015年以后，随着人力成本的逐年增高、在产品的成本构成中占据的比例递增，一些环境恶劣、强度较高的岗位招工难度越来越大。同时，在另一方面，国内市场竞争中价格占比较大，因此铸管企业从其他行业中寻求机器代人的应用实例，希望在本行业中推广应用。

另外，专机的自动化水平随着检测和控制元件的技术提高，也在逐步提高，达到了一键操作的水平。在工艺数字化控制水平达到一定高度的情况下，减少人工干预成为产品高质量的保障之一。对此，国内一些企业正在做这方面的努力和尝试。

2 工业机器人在铸管生产线上的应用探索

2.1 生产中典型工序分析

离心铸造球墨铸铁管生产在以下几个方面是生产企业面临的痛点：人工密集大、劳动强度高、工作环境劣、质量追溯难等等，在几个典型工序上，痛点问题尤其突出。

2.1.1 质量追踪工序

在生产中目前通常的做法是：在铸管管身上人工书写标记，在生产过程中，铸管外表面经过几道工序的作业，退火处理、表面喷锌、表面涂刷沥青等等，需要反复对该标记重新书写录入，其中，一时疏忽导致记录错误的情况时有发生。当铸管产品到达工地、施工使用当中发现问题时，根据管号查找生产单位，查找当时生产环节，进行质量分析等等，这时就会发现对应性较差，不能准确地对应找到当时所留存的生产信息。因此，铸管管号代表的信息量非常重要，那么给铸管带上永久“身份证”就是当前生产环节亟待解决的问题。

图1是目前国内铸管企业生产线上普遍使用的管号记录办法。

图1 现场工人书写管号过程

2.1.2 离心机上芯工序

目前砂芯全部依靠人工搬运，每天工人的劳动强度非常大，以DN600砂芯为例，其重量为～28kg，按照每小时产量～35支，一班工作8h计算，该岗位工人每天搬运28kg砂芯280次，工作强度较大。DN1000规格砂芯重量为～72kg，需要两个工人抬，劳动强度大且增加一倍人力。在该工序上应用工业机器人尤其急迫。

图2为人工上芯生产工序。

图2 人工上芯工序

2.1.3 承口打磨工序

铸管的内外表面质量关系到使用寿命周期，打磨工序因铸管产品差异性，采用机械装备处理效果不理想，往往使用一段时间后由人工打磨代替，由此噪音和粉尘带来不良环境对工人身体健康影响较大。图3为现场打磨工序。

图3 生产过程中的打磨工序

2.1.4 水泥涂衬上下堵头工序

这两个工序是典型的人工密集区，上堵头需要充气密封，下堵头需要泄气冲刷，前后两个工序虽然相隔不远，但是生产线上作业工人连续重复动作达到上百次，劳动强度比较大。故在此工序采用机器人作业，对降低人工成本意义重大。图4为铸管上堵头作业工序。

图4 人工上堵头工序

2.2 探索应用成果

生产上的迫切需求就是研发的动力。在经过反复工艺试验，机械手工装反复设计修改后，笔者团队用一年多的时间在生产线上成功研发了砂芯刻字机器人、上芯机器人、打磨机器人、上下堵头机器人等等工业机器人，并推广应用在多个铸管企业。

下面以打磨机器人为例，解析在铸管产品上应用机器人的研发过程。

采用离心铸造工艺生产出的球墨铸铁管，在铸管承口部位存在着不同程度的黏砂、毛刺、铁渣等缺陷，造成铸管铸造出来后，承口部位的沟槽处凹凸不平，在施工连接时承口处要安装密封圈，如果承口处不平整，在铸管连接处将存在输送介质泄露的风险。因此需要对铸管承口部位进行打磨，使其表面平整整洁。目前大部分铸管生产厂家对此问题，均采用人工打磨的方法，这样的处理工作造成工人的劳动强度大，产生的噪音严重影响工人健康，而且生产效率低，一根铸管平均打磨时间为3～5min，且打磨后的产品质量一致性差。图5是铸管承口需要打磨的部位示意图（红色部分）。

图5 铸管承口需要打磨的部位

2.2.1 确定打磨的合理轨迹流程

首先需要确定打磨的合理轨迹流程,包括：传感器测量铸管端面位置 → 磨头进d2面 → 转动铸管、启动磨头→d2、d3、d5面清砂、打磨铁渣 →倒角 →铸管停止转动。

图6 铸管承口打磨轨迹的确定

2.2.2 恒力机构研发

国内抛光打磨行业现有的恒力输出装置通常采用变频器、驱动器、伺服电机和PLC控制系统来保持恒定输出力，但是这类装置（在考虑摩擦力的情况下）的响应速度不快，稳定性不高，精度不够准确，而且可应用的范围受到限制，通用性不强。有些企业采用直线电机和传感器装置来保持恒定输出力，但是在抛光打磨作业时所受扭矩比较大，现有的装置机构难以承受如此大的扭矩。为了克服现有的机器人末端装置难以实时输出恒力、响应速度不够快、精度低、稳定性差、通用性不强、无法承受较大扭矩等缺点，笔者团队研发了一种通过调节气压阀门控制末端工具与接触面保持恒定接触力的恒力控制机构。

图7 磨头机构设计

2.2.3 打磨机器人机构组成

笔者团队设计的机器人采用6轴机器人，其自由度高，可以完成复杂动作。

1）打磨头：由X、Z轴恒力控制机构电、主轴和金刚砂轮磨片组成，具备抗冲击及磨头位置异常自动故障诊断/报警功能。

2）恒力机构：Z轴恒力机构通过比例阀控制压力，确保砂轮与磨削面紧密接触，提高打磨效率；X轴恒力机构：通过比例阀控制压力，与Z轴恒力配合完成立面等复杂位置的打磨需要，提高打磨效率。

3）位置检测反馈：当磨轮在各打磨面进行切换时，机器人可对当前位置准确与否进行判断；当打磨面有粘贴异物时，亦可进行感知反馈。

4）磨头前方：安装有吹气清扫机构，保障打磨位置无磨渣堆积。

图8为生产现场正在使用的打磨机器人。

图8 现场打磨机器人

目前已有许多其他工序机器人经过工艺试验并成功投用到生产线中。下面是一些岗位使用机器人的现场图片，表1为机器人应用列表。

图9 刻字机器人

图10 上芯机器人

图11 上下堵头机器人

表1 铸管生产线上机器人类型列表

2.3 生产线应用对比

目前笔者单位生产线上机器人数量达到45台，在人员重复工作、高强度劳动的生产岗位上均投用了工业机器人，同时为了进一步建设数字化工厂，在测量、检验、运输等岗位也应用了机器人，以保障数据流转及上传的真实、自动、及时性，为工厂制造系统执行MES的架构打下基础。

表1是应用机器人的工序和人员优化情况。以某单条生产线核算，仅机器代人就减少约40人工作岗位，按照人均收入8万元/年，一年的人力成本减少约320万元，极大提高了企业的经济效益，同时为企业数字化转型奠定了基础。

3 结束语

随着工业机器人在铸管生产线上成功应用，下一阶段，笔者团队将在多个生产线上进行快速普及机器人应用，以提高产品质量，解放出更多劳动力；并进一步探索生产线上热态工业区域机器人应用。

工业机器人的广泛应用是工业发展的大趋势，人机结合的生产线在各行各业应用中会越来越普遍。随着集成机器人视觉、判断、保护、仿真等功能的完善，其智能化元素为制造业的升级改造奠定了基础。相信在不远的将来，在重型钢铁、冶金、铸造行业一定能够实现真正意义上的智能制造生产线。