鑄件毛坯表面存在大量的飛邊、毛刺，不僅影響鑄件外形美觀，而且嚴重影響鑄件的產品性能和使用壽命。針對發動機缸體、缸蓋等大型、內腔復雜的鑄件，設計了一種發動機鑄件智能打磨工作站，開發了具有自主知識產權的機器視覺技術、信息化技術等，并進行了應用驗證。通過機器人作業與鑄造工藝、工裝夾具有效融合，產品生產效率提升了20%以上，生產合格率達到了97%以上，用工成本降低了20%以上，顯著改善了清理打磨現場的粉塵和噪音污染等，滿足了打磨機器人在鑄件清理打磨環節日益增多的應用需求。
我國是個鑄造業大國，鑄鐵件產量占鑄件總產量的70%以上，2020年我國鑄件總產量達到5 195 萬t，同比增長6.6%，鑄件的清理是鑄造生產中不可缺少的一道關鍵工序。在大型發動機缸體等復雜毛坯鑄件行業中，清理工序仍處于手持砂輪、風鎬、扁鏟等工具進行作業的水準。目前的鑄件清理以人工為主但生產現場的“臟、亂、差”的現狀嚴重影響工人的身體健康，鑄件清理打磨的機器換人的趨勢迫在眉睫。為了更好地解決鑄件清理打磨機械化與自動化程度低的問題，基于自動打磨自動化技術進行研究，針對現有的鑄造技術加以優化，一定程度上提升了鑄鋼件的清理技術，改善鑄件打磨作業情況，提升企業的生產效率。目前，在各類鑄件生產中，砂處理、造型、制芯等工藝過程已逐步實現自動化及智能化，然而鑄件后處理技術大多仍停留在人工操作階段。同時，企業對鑄件表面質量追求精益求精的態度，使得各種行之有效的鑄件打磨技術及相關設備成為促進鑄造行業發展的剛需。國外基于勞動力的缺乏和工業化的發達，借鑒機械加工設備的經驗開發出了一些鑄件清理設備，投入使用后取得了很好的效果，既提高了生產效率，又減輕了作業者的勞動強度，改善了作業環境，但設備價格十分昂貴自動去毛刺設備視頻，難以普及并廣泛應用。
本文在研究鑄件打磨機理、機器人智能打磨工作站、柔性工裝夾具設計、機器姿態偏差視覺補償系統等鑄件智能打磨關鍵技術的基礎上，研發了一種發動機鑄件智能打磨工作站，整體外觀如圖1所示。
圖1機器人打磨工作站整體外觀
機器人打磨工作站基本實現了技術壁壘的突破，開發了具有自主知識產權的EDRC技術、敏捷保護技術、3D視覺技術、信息化技術等先進技術，并針對柴油發動機機體、缸蓋鑄件披縫、澆冒口及殘根的自動磨削和打磨，構建了智能自動生產線，驗證了所開發的打磨工作站可以滿足打磨機器人在鑄件清理打磨環節高精度、高效率的要求，滿足了復雜曲面中大型鑄件清理自動化、集約化、連續化、智能化高效生產的作業要求。
1機器人打磨工作站組成
機器人打磨工作站是采用機床的高剛性、高效率和密閉防護的設計理念和設計技術，結合機器人高柔性特征，融入數據的可視化和信息集成化技術形成全新的打磨單元。機器人打磨工作站由工件定位系統、安全房和安全鎖等組成的安全防護系統、電主軸、刀柄刀具和三維激光掃描儀等組成的清理加工系統、地基底座、打磨機器人系統、冷卻系統、刀庫系統、液壓系統、氣路系統、軟件控制系統和排屑系統構成。標準化機器人打磨單元如圖2所示。
圖2機器人打磨工作站主要組成
該機器人打磨工作站可以滿足披縫、殘根、毛刺、飛邊等清理打磨的需求，清理打磨后的殘根小于±0.2 mm，其關鍵性能指標如表1所示。
表1機器人打磨工作站關鍵性能指標
2視覺定位系統
視覺定位系統主要由機器人、裝在機器人末端的相機、裝在鏈板線上方相機支架上的相機、視覺控制器等組成，輔助機器人完成鏈板線上單體缸蓋的定位抓取和緩存托盤裝置上工件的定位抓取，其圖像采集效果如圖3。
圖3機器視覺鑄件表面圖像采集
