FA制芯流水線安裝精度控制的探索與實踐

周如杰，楊延德

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

1 概況

為了擴大生產(chǎn)能力，以滿足每年生產(chǎn)12萬臺套機體、缸蓋鑄件的需要，2004年上海柴油機股份有限公司通過國際招標，從意大利FOUNDRY AUTOMATION公司（簡稱FA公司）引進了一條生產(chǎn)機體大件砂芯的流水線。該流水線設(shè)計生產(chǎn)綱領(lǐng)為45臺套/小時機體砂芯。整條流水線包括：混砂系統(tǒng)、制芯機、取芯機械手、砂芯組裝臺、砂芯浸涂料機械手及砂芯抽檢、更換、涂料池等設(shè)備。從混砂、制芯起，到砂芯組裝、涂料，整套工序全部有這條流水線完成，自動化程度很高，其先進程度，目前在國內(nèi)也屬較高水平。整套設(shè)備于2004年9月中旬進入公司，當月20日開始安裝，時至10月25日開始單機調(diào)試，并已利用制出的砂芯鑄出了機體毛坯樣件。日前，毛坯經(jīng)測量、解剖、試加工、外觀檢查等已合格通過驗證。

2 設(shè)備簡介

設(shè)備的工藝流程見圖1。1臺混砂機負責給3臺制芯機提供芯砂，2臺SPC-80制芯機分別制造機體X1、X2、X3和X4、X5、X6軸箱砂芯。1臺SPC-60制芯機制造機體前端芯和后端芯。1#機械手工作于兩臺SPC-80制芯機和組芯轉(zhuǎn)臺之間，負責從模具上取芯，砂芯自動去毛刺，將砂芯放置到組芯轉(zhuǎn)臺的砂芯胎具上。2#機械手工作在SPC-60制芯機和組芯轉(zhuǎn)臺之間，負責從模具上取芯，將砂芯放置到組芯轉(zhuǎn)臺的砂芯胎具上。組芯轉(zhuǎn)臺有4個工位，分別是：A工位，機械手放置X7前端面芯、X8后端面芯，并將砂芯定位；B工位，機械手分別放置X1、X2、X3和X4、X5、X6軸箱芯，使砂芯定位，并按X7前端面芯、X1-X6軸箱芯、X8后端面芯的排列順序合并組合；C工位，人工檢查砂芯并穿螺栓緊固組芯；D工位，3#機械手取芯工位。3#機械手從組芯轉(zhuǎn)臺D工位上取走已緊固的組芯，進行浸涂料，然后將組芯放置在砂芯烘干器上，準備進爐烘干。在1#、2#機械手運行路線的中間，分別設(shè)有2臺可自動移進、移出的砂芯檢查、處理調(diào)換不合格砂芯的小車。整條流水線從混砂到組芯浸涂料結(jié)束，流水線能自動控制全部工序的上下銜接、轉(zhuǎn)運，操作人員一般在8人左右。

制芯線設(shè)備的平面布置圖參見圖2，制芯線立面圖參見圖3。

3 制芯線各設(shè)備運動精度要求

3.1 設(shè)備的運動過程及關(guān)系

3.1.1 機械手與制芯機及組芯轉(zhuǎn)臺工作過程

1）1#、2#機械手工作過程

機械手在制芯機頂芯位置，下行夾持住砂芯后上行經(jīng)去毛刺機去除砂芯的飛邊，在運行中將砂芯水平回轉(zhuǎn)90°，機械手夾具將砂芯垂直翻轉(zhuǎn)90°，使之砂芯由在模具上的平臥狀變?yōu)閭?cè)臥組芯狀態(tài)。機械手行至組芯轉(zhuǎn)臺后，將砂芯放置在組芯轉(zhuǎn)臺的胎具上。機械手運動軸數(shù)為：機械手沿導軌X方向水平直線運動、Z方向上下運動、沿上下運動的Z軸作水平回轉(zhuǎn)運動，機械手無垂直于運行導軌的Y方向運動，參見圖3。

2）制芯機工作過程

模具在模具安裝工位進行安裝，往復小車將模具輸入到制芯機的中心，制芯機上方垂直于往復小車的射砂、吹氣、上頂芯機構(gòu)工作，射砂頭移入進行射砂，射砂頭移出，吹氣罩移入進行吹氣固化，接著上頂芯動作，砂芯上半部分脫模，往復小車載著模具砂芯移出到下頂芯即機械手取芯位置，頂芯機構(gòu)將砂芯頂出模具，待機械手取芯，參見圖4。

