工业机器人在自动化锻造生产线中的应用

当前，生产的自动化、智能化已是工业发展的必由之路，锻造作为传统的劳动密集型工业的组成部分，在当前的工业发展过程中，必然有自动化的应用需求，随着我国工业自动化技术的发展，工业机器人的应用越来越普遍，技术也越来越成熟，对于锻造作业工况的适应性也大大提高，为锻造自动化的升级提供了良好的条件。

锻造行业由于存在目前难以克服的高温、粉尘、噪声、振动等严重危害操作者健康的缺点，基于职业健康安全管理使能，使得锻造生产实现自动化成为行业发展的必然趋势。本文以某公司6300t锻造生产线为例，介绍了采用工业机器人实现自动化生产的方案。

生产线的设备配置及自动化流程

锻造工艺过程为棒料加热、辊锻、预锻、成形、终锻、切边、校正，在生产线上使用的主要设备为辊锻机、6300t热模锻压力机、切边机、下料机、加热炉等。传统的锻造生产过程以人力为主，各设备间的物料转运主要依靠工人手持夹具完成，或依靠吊具或传送带，人工进行定位干预。在生产过程中，工人劳动强度高，且环境恶劣，现准备用工业机器人完成生产线的工序串联，采用整线联锁控制，简化操作人员干预过程，生产信息自动记录、分析、处理，全工序自动化，实现柔性化生产。

生产线的自动化配置

生产线以6300t热模锻压力机的生产能力为主要核算标准，以其大多数的产品为主要选型要求，配置5台工业机器人完成生产线的全自动化生产要求，其布局如图1所示。

图1 6300t自动化生产线布置图

机器人配置

产品材料重约35kg，由于生产过程中其为热状态，夹具需耐热，经计算设计后夹具重约100kg，因此机器人载重需不小于135kg，考虑机器人运行过程中的速度要求，适当选取余量较大的机器人可有效提高其单次节拍，综合考虑选取210kg负载的机器人。

生产线的自动化流程

自动化生产线的生产流程是按照预先设定好的程序进行，因此在进行程序设计之前需对每台设备的动作进行规划，确保其有序无误。

各工业机器人分别实现的功能为：1#机器人完成物料从加热炉到辊锻机的转运，执行两项动作，一是加热炉取料送到辊锻机处，二是从加热炉取料送到输送带处；2#机器人接收控制系统信号，从辊锻机取物料转运到热模锻压力机，并根据需要将物料在热模锻压力机工位间进行转运，包括从辊锻机取料送到锻压机第一工位、从输送带取料送到锻压机第一工位和从锻压机第一工位取坯料送到第二工位；3#机器人根据需要将物料在热模锻压力机工位间进行转运，并将物料从压力机最后一工位取出转运到切边机；4#机器人将完成切边后的产品从切边机取出分别转运到悬挂链、校正机和产品筐3个指定位置；5#机器人在压力机一次锻打行程结束后对模具进行喷雾润滑，之后返回到初始状态；

生产线的自动化流程如图2所示。

图2 生产线自动化流程

自动化控制系统

为使生产线有序连贯地运行，需要配备一套控制系统对生产线进行控制，该控制系统既能让单机设备有效运转，又能整合各设备之间的交互信号，从整体上对生产流程进行把控，最大程度提升生产线整体的生产能力。

自动化系统结构

自动化锻造生产线采用当前主流的PROFINET网络结构，主要包括中央CPU控制器、数据采集单元、通信模块等，预装WINCC上位机软件的PC用于参数写入和读取、信息实时监控等，同时方便后续网络扩容。现场操作站、现场设备检测单元、现场其他输入设备、执行机构（如变频器、电磁阀等）等通过总线和PLC或远程I/O单元通讯，各单机设备间的互锁信号使用总线连接方式，与机器人控制系统交换数据，来规划和执行动作过程。

自动化系统配备完善的安全门锁、安全急停开关、安全继电器等安全装置，通过安全模块进行信息交换，在HMI上显示安全区域状况，及时发出声光报警信号或停机，对于不具备总线连接条件的特殊设备，将采用硬接线方式实现信息交换和联锁控制。

控制系统安全描述

各单元设备与机器人均具有初始状态、等待状态、故障状态，并能在人工控制下返回初始状态。等待状态是指机器人根据压力机滑块检测的当前位置，等待进行取料或放料的状态，故障状态是系统突然停机时，设备所要保持的状态。

当系统出现故障时，设备自动进入故障状态。当系统停机指令发出后，全线处于停机状态，机器人从当前运行姿态以最小运动量到达故障姿态，在人工干预且控制程序允许的前提下，解除动作联锁，实现单个设备的独立操作，控制系统随时查看和监控每个环节的参数和状态，并进行故障诊断，直至故障解除，恢复生产线自动运行。

该系统能实现完整的过程控制以及动作互锁，出现任何异常情况时系统均能及时报警并显示报警信息，并能根据设备运行参数判断控制系统运行状态（全停、部分停或不停），以确保设备安全和人身安全。自动化控制系统能检查机器人主要故障，包括电控系统故障、运动部分故障、功能性故障等。发生故障时，相应单元自动化控制面板上会显示故障号、内容，主控制台上显示故障号、故障I/O点或故障发生时刻、停机总时间、帮助信息等。声光报警单元作为整线安全系统的辅助工具，能够在设启停、上下料故障以及安全系统中各监控点报警等状况发生时及时通知操作人员处理。

在自动状态下，整个系统采用严格的层级控制，未经主控制程序安全条件的允许，设备不能被单独控制。此外，存在前后或相反动作逻辑关系的各应用单元间具有可靠的互锁关系，前后不会产生误操作。

工作模式

自动模式。在正常生产模式下，生产线可连续运行，在该模式下压力机既可以单次行程方式运行，运行完毕后停在滑块上死点位置等待指令，也可以在压力机的循环周期方式中，机器人采集压力机滑块的位置信息并完成上下料动作，配合控制系统指挥压力机启动单次行程。

手动模式。维护调试模式可实现系统各设备所有的动作，但必须按照该生产程序预先规定轨迹动作。

自动化生产线实用性分析

各工位机器人按照主机生产节拍投入使用后，整个自动化生产线上的设备均能有条不紊地运行，通过减少生产辅助时间，间接提高了设备利用率；生产人员以“管理”代替“操作”参与生产，除初始上料外，生产线全程实现无人操作的自动化生产。产品工艺参数均可根据实际生产进行调用，避免了由于人员误操作造成产品质量的不稳定。同时，因机器人取代人工进行转运，实现故障自动提示、报警，保障了安全生产，最大限度地防止设备损坏及人员伤亡，整线的自动化生产实现了真正意义上的智能制造。

结束语

锻造生产线的运行流程长，工序复杂，以机器人来完成各工序的连接，不仅实现了自动化的需求，同时增强了对在线设备状态、运行情况及工艺参数的实时监控。通过信息化与工业化的深度合作，最终实现了降本增效和解放劳动力的目的。

—— 来源：《锻造与冲压》2019年第17期