工业机器人在铸造中的应用分析解析

课程论文

题目工业机器人在铸造中的应用学院材料学院

专业材料成型及控制工程

班级

组员

（排名不分先后）

2013 年 5 月9 日

工业机器人在铸造中应用

一、历史与发展 (2)

二、基本机构组成 (3)

三、工作原理 (4)

四、在铸造中的应用 (6)

一、历史与发展

工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术。工业机器人是精密机械技术和微电广技术相结合的机电一体化产品，它在工厂自动化和柔性生产系统中起着关键作用。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

一般来说，工业机器人的显著特点有以下四个方面：

(1)仿人功能。工业机器人通过各种传感器感知工作环境，达到自适应能力。在功能上模仿人的腰、臂、手腕、手抓等部位达到工业自动化的目的。

2)可编程。工业机器人作为柔性制造系统的重要组成部分，可编程能力是其对适应工作环境改变能力的一种体现。

(3)通用性。工业机器人一般分为通用与专用两类。通用工业机器人只要更换不同的末端执行器就能完成不同的工业生产任务。

(4)良好的环境交互性。智能工业机器人在无人为干预的条件下，对工作环境有自适应控制能力和自我规划能力。

工业机器人的发展过程可分为三个阶段：

第一代机器人就是目前工业中大量使用的“示教再现”机器人，主要由夹持器、手臂、驱动器和控制器组成。示教内容为机器人操作机构的空间轨迹，作业条件，作业顺序等。示教方法可以是操作者“手把手”直接做，或与计算机编程结合．通过示教存储信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作．广泛用于上下料、焊接、喷漆和搬运。

第二代机器人是带感觉的机器人。能获取作业环境，操作对象的简单信息，通过计算机处理和分析，对外界信息进行反馈，采用自适应控制，从90年代起进入实用阶段。

第三代机器人即智能机器人，是指只有适应性的自治机器人，能理解指示命令，感知环境，识别对象．具有知识库和专家系统，在作业环境中能独立工作，目前还处于实验阶段。

其未来的发展趋势是：

(1)提高运动速度和动作精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块组合化：将机器人的回转、伸缩、俯仰利摆动等各种功能的机械模块和控制模块、检测模块组合成结构和用途不同的机器人；

(2)开发新型结构，如开发微动机构保证动作精度；开发多关节、多自由度的手臂和手指；研制新型的行走机构，以适应各种作业需要。

(3)研制各种传感检测装置，如视觉、触觉、听觉和测距传感器等，用传感器获取有关工作对象和外部环境信息，来完成模式识别，并采用专家系统进行问题求

解．动作规划，采用微机控制。机器人可代替人完成重复的、繁琐的或危险的劳动，组成单机自动化或自动生产线，提高劳动生产率。工业机器人已广泛应用于焊接、喷漆、装配、核能、医疗和搬运等工作领域。

二、基本机构组成

工业机器人由三大部分、六个子系统组成。三大部分是：机械本体、传感器部分和控制部分。六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感知系统、机器人—环境交互系统、人机交互系统以及控制系统。如图1所示。

图1 机器人的基本组成

1、驱动系统

驱动系统主要指驱动机械系统的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为电动、液压、气动三种以及把它们结合起来应用的综合系统。驱动系统可以与机械系统直接相连，也可通过同步带、链条、齿轮、谐波传动装置等与机械系统间接相连。

2、机械系统

机械系统又称操作机或执行机构系统，它由一系列连杆、关节或其他形式的运动副所组成。机械系统通常包括机座、立柱、腰关节、臂关节、腕关节和手爪等，构成一个多自由度的机械系统。工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端执行器三大件组成。每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。若机身具备行走机构便构成行走机器人；若机身不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端执行器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是两手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊枪等作业工具。

3、感知系统

感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状

态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。人类的感知系统对感知外部世界的信息是极其灵巧的，然而对于一些特殊的信息，传感器比人类的感知系统更有效。

4、控制系统

控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。控制系统根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统；根据控制运动的形式可分为点位控制和轨迹控制。

