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四川智能创新铸造有限公司企业规范

铸钢件“冒口”采用机器人进行切割处理的智能系统搭建及设置规范

2022-07-20 发布 2022-07-21 实施

四川智能创新铸造有限公司 发布

 

目 录

前 言..................................................................................................................................... II

引 言.................................................................................................................................... III

1 范围..................................................................................................................................... 1

2 设置目标............................................................................................................................. 1

3 系统构成............................................................................................................................. 2

3.1 主体部分.................................................................................................................3

3.1.1 工业机器人..................................................................................................... 3

3.1.2 专用割枪......................................................................................................... 3

3.1.3 火焰切割工艺................................................................................................. 3

3.2 视觉系统部分和切割轨迹程序.............................................................................4

3.3 控制和数据处理系统.............................................................................................4

4 系统工作流程..................................................................................................................... 4

5 系统效率及预计实现效益.................................................................................................5

6 推广价值预计..................................................................................................................... 6

6.1 降本增效，3 年收回投资......................................................................................6

6.2 改善传统切割环境，保障职业健康.....................................................................6

6.3 推动铸造行业智能化发展，迈向产业智能化升级之路.................................... 6

7 总结..................................................................................................................................... 7

7.1 配置最低要求.........................................................................................................7

7.2 系统优势.................................................................................................................7

 

前 言

本企业规范由四川智能创新铸造有限公司提出。

本企业规范起草单位为：四川智能创新铸造有限公司。

本企业规范批准人为：胡文广。

本企业规范有效期暂定为 1 年。

本企业规范规定了铸钢件“冒口”采用机器人进行切割处理的智能系统搭建及设置。

本标准适用于铸锻行业后处理工序中铸钢件“冒口”基本机器人智能打磨工作站的搭建及设置，并补充说明可提供的扩展服务。

 

引 言

冒口切割铸钢件清理过程中的重要工序，现阶段其几乎全部采用人工手持气体割枪进行切割。设定 300mm（直径或厚度）的切割厚度可以满足大部分铸钢件（约 60-70%铸钢件）冒口的切割需要。冒口切割工序工作量大，操作环境恶劣、安全风险高、人工切割质量差，且“用工难”等困境已极大的限制了铸造行业的发展。运用自动化、智能化技术设备代替人工作业已是铸造行业的发展方向之一。

本规范是第 1 版，在今后陆续修订。

 

铸钢件“冒口”采用机器人进行切割处理的

智能系统搭建及设置规范

1 范围

通用机器人视觉智能火焰切割工作站适用于中大型铸钢件的 300 直径（或厚度）以内冒口的切割作业，适用工作范围如下表 1：

 表 1 机器人火焰切割适用范围参数表

切割工作范围可通过扩展变位机，增加切割机器人等方式提高。详细布置见 3.4 扩展服务。

场地及外部能源需求：

 

表 2 机器人火焰切割外部需求明细表

 

2 设置目标

a） 降低浇冒口切割工序中人工工作量，保障操作者职业健康安全。

b） 控制系统人机交互智能化，操作方便。

c） 切割面平整留高一致，方便机械加工和打磨。

d） 切割质量远高于人工，切割效率基本与人工一致，对铸件摆放无严格要求。

e） 利用远程数据平台，进行生产数据处理，并监控系统运行状态。

f） 切割工艺参数可设置，适用多种铸钢件冒口切割工艺的优化，切割消耗低于人工。

g） 提升铸造冒口切割工序自动化，智能化水平。

h） 切割系统符合国家铸造厂区环保规定。

i） 整体设备稳定可*，可在 2-3 年内收回投资。

3 系统构成

铸钢件冒口视觉火焰切割工作站主要由：主体部分、视觉部分、软件控制部分等构成，总体效果图如下图所示：

 

图 1 大中铸钢件视觉火焰切割工作站示意效果图

主要具有以下三点优势：

a） 摆放定位方面：本工作站采用高精度视觉相机对铸件（冒口）进行定位，铸件只需摆放至预先设定范围内，不需严格确定摆放位置。但铸件需姿态调整，使铸件形成一定的气

割角度≥45°。

b） 程序设计方面：操作者确认铸件切割冒口起点和终点，系统自动识别并生成切割轨迹程序。

c） 切割质量和效率方面：机器人切割的坡口光洁度好，外形美观，切割效率高。

3.1 主体部分

主体部分主要由品牌工业机器人、专用割枪、铸件切割区域构成。

3.1.1 工业机器人

为保证火焰切割工作的正常进行，需配套有工业机器人，可以采用 Fanuc（发那科）、ABB、KUKA（库卡）、Yaskawa（安川）等知名品牌的机器人。要求机器人负载 50kg 以上，臂展 2500~3000mm。

3.1.2 专用割枪

根据用户的使用场景，本工作站推荐使用梅赛尔的 MS932 原装射吸式割枪，其燃气类

型可以使用乙炔、丙烷、天然气、液化气等，本工作站主要使用丙烷，其主要优势如下：

a） 更高的切割速度，提升约 30%-40%；

b） 更低的氧气消耗，降低 30%-40%；

c） 更长的割嘴使用寿命，提高大约 4-5 倍；

d） 更换方便，可以实现快速更换；

e） 更低的热变形，更小的割缝，减小割缝 10-15%。

 

图 2 MS932 原装射吸式割枪

3.1.3 火焰切割工艺

选取气割（火焰切割）工艺，具有切割钢铁速度快、尺寸公差低、经济实惠、设备费

用低、设备便携、操作简便、可手动可自动等优点。需配套烟气控制和排风设施。

表 3 火焰切割工艺参数

 

