Prace Badawcze


 

Integracja robota przemysłowego z walcarką kuźniczą do wytwarzania przedkuwek

Daniel Okal¹, Witold Krzeczowski¹, Jarosław Bartnicki²

¹ Kuźnia Matrycowa w Lublinie, ² Politechnika Lubelska - Wydział Mechaniczny

Streszczenie

W opracowaniu przedstawiono proces integracji robota przemysłowego firmy KUKA serii Quantec oraz walcarki kuźniczej znajdującej się na wyposażeniu Kuźni Matrycowej w Lublinie. Zgodnie z podanym opisem walcarki do usprawnienia jej funkcjonowania konieczne było wprowadzenia robota zapewniającego odpowiednią, wydajność oraz powtarzalność prowadzonych operacji kształtowania przedkuwek w kolejnych wykrojach walcowniczych. Wykonana w ten sposób częściowa automatyzacja procesu jest początkiem wprowadzenia zmian w liniach produkcyjnych zakładu, który zmierza do wyeliminowania z ciągów technologicznych młotów kuźniczych i sukcesywnego zastąpienia ich prasami.

Słowa kluczowe: walcarka kuźnicza, walcowanie przedkuwek, robotyzacja procesów, integracja maszyn

Wstęp

Z przyczyn technicznych zautomatyzowanie młotów parowo-powietrznych, które są na wyposażeniu Kuźni Matrycowej w Lublinie, nie jest możliwe do zrealizowania. Brak tego rozwiązania powoduje przestoje w pracy związane m.in. z ponownym uruchamianiem linii po każdej ze zmian. Dokonanie częściowej automatyzacji procesu, gdzie połączono układu pracy kucia ręcznego na młocie z układem automatycznym walcowania przy wykorzystaniu robota przemysłowego daje znaczącą poprawę wydajności procesu oraz jego powtarzalności przekładającej się na wzrost poziomu jakości oferowanych wyrobów. Finalnym rozwiązaniem problemu pełnej automatyzacji będzie zakup pras umożliwiający całkowitą zmianę technologii walcowania i kucia oraz przyjęcie nowych wytycznych do projektowania prowadzonych procesów technologicznych.

Opis procesu technologicznego

W analizowanym procesie materiał wsadowy nagrzewany jest do temperatury 1250ᵒC, po czym trafia do pozycjonowania poprzez rynnę spadową, która posiada segregacje materiału na wsad niedogrzany oraz przegrzany. Wsad trafia wtedy na stół obrotowo-pozycjonujący. Stamtąd pobierany jest przez specjalistyczne ramie robota przystosowane do pracy w wysokich temperaturach zaprojektowane autorsko do powyższego procesu przez firmę Robot Partner. Robot w trybie automatycznym walcuje walcówkę w czterech przejściach obracając wsad o 90ᵒ. Całość operacji walcowania trwa 20 sekund. Następnie walcówka trafia na przenośnik łańcuchowy poprzez obrotnicę w celu odwrócenia grubszego końca w kierunku kowala. Robot po upuszczeniu walcówki na przenośnik łańcuchowy schładza ramię w wannie z wodą. Wszystkie operacje zajmują 35 sekund. W kolejnym etapie procesu następuje kucie wyrobu na młocie kuźniczym parowo-powietrznym, gdzie temperatura materiału przed kuciem to około 1180ᵒC. Walcówka trafia na matrycę gdzie jest kuta w wykrojach wstępnym oraz wykańczającym. Po przetransportowaniu odkuwki na prasę okrojczą następuje okrawanie na gorąco, a następnie odkuwka zostaje przebijana oraz kalibrowana na kolejnej prasie. Gotowy wyrób trafia do pojemnika odbiorczego, gdzie czeka na ocenę jakości wykonania przed konfekcjonowaniem i wysłaniem do odbiorcy końcowego.

Walcarka kuźnicza

Do integracji z robotem przemysłowym KUKA została wykorzystana walcarka kuźnicza do walcowanie wzdłużnego przedstawioną na rys. 1. Walcarka wyposażona jest w dwa walce, gdzie każdy z nich posiada niezależny napęd umożliwiający zmianę prędkości oraz kierunku obrotów walców. Moment obrotowy na każdym z walców wynosi maksymalnie 40 000Nm. Średnica robacza walców walcarki to 600 mm, a szerokość robocza wynosi 640 mm. Zapewnia to możliwość walcowania materiału wsadowego nawet do ф 100 mm, przy wykorzystaniu specjalnie zaprojektowanych narzędzi segmentowych. Wyposażona jest ona w system synchronizacji prędkości obrotowej oraz kąta obrotów walców walcarki poprzez zastosowanie enkoderów absolutnych. Nominalna prędkość walców wynosi 12 obrotów na minutę, maksymalnie walcarka osiąga prędkość 17 obrotów na minutę. Panel sterowania umożliwia synchronizację urządzenia z robotem przemysłowym w przypadku trybu pracy automatycznej, gdzie poprzez wymianę sygnałów możliwa jest synchronizacja z ruchem obrotowym oraz położeniem kątowym walców walcarki. Możliwa jest także regulacja prędkości obrotowej, przyśpieszenia oraz opóźnienia walców, która umożliwia także pracę ciągłą bez potrzeby zatrzymywania walców podczas cyklu walcowania w trybie automatycznym. Wymiana sygnałów między walcarką a robotem możliwa jest przy pomocy sieci przemysłowej w standardzie PROFINET. Walcarka kuźnicza do walcowania wzdłużnego posiada ponadto możliwość regulacji położenia walców w zakresie +/- 10 mm co zwiększa zakres walcówek możliwych do wykonania przy pomocy maszyny wykorzystując jeden zestaw narzędzi. Walcarka posiada możliwość pracy manualnej bezpośrednio przez kowala za pomocą pedału sterującego, co jest bardzo pomocne podczas prób technologicznych nowych wyrobów uruchamianych na gnieździe. Sterowanie umożliwia wykonanie jednego pełnego obrotu do pozycji zadanej lub pracę ciągłą bez zatrzymywania się walców. Ponadto walcarka posiada system smarowania centralnego, który odpowiada za konserwacje maszyny, co umożliwia pracę w systemie trzyzmianowym bez konieczności przerywania pracy.