5、机器人—环境交互系统

工业机器人环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。工业机器人可与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备及多个零件存储装置等集成为一个执行复杂任务的功能单元。

6、人机交互系统

人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置，例如，计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板及危险信号报警器等。归纳起来人机交互系统可分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。

三、工作原理

１、机器人的运动

机器人的机械结构在各种驱动、传动装置及控制系统的协同配合下，在确定的空间范围内运动。一般情况下，机器人的运动范围是指手部以及工件（或工具）在空间的运动范围和所能达到的位置。而手部在空间的位置，是由臂部、腕部以及整机各自独立运动的合成来确定的。例如，图２所示的机器人，臂部在Ｘ—Ｏ1—Ｙ面内有三个独立运动———升降（L1）、伸缩（L2）和转动（φ1）；腕部在Ｙ—Ｏ1—Ｚ面内有一个独立的运动———转动（φ2）。

图２五自由度机器人简图

图２所示的机器人手部轴线在Ｘ—Ｏ1—Ｙ面内，所以整个手部位置的最后

确定只需再加一个独立变量———手部绕自身轴线（Ｏ3—Ｃ）的旋转φ3 。机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。目前通用的工业机器人大多为３～６个自由度。

2、机器人语言

机器人编积语胃是人与机器人迟行对话的工具及通讯的接口。目前有三种机器人编程方法。

（1）示教编程

示教编程用于示教再现型机器人中，它是目前大多数工业机器人的编程方式，在机器人作业现场进行。所谓示教编程，即操作者根据机器人作业的需要把机器人末端执行器送到目标位置，且处于相应的姿态，然后把这一位置、姿态所对应的关节角度信息记录到存储器保存。对机器人作业空间的各点重复以上操作，就把整个作业过程记录下来，再通过适当的软件系统，自动生成整个作业过程的程序代码，这个过程就是示教过程。

（2）离线编程

离线编程是在专门的软件环境支持下用专用或通用程序在离线情况下进行机器人轨迹规划编程的一种方法。离线编程程序通过支持软件的解释或编译产生目标程序代码，最后生成机器人路径规划数据。一些离线编程系统带有仿真功能，这使得在编程时就解决了障碍干涉和路径优化问题。这种编程方法与数控机床中编制数控加工程序非常类似。离线编程的发展方向是自动编程。

（3）机器人语言编程

机器人语言编程即用专用的机器人语言来描述机器人的动作轨迹。它不但能准确地描述机器人的作业动作，而且能描述机器人的现场作业环境，如对传感器状态信息的描述，更进一步还能引入逻辑判断、决策、规划功能及人工智能。机器人编程语言具有良好的通用性，同一种机器人语言可用于不同类型的机器人，也解决了多台机器人协调工作的问题。

机器人的工作原理是一个比较复杂的问题。简单来说，其原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。其实质为由外部传感器引导，带动一个或多个末端执行器，通过可编程运动，自动的实现手部作业的动作功能及技术要求。从控制的角度，可分为四种方式。

1）“示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记录下来，然后机器人按照记忆周而复始的重复示教动作

2）“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。

3）“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。

4）“自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。

四、在铸造中的应用

工业机器人最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运：工业机器人延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害、有意、低温和高热等筋劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。工业机器人与数控加工中心，自动搬运小车以及自动检测系统可组成柔性制造系统(FM5)和计算机集成制造系统(CIMS)，实现生产自动化。随着工业机器人技术的发展，其应用已打展到宇宙探索、深海开发、核科学研究和医疗福利领域。在此主要讨论在铸造方面的应用。