3.2 视觉系统部分和切割轨迹程序

采用 3D 工业相机获得加工铸件表面的点云图像及坐标数据，在交互界面选取切割冒口区域。自动编程生成出机器人切割轨迹程序，具有使用灵活、采样精度高、对铸件适应性强的优点。

3.3 控制和数据处理系统

机器人智能自动化切割软件部分主要包括总控制程序，视觉视觉定位算法，切割路径自动生成算法，本地数据采集及传输算法，云端数据处理软件。

表 4 控制和数据处理系统模块及功能

4 系统工作流程

a） 清理干净铸件冒口切割线附近 50mm 左右部位的残砂、粘砂等；将铸件摆放到指

定作业范围内（约 2500×1500），并形成一定的气割角度≥45°，切割面偏离机器人。

b） 打开电源，登录系统，输入铸件相关参数。

c） 启动扫描系统，视觉相机调整为拍照姿态后开始扫描，对铸件表面进行扫描同时完成定位。

d） 人工在操作界面确认切割冒口的起点和终点位置，系统自动形成切割程序。

e） 进入切割流程，打开丙烷（或天然气）及氧气开关，预先进行切割枪校准点火，逐个冒口进行切割作业，直至选取的冒口全部切割完成。需要切割该铸件的其他部位冒口时重复步骤 d，直到该铸件切割结束。

f） 机器人回到安全位，操作员清理切割废料废渣钢水等残留物，操作者确认是否需要切割其他件（或该件铸件的其他部位冒口）。若确认，吊装下一批铸件重复步骤 1；若停止切割作业，点击否进入步骤 7。

g） 切割作业结束，点击“退出系统”，关闭系统电源，清理工作现场。

备注：切割作业区附近不得存放易燃易爆物品，并设置防护板，在切割作业时防止钢水飞溅。

 

图 3 机器人智能切割作业

 

图 4 人工切割作业

5 系统效率及预计实现效益

机器人智能火焰切割系统可替代传统人工火焰切割工序，实现铸钢件冒口切割，切割质量高并可长时间稳定工作，降低生产成本，提升整体生产效率。该系统将操作者从传统的切割环境中解放出来，通过视觉和机器人系统，实现远端监控切割进程，符合我国产业智能化发展方向。

人工切割和机器人自动切割成本及效益比对

综合计算后，机器人切割与人工切割效率相同，机器人因变更姿态，回归安全位等操作存在过渡时间。但机器人可通过配置变位机等措施实现连续不间断工作，单日工作效率高于人工，约 2-3 年可收回全部投资。

机器人气割较人工切割的优势：

a） 工艺参数可控，气体流量可控，节约成本。

b） 工艺参数稳定，切割效果一致性好，质量高，后续加工（或打磨）方便不“打刀”。

c） 切割作业持续时间长。

6 推广价值预计

6.1 降本增效，3 年收回投资

以机器人智能切割项目为例；经初步计算，采用智能切割设备代替人工切割浇冒口后，在原生产任务不变情况下，提升厂房利用率 50%以上。

预计回收投资时间 3 年以内，设备总安全生命周期 5 年以上。

6.2 改善传统切割环境，保障职业健康

传统铸造行业，铸件人工切割劳动强度大，质量控制难度高，切割周期长，场地利用率低，安全环保风险高。铸造行业用工压力增大，各工序都在实现自动化及无人少人化。现采用智能切割设备后，机器人切割面质量能够得到很好控制从而优于人工切割，且场地利用率高，节约成本，提高生产效率，可以杜绝安全和环保风险。

6.3 推动铸造行业智能化发展，迈向产业智能化升级之路

人工切割对工人的技术能力和职业操守要求较高，产品质量很难保证；工人的素质对工序效率起决定性作用，所以生产周期的保证难度很大；随着国家对环保要求的提高和对工人职业健康要求的不断升级，这个关键工序的成本越来越高，而且还难以有效解决。通过机器人智能自动化切割，不仅能有效的解决人工切割和修磨“脏、累、苦、险”及严重的“人力资源瓶颈”等问题，提升工件的切割效率、切割质量，并且能够有效提升车间的 6S 管理水平，解决环保、能源消耗等问题。

7 总结

7.1 配置最低要求

实现最基础的切割功能且不增加企业资金压力，基本机器人智能切割工作站的配置要求如下：

a） 主机部分可采用市面常见承重 50KG 以上，臂展超过 2500mm 以上机器人作为系统机器人，搭配 MS932 原装射吸式割枪。

b） 通过常规 PLC 总控制柜进行控制，C#编写控制交互界面，用以太网控制与 PLC、机器人、视觉进行联动控制。

c） 系统对工厂场地配套和能源要求都比较低，仅需要大小为 5000mm×5000mm，有

50HZ-380V 三相交流电、通自来水、能提供压力≥0.3MP 燃气和压力≥1MPa 氧气的场地即可满足要求，设备主要耗材为燃气和氧气，系统运行花费低。

7.2 系统优势

a） 简易明了的交互模式，实现操作者与系统的交互操作：点取点云图像选择切割区域，确定切割轨迹即可开启切割。

b） 系统维护简单，定期进行割枪系统检查、线路健康状况评估和工控机内运行环境及冗余清理。

c） 安全环保：操作者可远离切割操作平台，机器人设备稳定可*，切割残料大部分可回收，仅产生有限的粉尘，配套烟气控制和排风设施，杜绝安全问题，环保风险可控。

d） 操作者仅需职业技术学校相关专业学习，或拥有大专以上学历，具有计算机操作能力，通过培训即可快速掌握系统操作方法。