Rys. 1. Walcarka kuźnicza z pokazanym fragmentem podajnika

Robot KUKA

W aplikacji do obsługi walcarki zastosowano robota przemysłowego KUKA w wersji Foundry. Korzystając z pomocy firmy Robot Partner z Lublina oraz uwzględniając specyficzne wymagania aplikacji i warunki pracy, dobrano oraz zintegrowano robota w linii do walcowania przedkuwek.

Robot przemysłowy KUKA serii Quantec w wersji F-HP to rozwiązanie dedykowane do stosowania w automatyzacji procesów kuźniczych i odlewniczych. Wszystkie przeguby robota są uszczelnione, podobnie jak tłoczysko oraz powierzchnie przylegania silników osi od 1 do 6. Dodatkową ochronę wewnętrznej mechaniki oraz elementów sterowniczych uzyskano poprzez stały przepływ powietrza wewnątrz ramienia robota generujący nadciśnienie. Powtarzalność pozycjonowania TCP na poziomie 0,06mm pozwala na dokładne podanie detali na narzędzia walcarki.

W wersjach Foundry nadgarstek robota został zmodyfikowany tak by sprostać pracy w warunkach podwyższonych temperatur, kontaktu z odpryskami, zendrą i substancjami korozyjnymi.

Materiał z jakiego wykonano elementy robocze, to stal typu V2A (znana jako X5CrNi18-10) pokryta 2-skladnikową żywicą epoksydową utwardzaną w niskiej temperaturze (hartowanie na zimno). Osobno lakierowane elementy mechaniczne zapewniają podwyższony stopień ochrony IP.

Firma Robot Partner zaprojektowała, wykonała dedykowaną głowicę roboczą, przystosowaną do pracy z detalami o temperaturze 1300 stopni Celsjusza. Całość mechanizmów głowicy została zabudowana osłonami ze stali nierdzewnej, a wymuszony obieg powietrza chłodzi układ wykonawczy i generuje nadciśnienie wewnątrz jej odbudowy. Mechanizm chwytaka został osłonięty dedykowanym pokrowcem z tkaniny krzemowej - izoluje on układ napędu szczęk przed wpływem temperatury.

Kontroler robota, w wersji KR C4, zapewnia zamkniętą konstrukcję szafy. Wymienniki ciepła nie potrzebuje mat filtracyjnych, co znacznie ułatwia konserwację i zmniejsza koszty obsługi. Nadciśnienie generowane wewnątrz szafy zabezpiecza przed wnikaniem zanieczyszczeń w obszar pracy elektroniki sterującej. Integrator wprowadził na programator robota dedykowany interfejs ułatwiający podstawowa obsługę aplikacji zrobotyzowanej przez operatorów.

W zakresie aplikacji, robot przy pomocy dedykowanej głowicy, wykonuję cały zakres pracy kowala przy walcowaniu, od pobrania detali z orientatora przez proces 4 zabiegowego walcowania, do odłożenia detalu na podajnik wyjściowy.


Rys. 2. Robot przemysłowy KUKA na stanowisku roboczym


Podsumowanie

Wprowadzenie w warunkach Kuźni Matrycowej w Lublinie nowego sposobu przygotowywania przedkuwek w postaci zrobotyzowanego gniazda walcarki kuźniczej przyniosło znaczące korzyści w postaci podniesienia wydajności oraz powtarzalności kształtowanych półfabrykatów. Dalsze zmiany zmierzające do wprowadzenia zrobotyzowanego procesu kucia matrycowego na prasach (w miejsce dotychczasowych młotów parowo - powietrznych) przyniosą potencjalnie kolejną poprawę osiąganych wyników mierzonych skalą produkcji, brakowością oraz poziomem jakości oferowanych wyrobów. Wdrożona modernizacja przekłada się także na możliwość pozyskiwania nowych rynków zbytu poprzez uniwersalność zastosowanej walcarki oraz pełną programowalność pracy robota przemysłowego.

 

 


Zobacz certyfikaty, którymi może pochwalić się nasza firma!
wejdź