机器人在铸造业中的应用首先是从压力铸造开始的。最早的有记录的机器人应用是1961年，在美国福特公司的一个铸造厂中作为一台压铸机的辅助设备。它的主要优点是能够保证操作者的安全，并能预测产量和保证零件质量。随着机器人技术和工业技术的发展，对生产过程提出了更高的要求，尤其是操作过程的柔性化。工业机器人的真正的潜力正在逐渐被认识。机器人比专用设备更经济的关键原因是它具有执行各种任务的能力。在压铸行业中，机器人可以完成诸如将金属型放入压铸机，从压铸机中取出铸件、切除浇口、去毛刺以及装配等各项任务。机器人不但可以完成各不同的工作，而且可以利用最少的投资，通过编程和更换夹具来完成更进一步的工作。机器人不仅在压铸工业中取得了很成功的应用，而且在砂芯制造中也有着大量的应用。因为砂芯的需求量非常大，而工业机器人能够准确灵巧的运送、装配相当精巧但又很重的砂芯。

除此之外，机器人在铸造的整个过程中都有着独特作用。

1、机器人在造型中的应用

在自动造型的某些场合, 要求人必须十分敏捷, 这时机器人的应用有显著的重要性。例如对模板、砂型、金属板的喷吹, 又如对模板、金属型的喷涂料等, 机器人模拟人手的动作，控制压缩空气喷咀或涂料喷枪以某一角度或位置对准喷吹对象工作。机器人已用于组合型芯和下芯, 对于型芯或组芯上涂料或侵涂料。在专用机械的基础上, 机器人可用于更换模板。简易的机器人巳用于开浇口杯钻出气孔。机械手用于修型, 搬动型芯砂箱和铸型。

在许多国家机器人较多地用于铸件清理,但在美国造型制芯车间里用的机器人数量比清理车间用的还要多。原因之一可能是因为清理车间有足够的劳力及使用机器人并不经济。

2、机器人在落砂中的应用

机器人已用于从砂箱巾拔取已凝固的单个铸件或成束铸件, 其优点是型芯与铸件一起整体取出, 芯砂与旧砂不会混在一起, 这使旧砂再生的工艺简化。笔者于1979 年1月在联邦德国本茨汽车厂的曼海姆铸造车间BMD 造型线上, 看到落砂时用机械手取走铸件。机器人可把落砂后的各种铸件分类取出并传递到所要求的工位上。在落砂切上连接上矩形溜槽, 在溜槽旁安置机器人即可实现。

使用机械手从落砂机上取下中大铸件的情况已湃常见了。英国铸铁研究协会液压关节式机械手起重力为3000kN ,液压抓钩回路中装有液压蓄能器, 在主回路压力波动时能维持抓力。带有玻璃窗的操作室安装在手臂上, 并可将机械手放在电动小车上, 在车间内来回工作。联邦德国AST机器人公司AM系列机械手, 可手动、半自动和自动(示教机器人), 有固定式和移动式两种。起重力300～20000kN ,带有密闭的操作室。为避免从落砂机上取铸件时受振动而损坏, 机械手装有减振器。为夹住铸件而又不夹坏铸件或引起铸件变形, 机械手装有夹紧力反馈系统,

使操作者可精确地感到所夹铸件的力量。使用 A M系列机械手后, 可省劳动力40～70% , 还可用残废人来操纵机械手, 一般投资回收期为1～3年。我国潍坊柴油机厂也采用AST公司机器人取落砂后的气缸体铸件。

3、机器人在切割浇冒口中的应用

机器人切割浇冒口有两种方法。一种是机器人操纵乙炔切割器或等离子弧切割器；另一种是机器人和砂轮切割机配合。捷克国家材料科学研究所研制并用于火车铸件厂的机器人切割设备就是采用第一种方法。两个机械手布置在直径为2m 的转台上, 转台每转180°, 将一个未切割的铸件送到操作室内的机器人旁, 同时将一个已割去冒口的铸件送到室外。一名工人只需用吊车在外面的机械手的夹具上更换铸件。气割下的冒口落入低频振动槽并输送到室外的箱子内。

