工业机器人在硬质合金制造中的应用论文

 

SCI论文（www.lunwensci.com）：

　　摘要：目前我国硬质合金行业发展稳健，钨粉、钨合金刀片、棒材、耐磨零件等产品应用广泛。但行业竞争也是日趋激烈，对产品质量及成本要求也是越来越高。在目前推动工业4.0以及企业招工难的时代背景之下，加速迈向生产自动化、智能化的步伐也是日趋紧迫，以达到减轻用人成本、提升生产效率，达到企业降本、提质、增效的目的。而工业机器人是联合了机械传动技术、传感器检测、控制、电机驱动、气动技术和网络通信等多学科而形成的高新技术，是自动化和智能化的结合，在硬质合金生产中可以被广泛应用，本文就工业机器人在硬质合金生产中的应用方式进行分析。

　　关键词：工业机器人；硬质合金；应用

　　1　硬质合金行业概述

　　2021年，中国钨行业与全国经济同步，上半年复苏强劲，但进入三季度后总体放缓，四季度有所回落，呈现一个前快后慢的特征;全年钨工业产能稳中有增，产量恢复性增长，市场需求持续改善、出口大幅增长、企业效益明显好转，产业结构持续优化。据中国钨业协会统计：

　　(1)2021年全国钨精矿产量13.55万吨(折WO365%吨，简称标吨)，同比由正转负，下降2.25%。

　　(2)全国APT、氧化钨、钨粉、碳化钨、和钨铁产量同比分别增长9.52%、21.91%、26.38%、29.04%和20%。

　　(3)2021年我国硬质合金产量为5.1万吨，与上一年同比增长24.39%。

　　(4)钨加工产品产量有增有减，钨材和钨电极同比分别下降32.94%和27.84%，钨粗丝、钨合金和钨坩埚同比分别增长0.67%、3.44%和45.40%。

　　但当前全球疫情扩散蔓延，世界局势动荡不安，地缘政治冲突加剧，外部不稳定不确定性加大，国内经济恢复仍不均衡，部分地区散发疫情的影响仍在持续，企业成本上升的压力仍然较大，钨市场不确定因素依然存在，随着全球钨加工生产的逐步复苏，以及国际库存相对较低，对钨原料的需求有望保持稳健势头，未来钨市场将继续保持恢复性增长态势，但增幅放缓仍是大概率事件;而安全环保压力加大，原矿品位下降等因素将导致钨矿开采成本上升，对价格稳定起到有力的支撑，钨市场价格总体呈高位震荡态势，要密切关注美元货币政策提前转向，可能造成商品价格大幅调整导致的经营风险;出口的良好局面仍有望维持，但因疫情原因转入国内的部分订单可能流出，出口增速会有所回落。

　　2　工业机器人在硬质合金行业中应用的重要性

　　在目前钨原料供应紧缺、价格上涨，劳动力市场招工难、用人成本高，以及市场容量有限、行业竞争加剧等情况下，企业提质、降本增效，提高产线自动化与智能化、打破招工难的禁锢势在必行。而工业机器人作为成熟稳定的产品，具有质量稳定、运转灵活、速度快、精度高等特点，能应用于多种劳动强度大、环境恶劣、重复劳动的场景当中，以替代劳动力、提高产品稳定性、加速产线自动化进程，打造产业升级。

　　3　工业机器人概述

　　工业机器人，一般是工业制造环节中经常使用到的机器人或机械手，一般具有灵活度高的特点。结构上包括机器人本体、控制系统和伺服驱动系统。实际应用中，还需加上外部传动系统方能运行，先对工业机器人的运行程序进行编程及点位进行示教，保证其按照设定的动作及要求进行相关动作，预定功能需要建立在动力系统、控制系统的基础之上，方可保证工业机器人的规范化作业。目前的工业机器人最多有六个关节，而在硬质合金行业中，应用最广泛的是四轴水平机器人与六轴关节机器人。
 

　　3.1四轴水平机器人

　　具有四个轴和四个运动自由度：X、Y轴方向水平自由度、Z轴升降自由度和R轴旋转自由度。在X、Y、Z轴主要实现水平面上的移动、旋转运动，以满足机器人在水平面上的运动范围，而Z轴则是用于升降运动，便于物体在竖直方向上的提升与下降。其特点速度快、刚性较小、负载较小，更适用于需在水平轨迹上快速运行、空间小、工件小的重复作业场所。

