一、研究的背景与问题
铸造业里大型复杂铸件在初加工前要对毛坯件进行打磨、去毛刺等清理工作，目前是由大量的人工完成，不但生产效率低，合格率参差不齐，生产过程中的粉尘会对工人造成极大伤害并且污染严重。由于铸造工艺会造成产品公差大，一般自动化完成起来比较难、对产线的柔性要求高，很多企业面临诸如此类的问题，却没有很好的解决方案。
图1 传统工艺人工打磨现状
二、解决问题的思路与技术方案
根据应用场景关键共性技术问题，在项目研发过程中归纳出实施技术难点，并根据共性问题和难点，设定3个研发方向进行针对性突破，以下为技术路线图：
图2 技术路线图
本技术布局为高精度重载地轨上集成仿形工装从地轨两侧上料，运送至打磨工位，地轨两侧布局固定点高精度机器人，同时采样，同时加工，提高效率。在密封除尘房内进行，集中除尘，有金属粉尘浓度监测功能。主要采用高精度机器人集成多种打磨刀具和高精度3D激光扫描设备，先对样件进行高精度扫描建模（解决工件产品公差大的问题），通过复杂的高精度算法，引导机器人进行相关轨迹的规划和运行。对不同形状、位置的飞边和毛刺用不同刀具来完成，加工过程无人参与，机器人自动完成刀具更换。相对于同类产品柔性更好，项目调试周期更短。
根据技术路线图归纳的三个研发方向，即“柔性打磨工艺技术研究”、“柔性打磨技术核心装备研发”、“柔性打磨技术控制系统研发”，团队结合各个专业进行具体实施方案如下：
1.柔性打磨工艺
针对现场问题和研发中的技术难点，设计柔性打磨设备，主要由PLC总控系统、工控机运算处理系统、3D激光扫描建模系统、力控系统、打磨机器人、具备自动换刀功能的电主轴、自动刀库、双工位地轨及除尘、排屑系统组成。
对比原工艺流程：
图3 原工艺流程图
改造后的工艺流程中，原工艺流程中人工打磨步骤由本课题研发的工作站代替，如图4绿色部分所示，其中毛坯打磨工作站即本案例已实施部分，腻子打磨工作站为下一阶段开发实施内容：
图4 工艺变更后流程图
“毛坯打磨工作站”（线性打磨路径规划）主要针对配重铁铸造后的合模缝、浇冒口的打磨处理作业，在此成果基础上后续深入研发配重铁腻子层“腻子打磨工作站”（曲面打磨路径规划），后期拓展表面喷涂和腻子喷涂等自动化工作站，形成完整配重铁生产线。
2.柔性打磨技术核心装备
柔性打磨技术核心装备主要包括“铸造件输送系统”、“仿形打磨工具”、“除尘系统”、“排屑系统”四项主要内容。
“铸造件输送系统”主要包括自动滑台基座、承载平台、铸造件支架及自动润滑系统，具体如下图：
图5 铸造件输送系统
“仿形打磨工具”：仿形打磨工具使用位置位于打磨机器人末端，主要用于机器人对打磨对象打磨，其使用寿命与打磨精度和打磨成本直接相关。因打磨刀具在打磨过程中有损耗，磨料的配比及耐用性是关键因素。
图6 仿形打磨工具
“除尘系统”：工作站设置在密封除尘房内进行，为改善打磨间内的空气环境，在除尘房间外设置布袋除尘器。
图7 除尘系统示意图
“排屑系统”：在自动滑台两侧布置两台刮板排屑机，排屑机两侧安装有利于收集铁屑的导向板，收集机器人打磨过程中散落的较大的颗粒状铁屑，并将收集到的铁屑输送至防护间外部的收集车内集中处理。
3.柔性打磨技术控制系统
柔性打磨技术控制系统主要包括PLC总控系统 、工控机运算处理系统、3D激光扫描建模系统、力控系统。应用物联网技术联通数据，实现3D激光扫描建模发送数据至工控机，工控机通过智能算法自动计算路径，再将指令发送至PLC从而控制机器臂进行打磨。
图8 控制系统示意图
三、主要创新性成果
本项目产品成功结合物联网技术、机器视觉3D成像技术、机器人仿形随动技术、力控技术等部分前沿科技，成功开发了一种可以用于大型、复杂结构铸造件的无人化智能打磨新产品，即柔性打磨工作站，填补了国内大型铸造行业表面打磨智能装备领域空白。
具体创新点如下：
1.研发大型铸造件自动引导机器人打磨技术
应用物联网技术，基于3D激光建模、自动引导机器人打磨首次应用在复杂结构、特征不够明显以及因路径增大导致误差更易积累的大型铸造件，提高了控制水平和控制精度，扩展了使用场景，更易于进技术横向复制推广。
2.研制高定位精度重载地轨，提升重复定位精度
根据搭载对象重量进行了合理地轨规划，提升了地轨重复移动中定位的精度，有利于控制精度的提升。
3.研制专用打磨工具外形、材料
根据使用场景，分别开发适宜曲线、曲面打磨的刀具外形，提高了打磨效率；并且根据打磨硬度选取适宜刀具材料，提高了使用耐久度；适宜的刀具外形和材料也同时提高了打磨精度。
四、应用情况与效果
本技术的成功应用，解决了行业痛点难点问题，促进行业智能化发展水平和职业健康水平。打磨作业全程无人工参与，有效降低安全生产、职业病、设备损坏等风险。该技术申请发明专利2项，实用新型专利2项，软件著作权1项，并于2024年1月参展日内瓦科技展获得金奖。
图9 毛坯打磨工作站投产现场图
每条生产线替代约8名作业人员，实现无人化生产，是人工打磨效率的6倍左右。
本项目主要技术指标如下表：
信息来源：北京中冶设备研究设计总院有限公司
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