4、机器人在清理精整铸件中的应用

（1）机器人清理铸件的经济效益分析

铸件清理是对人体健康极有害的工种, 用机器人来代替是项很有意义的工作, 近20年来, 铸造工作者为此努力, 有成果也有教训。这项工作是试图使清理工序从一个十分简陋的劳动密集型生产直接跨入高技术范畴的过程,这样就陷于在一个难度很大的应用领域中从事开发工作。在联邦德国机器人应用于清理铸件的实例中多数仍不成功。如曼海姆的John Deere公司曾试图用机器人操纵工具磨削用夹具固定的铸件, 但铸件并不能清理干净, 而且生产率低。在路易特玻尔德铸造厂, 机器人用于气缸体清理, 但与人工操作相比, 清理速度太慢,只好将机器人调走。仅知道在联邦德国有3～4台机器人在铸铁厂清理车间使用。在民主德国有10 台, 但不经济。对于评价机器人的应用是否经济, 要考虑各方面因素。例如原清理设备已老化, 不再属于先进水平, 机器人则似乎有竞争性。又如由于某些人为因素, 清理工的生产率太低时, 应考虑是机器人提供好的工作条件可以提高经济效益呢, 还是改善组织管理并进行常规的技术改造更能提高经济效益。

（2）机器人清理铸件的基本要求

无论是采用机器人通过夹具操作铸件, 还是采用机器人操作工具, 均要求能快速替换夹具或工具；对不同铸件, 机器人的清理程序可以变化；有自动辨认铸件的系统；有一套能把铸件按随机顺序、随机位置和随机方位送往机器人清理工位的操作设备。

（3）机器人清理铸件的基本形式

1)机器人操作工具

机器人操作工具是现在应用的趋势, 见图3 所示。

2)机器人交替操作工具和铸件

在瑞典阿尔维卡(Arvika) 的富豪汽车零件厂，机器人清理铸件的第一步是机器人操作砂轮切割机取出铸件的冒口, 第二步是机器人把铸件抓起来, 送到砂轮机进行磨削。由于配置了很大的贮存架, 机器人可在没有操作员介入下连续工作8 小时。

3)机器人铸件清理单元为了更有效地使用机器人, 由一台或几台机器人, 配以清理铸件所需用的工具和铸件搬运装置等组成铸件清理单元, 使之成为一个高效、优质、安全、经济的集成工作站。

5、铸造柔性加工单元

采用智能机器人组成的柔性集成工作站,使其适应各种批量的铸件生产的实践, 已在压铸和铸件清理方面取得了一定的效果。

（1）铸件柔性清理单元

智能机器人主要有认别系统和适应控制系统的功能。识别系统的作用是: 对被清理的铸件不需事先用人工分类, 而是由机器人确认要清理的铸件, 检出其他物件和不合格的铸件; 确认铸件是否处于需清理的状态和符合机器人操作所需要的正确位置, 纠正其不正确的状态和位置, 根据清理对象, 自动选择清理程序; ?确认已清理好的铸件, 将其分类放到各自的堆存处。图4所示是识别系统一例。铸件由输送带送到自动称量装置, 称重量并鉴别是否留有型芯。此后铸件被送到摄象机处确定其所需清理的部位。计算机将所得重量、图象及各项参数与已输入的数据进行比较, 如符合公差范围要求, 则铸件被确认, 并开始接受清理。适应控制系统的作用是, 针对铸件披缝的尺寸和形状往往有较大差异的情况, 该系统能根据差异自动控制切除过程, 使之最后符合工艺要求。

图4识别系统示意图

1 .胶带输送机

2 . 翻转回转装置

3 . 摄像机

4 .自动称量装置

（2）压铸柔性加工单元

压铸柔性加工单元包括自动压铸机、自动喷涂机械手、自动浇注机械手、自动取件机械手, 有的还包括切边校正压力机和铸件成型情况检查装置。

在铸造行业中引进机器人有着以下的优点。

1、速度快、生产率高

铸造业中的机器人有很大一部分从事搬运、装配等工作，在这些机器人所处理的工件中，大多具有体积庞大、非常沉重的特点，有些工件的重量甚至可达100kg以上。人工不易搬动，如果采用吊车等辅助工具，移动速度很慢，而且工