　　3.2六轴关节机器人

　　六轴关节机器人有六个关节，相比水平四轴机器人负载大、定位精度略差、成本更高，但自由度高、适合于几乎任何轨迹或角度的工作。其每个轴都有特定的作用：

　　第一轴：本体回转轴，它是连接底座的部位，是工业机器人承载较大的轴，可以左右旋转动作，类似磨盘的动作方式，它承载着整个机器人的重量和机器人左右水平的大幅度摆动。

　　第二轴：主臂前后摆动轴是机器人部件的核心连接位置，承上启下的用处，控制机器人前后摆动、伸缩的重要一轴。

　　第三轴：三轴是控制机器人前后摆动的一轴，三轴和二轴的动作功能相似，也是控制机器人上下料摆动功能，三轴位置的动作相对较小，不过这也是六轴机器人臂展长的依据。

　　第四轴：它是工业机器人上面的圆管轴位置的部分，可自由回转，就是一个圆柱体的旋转只是里面多了个线缆的限制，四轴是控制上臂部分180°自由旋转的一轴，相当于人的小臂。

　　第五轴：第五轴很重要，当你差不多调好位置后，你得精准定位到产品上，就要用到第五轴，这个位置相当是人手臂中手腕的关节，可以上下小幅度动作，是产品抓取后可以使产品或者固定的工具进行翻转的动作。

　　第六轴：末端旋转轴，是在后面进行微调位置的关节；当您将第五轴定位到产品上之后，需要一些微小的改动，就需要用到第六轴，第六轴相当于可以水平360°旋转的一个转盘。可以更精确定位到产品。

　　4　机器人在应用中的系统集成模式

　　4.1单机器人系统

　　机器人系统本身就是一个完成的控制系统，具有CPU、I/O端口、通讯端口以及示教手柄。通过机器人的指令编程就可实现机器人定位、数据计算功能，I/O端口就可以与外部的开关量元件连接(如行程开关、如电磁阀、中间继电器等)。所以在简单的系统中，直接利用机器人就可以完成系统的控制要求，不需要再增加外部控制系统，节约成本。此模式在操作方面可直接通过机器人的示教手柄操作，包括程序编程、点位示教及其它调试等。4.2与PLC、工控机通讯扩展外部控制系统在一些控制变量多、控制复杂的系统中(如外加伺服驱动器、模拟量、仪表等)，机器人本身的编程指令、硬件接口已不能满足系统要求，就需要外置硬件与控制系统。外置系统可以是PLC和工控机系统，与机器人通过通讯接口互通信号、传输数据，达到两个系统分工协作、完美配合的目的。此模式下可根据使用情况不配置机器人示教手柄，直接将机器人的示教和操作功能置于触摸屏或电脑显示屏上，节约机器人示教器的成本。

　　5　工业机器人在硬质合金压制成型自动化中的应用

　　在硬质合金和产中，有一道非常重要的生产工序—压制成型，此工序是将钨合金粉末通过机械压机或电动压机压制后形成合金毛坯，再经过车铣加工再烧结，或直接烧结，形成合金毛坯，后续再结合磨削、车削、喷砂、涂层等工艺，最终形成合金成品。而压制成型工序是属于动作重复、效率要求高、劳动时间长的工序，容易实现自动化生产。

　　在压制成型工序中，机器人主要是实现产品的取件、排列功能，根据对产品品质的不同要求，需增加吹毛刺、扫毛刺、称重等功能，这些要求需配合外部电磁阀、电机及称重传感器实现。而在实际生产中，根据产品特性与外形，其取件方式有多种，如吸取和夹取，吸取可分为正面吸取、侧面吸取等方式，夹取可分为外夹与内撑两种方式。另外在摆放过程中，为加大产品摆盘数量，产品排列方式有多种，如矩阵排列、圆形错位排列、三角形错位排列、菱形错位排列、梯形错位排列等。也为了保证产品摆放平稳，需要翻转一定角度后再摆放，如翻转45度、90度及180度。

　　不同的动作和摆放方式，实现的方法不同，选取机器人的类型也不同，但相同的是均可以在利用关节机器人的基础上去变化实现，而且利用关节机器人的高自由度，可以腾出压机正面空间，预留出一个人的操作工位，便于进行模具更换、设备维修工作等。下面就用机器人实现不同产品的生产方式进行分析：5.1矩阵排列实现方式矩阵排列方式在水平、竖直方向均产品平行排列，产品间间隙相等。矩形、圆形、菱形、三角形、多边形及梯形等产品均能以此方式排列，此排列方式计算法简单，但除矩形外，其它产品摆放数量少，浪费摆放空间。