視覺定位系統實現流程如圖4所示，相機安裝在鏈板線上方支架上，當機器人和控制器收到工件到位信號后，引導相機進行拍照，在視覺控制器中對采集圖片進行圖像處理和計算，并將計算結果發送給機器人，機器人根據定位結果抓取工具，并放到輸送裝置上去，一個工作流程便算完成。當機器人和視覺控制器收到下料信號后，機器人攜帶各自的相機走到相機拍照點，視覺控制器通知相機采集托盤中的工件圖片。
圖4視覺定位流程圖
設機器人坐標系為Q，線激光傳感器坐標系為P，P到Q的旋轉矩陣和偏移矩陣分別為R和T，設空間某一點B在Q和P坐標系下的齊次坐標分別為Qb（X，Y，1），Pb（x，y，1），Pb和Qb之間轉換關系如公式（1）所示：
式中：R代表線激光傳感器坐標系到機器人坐標系的旋轉矩陣，t代表偏移量，為標定圓圓心在線激光傳感器中的坐標和機器人坐標系中的坐標的變換關系。
3數據采集系統
打磨工作站控制系統如圖5所示，主體由機器人、電主軸、干燥機、水冷系統、液壓系統、刀具庫和一套工控機組成。系統通過構成分層網絡結構，同時配置激光矯正功能，對鑄件定位和尺寸進行檢查，對打磨機器人打磨軌跡進行調整優化，提高打磨精度。
圖5打磨站控制系統圖
除了基礎的數據監控，平臺還支持更多的展示，如圖6所示，這是發動機鑄件打磨生產線的相關映射，包括現場實時運行的視頻內容、基于數字孿生架構的建模仿真和基礎的機器人狀態監測。在總體頁面內，還有當前現場實時狀況與數據，查看頁面如圖6a所示，可以查看當前生產線具體的實時狀況，包括生產線狀態、完成情況、設備狀態等。同樣的，機器人運行狀態也有監控，如圖6b所示，可以查看機器人主軸詳情，狀態、能耗、產量等。
圖6數據監控平臺
4應用驗證
采用機床的高剛性、高效率和密閉防護的設計理念和設計技術，結合機器人高柔性特征，融入數據的可視化、信息集成化和自動輸送技術形成自動化的打磨生產線布局如圖7所示。
圖7生產線布局圖
系統主要由機器人打磨工作站、平面磨單元、搬運機器人單元、視覺定位系統、輥道輸送系統、安全防護系統、電氣控制系統等部分組成，打磨系統現場應用效果如圖8所示。配備密封室體實現粉塵和噪聲的治理，每個打磨單元均配備自動排屑機和廢料收集小車。采用整體機加工底座，剛性好，相對位置精度高，極大地縮短現場安裝調試周期。各打磨單元具有打磨過程自動監控系統，并預留有信息化管理數據接口。
圖8打磨工作站現場應用效果
通過打磨工作站的打磨，能夠有效去除缸體缸蓋鑄件的毛刺、突起等缺陷，有效提高了鑄件表面質量，如圖9所示。該生產線主要用于發動機鑄件內外表面毛刺和澆冒口殘余的清理打磨，采用三維激光視覺定位技術，實現了鑄件打磨的智能定位、機器人自動精準抓取，解決了過去人工打磨效率低、勞動強度大、安全隱患高等問題，提升了產品質量和效益。生產線建設完成并投入正式生產后，生產線上的設備一直正常運行、無故障，產品生產效率提升了20%以上，生產合格率達到了97%以上，用工成本降低了20%以上。
圖9打磨前后效果對比
也有一部分廠家開始使用機器人安裝電動或氣動工具進行自動化打磨自動去毛刺設備視頻，與手持打磨比較，機器人去毛刺能有效提高生產效率，降低成本，提高產品良率，但是由于機械臂剛性，定位誤差等其他因素，采用機器人夾持電動，氣動工具去毛刺針對不規則毛刺處理時容易出現斷刀或者由于力度不均對工件造成損壞等情況發生。
近年來在歐美發達國家已經廣泛使用的力控浮動工具（ Force Tool，)能夠在軸向或360度內徑向實現力控浮動，這一新型力控工具的出現解決了機器人去毛刺打磨拋光主軸工具問題；力控浮動去毛刺打磨拋光工具在進行難加工的邊、角、交叉孔等不規則形狀毛刺及面的打磨拋光能讓浮動機構和刀具能針對工件毛刺面采取順隨加工（ )，模擬人手進行柔性去除毛刺打磨拋光，能有效避免造成刀具和工件的損壞，吸收工件及定位等各方面的誤差，同時提高精度。