件的位置不容易控制。机器人可以轻易地搬运非常沉重的工件，只要该工件在机器人的有效载荷范围内，机器人就可以轻而易举地快速移动各种沉重的工件，从而大幅度提高生产率。

2、精度高

机器人不但运动速度很快，而且具有非常高的运动精度。同时，机器人还具有非常高的重复精度，以保证每次都能够沿着相同的路径运动．因此可以完成非常准确的定位工作。尤其在工件很重，而且有些部位又非常脆弱的情况下．就显得非常有意义。对于这些工件而言，在人工或采用辅助装置进行搬运时，很容易造成脆弱部分的破损，有时甚至有可能产生废品。由予机器人具有很灵活的运动轨迹，可以完成各种复杂的装配工作，而且每次都能将工件放置在相同的位置，因此能够大大降低工件在搬运过程中的破损率，降低生产成本。

3、效率高、实现柔性化生产

机器人能够同时完成各种不同类型的工作，它能够在很短的时间内完成从射芯机中取出砂芯、装配、上涂料、最后进行储存这一系列工作。如果这些工作由人工或者某些专用工具来完成的话，由于速度较慢，会延长生产节拍；同时，由于不同的工作要由不同的设备或者人来完成，设备的占地面积也会增大，从而增大了生产成本，降低生产率。另外，在制芯过程中，如果使用专用设备来进行砂芯的运输、装配等工作，那么该设备只能适用于很少形状相似的砂芯。如果用户需要另一种形状变化较大的砂芯，那么就必须更换所有的设备这必然会使成本大大增加，而且生产周期也会延长。而如果使用机器人来工作时，只需更换机器人的夹具和程序即可，这就可以在很短的时间内完成，从而大大加快生产节拍，缩短转换时间，使生产率有很大的提高。因此机器人对于小批量、多品种的生产方式而言，是一种非常适合的工作方式。

4、经济效益好

在西欧、北美、日本等地的铸造业中，使用机器人的最大的优点就是价格要比人工便宜。从而可以大量节省成本，提高利润。机器人生产系统中最昂贵的部分并非机器人本身，而是系统的周边设备。一个机器人自动生产单元不仅包括机器人本身，还必须有各种和机器人协调工作的其它辅助装置。系统的周边设备是构成系统的关键设备，它所具有的投资往往超过机器人的投资。周边设备大体包括供料装置、精确定位装置及输送装置、末端执行器(手爪和夹具)以及自动检测装置。

尽管机器人有这么如此多优点，但在实际应用中仍有着不足之处。

1、夹具设计比较困难

由予机器人在铸造工业中的应用时间较短，因此目前并没有一些标准化的产品系列，对于各种不同类型的砂芯需要设计不同的夹具，而且对夹具的功能也有比较高的要求。目前的夹具大都为气动式夹具，由压缩气体产生的压力来夹紧工件对于某些形状非常复杂的砂芯，由于芯子较重，因此夹具需要有较大的压力。但同时很多芯子的某些部位的壁厚非常小，当砂芯刚从射芯机中取出时，由于其强度不是很高，因此又要求夹具的压力不能太高。因此设计合理的夹具是非常重要的。此外，夹具的价格往往很昂贵，这是在选用时需要考虑的。

2、实现柔性化生产的准备工作比较复杂

为了实现机器人的柔性化生产，需要进行大量的准备工作。对于不同种类的芯子，需要准备不同的夹具。另外，对不同的芯子，也需要不同的机器人程序。这些准备工作都必须在机器人开始工作之前完成。如果芯子种类很多，这些准备工作就会变得很复杂，其费用也将大大升高。这对于一些小的生产厂家来说，比

较难以承受。

工业机器人已逐步在铸造生产中得到应用, 为铸造这个劳动密集型的操作跨入技术密集型生产作出了尝试, 但必须注意其经济效益。尽管工业机器人的应用可以缩短生产周期，提高生产效率，但不能一味追求改革，应根据每个工厂的实际情况来决定引进数量。在大批量生产中，机器人的引进能很好降低成本，解放劳动力。在我国应根据国情, 加快铸造用多关节式机械手的开发工作, 先实行机械化, 再实现自动化, 根据实际需要最后实现智能化。