　　矩阵排列通过四轴水平机器人与六轴关节机器人均可实现，通过机器人内部编程计算摆放坐标系、设置产品参数(如石墨盘长与宽、石墨盘预留边界尺寸、产品尺寸、摆放间隙)，机器人程序计算可摆放数量与每个产品摆放坐标。

　　5.2错位排列实现方式

　　错位排列方式整体在水平、竖直方向产品不是平行摆放，而是利用产品本身的形状特征，平行摆放一行后，另一行采取插补空位的方式，将一个产品插入两个产品的空位中间，但产品间间隙相等。圆形、菱形、三角形、多边形及梯形等产品均能以此方式排列，此排列方式计算法复杂，但可节省摆盘空间，增加摆放数量，节约成本。

　　除三角形外，其它产品的错位排列同矩阵排列一样，可通过机器人本身编程和自由度实现。因三角形产品的特殊性，在错位摆放时，每隔一行就需要旋转一定角度后才行，等边三角形需要水平旋转60度，非等边三角形需要水平旋转180度。因旋转角度大小不同，错位排列旋转方式也不同。
 

　　5.2.1水平旋转60度

　　针对只需水平旋转60度的三角形产品，因其旋转角度较小，利用关节机器人本身的自由度就可以实现角度旋转。利用机器人本身旋转的优势是不需要增加外部旋转机构，结构上可以尽量简化，成本上可以有效节约。但是角度的增加，势必增加各关节的运动范围，延长机器人节拍时间。

　　5.2.2水平旋转180度

　　针对需水平旋转180度的三角形产品，因其旋转角度大，利用关节机器人本身的自由度无法实现角度旋转。此时需要增加外部旋转机构，以实现产品旋转功能。增加外部旋转机构可缩小机器人运行范围，并且旋转动作可在关节机器人运行过程中同时进行，节省节拍时间。但是，同时也相当于加大了机器人的负载，可能导致在选型时需加大关节机器人的负载能力，直接导致购买关节机器人的成本上升，使关节机器人负载不足或处于临界状态，会导致运行过程中出现抖动、精度不稳定、速度无法提升等情况。

　　5.2.3旋转机构的种类

　　目前所用于实现角度旋转的机构一般有以下三种：

　　(1)在悬臂上安装旋转气缸，通过气缸旋转实现，旋转气缸分为固定角度气缸(如旋转90度、180度)和可调节角度气缸(角度范围在0-180度内可调节),此方式控制简单，只需预先调好气缸角度，再控制气缸通气、断气即可；

　　(2)在悬臂上安装步进或伺服电机，通过编程控制步进和伺服电机的旋转角度，可以实现任意角度的旋转；

　　(3)设立外置旋转中间站，即旋转机构不安装在悬臂上，将其外置，旋转功能也靠旋转气缸、步进或伺服电机实现。但机器人需进行二次定位和抓取，即机器人先将产品放于旋转机构上，待旋转所需角度后，机器人再将产品抓取至石墨盘上。

　　(4)四轴水平机器人与六轴关节机器人增加外部旋转轴的条件。在实际压制生产中，需在机器人末端轴上增加带有真空吸盘或是气夹的机械悬臂，才能伸入压机模腔抓取产品，以目前大部分机械压机和电动压机为例，避开压机运动部件，需在机器人末端轴上安装300-400的机械悬臂,才能满足正常抓取产品。为减轻悬臂重量，一般采用铝合金制作，若要旋转，还需要在机械悬臂上增加旋转功能。

　　由于四轴水平机器人与六轴关节机器人的特性，四轴水平机器人第四轴旋转轴的惯性力矩较小，悬臂越长，重量越重，转动惯量越大，所需惯性力矩越大。在此情况下，有两种方式可以解决，一是加大机器人的负载能力，匹配合适的机器人，二是设立外置旋转中间站。

　　而六轴关节机器人相对来说整体刚性更足，末端旋转轴平衡性也更好，所以在其悬臂上直接增加旋转机构时，其运行稳定性更有保障。但六轴关节机器人价格比四轴水平机器人高出许多，所以实际应用中，需综合考虑成本、效率、稳定性等因素，针对只进行平面运动的场合，尽量选取四轴水平机器人。