機器人去毛刺浮動工具能通過快換接口進行自動換刀，進行多工序加工，也可從經濟角度出發使用法蘭或者其他方式與機器人連接，同時這種浮動工具也能方便地安裝在數控加工中心上使用。
工業機器人去毛刺打磨拋光的優點及我國應用的迫切性
由于去毛刺打磨拋光工況相對都是比較惡劣的，打磨產生的火花、粉塵及噪音嚴重影響工人的身心健康；工人無法長時間集中精力從事緊張、重復的勞動，容易發生工傷事故；人工打磨質量要依照工人經驗去判斷好壞，使得打磨質量無法得到保證；熟練工的缺失，工效低下且招工困難；人工成本不斷抬高，而且惡劣的工作環境必須為工人支付更高的薪酬，這些使得機器人換人成為必然趨勢且迫在眉睫！
和人相比，機器人打磨拋光去毛刺的優勢不言而喻：
1、密閉式的機器人工作站，將高噪音和粉塵與外部隔離，減少環境污染；
2、操作工不直接接觸危險的加工設備，避免工傷事故的發生；
3、機器人能保持產品加工精度的一致性，不僅保證了質量的可靠，而且降低了廢品率；
4、機器人替代熟練工，不但降低人力成本，而且也不會因為操作工的流失而影響交貨期；
5、機器人可24小時連續作業，生產效率大福提高。
6、可再開發性，用戶可根據不同樣件進行二次編程，縮短產品改型換代的周期，減少相應的投資設備；
為什么不能使用通常的剛性工具如普通電主軸、氣動主軸等安裝在機器人上實現去毛刺打磨拋光？
需要機器人去毛刺打磨拋光的工件一般都是鑄造，由于模具精度等各方面因素，鑄件總會存在鑄造飛邊、分模線和鑄造尺寸公差和形位公差；如果采用剛性工具去毛刺打磨拋光，就必須精確控制機器人的運動軌跡以擬合工件邊沿；由于機器人的定位精度比較高，這樣如果有1000個工件就必須有1000個程序來擬合工件外形，否則就會傷及工件本體或者根本沒有將毛刺去除，而這是不可能的！這就必須采用一種特殊工具力控浮動工具（ Force Tool，)來實現！
為什么高端主流工業級的去毛刺力控主軸都是氣動？
1、高端的力控去毛刺工具都是采用氣浮動實現力控，因此無論主驅動是否用氣，都必須有氣源；
2、去毛刺工況一般都比較惡劣，金屬碎屑飛邊等很容易對線纜造成損傷，且有些粉塵如鋁合金很容易發生爆炸風險，因而氣動簡單可靠安全；
3、氣動發熱小，可以24小時運行，不會出現過熱故障甚至燒毀；同時通過調節氣壓可以很方便調節轉速，如果采用自動閥門也可以自動控制轉速；
4、用氣要求：干燥的潔凈的工廠標準壓縮空氣，最大氣壓不超過0.6mpa(6KG)；
機器人去毛刺打磨拋光工具的分類
1）按力控及是否閉環控制分為：被動式 和主動式
主動式適用于復雜曲面的打磨拋光；
被動式適用于平面的打磨拋光和去毛刺！
2）按驅動方式分為：氣驅動和電驅動；
3）按力控機構的力控方式：氣浮動力控和彈簧（橡皮）浮動；需要說明的是去毛刺力控主軸高端產品都是氣浮動力控氣驅動，只有低端產品采用彈簧橡皮等浮動機構，這種浮動機構根本達不到力控效果，使用壽命也非常有限！
氣驅動氣浮動力控機器人去毛刺打磨主軸動力頭；
特點：
1、由工廠標準壓縮空氣驅動葉片馬達及順隨浮動力控機構，實現徑向浮動順隨或軸向浮動順隨加工；
2、開環控制，簡單可靠、高效；
3、可以通過換槍盤進行自動更換主軸，實現多道工序加工；也可以將主軸放在專用主軸桁架上，由機器人夾持工件實現多道加工；少數幾種工具可以直接自動更換加工磨輪，實現長時間無人值守加工；
機器人去毛刺打磨拋光工具的典型應用：