　　5.3需垂直翻转摆放的产品实现方式

　　在实际生产中，考虑到硬质合金的成型条件、模具结构、产品质量等因素，压制成型后，需要先将产品在垂直方向先翻转90度或180度后，才可以平稳摆放。由于四轴水平机器人运动轨迹以水平面为主，其本身的自由度不具备立体性，无法实现垂直翻转，而外置翻转中间站结构复杂，动作烦琐，所以不建议采用水平机器人实现垂直翻转功能。

　　六轴关节机器人自由度高，可实现水平、垂直方向的空间运动，利用关节本身的旋转范围可实现垂直翻转，所以此模式下，选取六轴关节机器人简单快捷、结构简单，成本上也相差不大。

　　6　工业机器人在硬质合金车铣加工单元中的应用

　　按合金产品工艺的不同，有的产品在压制成型后需要进行车、铣加工，而有的产品是在烧结完成后再进行车、铣加工。前者与后者的区别是前者是粉末刚成型，硬度低，在加工过程中刮伤几率会更高，而后者经过烧结后易变成合金，硬度高，在加工过程中基本不会被刮伤。所以在加工时，对前者的装夹方式、控制精度要求更严格。　

　　6.1机器人实现的主要功能　

　　在车铣加工单元中，由于机器人在水平面、垂直面的运动范围都大，且需要进入车床、铣床内部作业，对其运动范围与自由度的要求更高，所以在此工序中，只能选择六轴关节机器人来实现。机器人主要实现对产品的上料、下料功能，主要有定位抓取、定位装夹、定位摆放。

　　(1)定位抓取：机器人从上料工位上抓取产品，上料工位的产品是直接从上道工序流转下来的，均摆放于石墨盘上。石墨盘中的产品分为已定位和未定位两种情况，对已定位的，只需通过机器人计算坐标值即可实现，对未定位的，可以配合视觉拍照识别产品位置，再将坐标值传送给机器人实现定位抓取。

　　(2)定位装夹：机器人抓取产品后，需将产品送入车床或铣床内部固定的工位进行加工，由于车床或铣床加工工位都是固定位置，所以只需要示教机器人点位，运行程序时每次走至该位置后，发送命令给车床或铣床，夹紧产品后进行加工。

　　(3)定位摆放：在车床或铣床加工完成后，会发送命令给机器人，此时机器人进入设备内部将产品取出后排列摆放至下料工位的石墨盘上。

　　6.2工作模式

　　在生产中，结合产品实际加工的时间，可设置成一台机器人对一台车床或铣床、一台机器人对多台车床或铣床两种工作模式，即一对一模式和一对多模式。若加工效率高或产品要求的加工时间短，可设置成一对一模式，若加工效率低或产品要求的加工时间长，可设置成一对多模式，具体一对几则根据具体加工时间、机器人速度进行配置。

　　7　工业机器人在硬质合金包装自动化中的应用

　　在产品包装之前，产品流转均是置于石墨盘上进行流转，所以包装时，需要将产品从石墨盘中取出放于包装盒中。经过多道工序的流转后，石墨盘上的产品均为无序摆放，没有固定位置与角度。且由于硬质合金产品要避免在运输过程中相互碰撞，所以包装盒都要设计成独立的小方格，将每个产品隔开以避免碰撞。机器人也主要是实现产品定位抓取、定位摆放的功能。

　　包装前，石墨盘上的产品是无序的，所以无法靠机器人通过计算坐标值进行抓取，只能通过机器人加视觉的模式实现。视觉系统有两种，一种是工业相机，如巴斯勒等，另一种是智能相机，如基恩士、海康威视等。工业相机成本低但需要自主开发视觉系统，开发难度大，而智能相机成本高但视觉系统已开发好，可直接应用。通过视觉系统抓取产品时，要先识别和计算产品位置以及角度，保证准确抓取、产品摆放至包装盒中的角度一致性。

　　在包装工序中，机器人主要是实现平面运动，且要求速度快，优先考虑四轴水平机器人。

　　8　结语

　　压制成型、车铣加工以及包装都是目前硬质合金生产中必不可少且非常重要的工序，除了在这些生产线中合理应用外，还能将工业机器人应用于搬运、码垛等其它场景中。工业机器人的应用不但能提高作业效率，还可以有效提高作业质量、降低了人为失误的概率、解放劳动力和节约人工成本。为硬质合金生产线的顺利发展创造基础，并能带动硬质合金制造朝着自动化、智能化的方向发展。