3）組芯轉(zhuǎn)臺工作過程

組芯轉(zhuǎn)臺有4個工位，分別是A、B、C、D工位，參見圖2。自A工位起接受2#機械手送來的2個端邊芯；水平回轉(zhuǎn)90°至B工位，接受1#機械手兩次送來3個一組6個軸箱芯，并由組芯轉(zhuǎn)臺上的組芯胎具靠氣動收攏夾緊8個砂芯；組芯轉(zhuǎn)臺水平回轉(zhuǎn)90°至C工位，人工檢查及螺栓緊固；最后，組芯轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)90°至D工位，待3#機械手取芯。組芯轉(zhuǎn)臺是一個大轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤每接受一次機械手給出的信號，就轉(zhuǎn)動90°。組芯轉(zhuǎn)臺上的砂芯組裝胎具負責砂芯的定位及夾緊。在組芯轉(zhuǎn)臺的4個工位上分別有一套相同的砂芯組裝胎具，組芯轉(zhuǎn)臺作逆時針轉(zhuǎn)動，使每個工位連續(xù)循環(huán)動作。

4）3#機械手工作過程

3#機械手是專門用于組裝好的砂芯浸涂料。機械手從組芯轉(zhuǎn)臺D工位取芯，上行后沿水平方向行至涂料池位置時下行，組芯浸涂料，然后機械手上行并作左右擺動，以甩干砂芯上的多余涂料，最后，機械手沿水平方向行進至砂芯烘干爐位置，放下砂芯。3#機械手能作水平方向及上下垂直方向運動，并能作繞垂直方向的軸作水平轉(zhuǎn)動，也能繞水平軸作左右擺動。

3.2 各設(shè)備間的運動關(guān)系

1） 1#機械手、SPC-80制芯機、組芯轉(zhuǎn)臺之間的運動關(guān)系

1#機械手運動于2臺SPC-80制芯機和組芯轉(zhuǎn)臺之間。由于1#機械手在這些設(shè)備之間作直線往復運動，機械手并不具有垂直直線往復運動的Y方向運動，因此，制芯機的頂芯即機械手的取芯位置中心、組芯轉(zhuǎn)臺B工位的中心必須與機械手的直線運行中心重合。當然，機械手直線運行至哪一點，由機械手電控編碼器來調(diào)整控制。

2） 2#機械手、SPC-60制芯機、組芯轉(zhuǎn)臺間的關(guān)系

2#機械手在SPC-60制芯機與組芯轉(zhuǎn)臺之間運動。2#機械手在這2臺設(shè)備間作直線往復運動，同1#機械手一樣，2#機械手也不具有垂直直線往復運動的Y方向運動，因此，制芯機的頂芯即機械手的取芯位置中心、組芯轉(zhuǎn)臺A工位的中心也必須與機械手的直線運行中心重合。當然，機械手直線運行至哪一點，依然通過電控編碼可隨意調(diào)整。

3）1#、2#機械手、制芯機、組芯轉(zhuǎn)臺之間的綜合關(guān)系

由于1#、2#機械手取芯后分別運行到組芯轉(zhuǎn)臺的B工位及A工位進行放芯，又由于組芯轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)半徑是固定尺寸1425（見圖2），因此除各制芯機對應(yīng)的機械手及組芯轉(zhuǎn)臺相應(yīng)的工位要保持很好的直線性外，而且1#與2#機械手、SPC-60與SPC-80制芯機、組芯轉(zhuǎn)臺的A工位與B工位，它們之間既要保證1425尺寸，又要確保平行。

4）3#機械手與組芯轉(zhuǎn)臺之間的運動關(guān)系

3#機械手在組芯轉(zhuǎn)臺、涂料槽、烘干爐口間運行工作。為保證機械手在正確位置取芯，以免機械手錯位取芯，撥動已可靠定位在組芯轉(zhuǎn)臺上的組芯而使砂芯損壞，因此組芯轉(zhuǎn)臺D工位的中心線同樣必須與機械手取芯中心重合。3#機械手同樣類同于1#、2#機械手，缺乏垂直于直線往復運動的Y方向運動。至于3#機械手夾著砂芯浸涂料、在烘干爐的烘干器上放芯，由于對位要求不高，因此可不加以重點考慮。

5）去毛刺機與1#機械手之間的運動關(guān)系

X1-X6軸箱砂芯因工藝上需要去毛刺，所以在第一臺SPC-80制芯機與組芯轉(zhuǎn)臺間安裝了1臺去毛刺機，參見圖2。1#機械手夾持著軸箱砂芯，行至去毛刺機的上方，機械手下行，使砂芯通過去毛刺機的模板，而后上行，砂芯去毛刺完成。為了使去毛刺機方便而安全地更換模板，去毛刺機以軌道小車的方式垂直于機械手直線往復運動方向布置。去毛刺機的去毛刺位置中心必須與機械手在該位置時的中心點吻合，且二者中心線不能出現(xiàn)大的偏離，否則去毛刺時會損壞砂芯。

6）2臺檢芯、換芯小車與1#、2#機械手之間的運動關(guān)系

為使制芯線的柔性增強，在制芯線中設(shè)有2臺檢芯、換芯小車，分別用作軸箱、端邊砂芯的檢查、調(diào)換，參見圖2。檢芯、換芯小車以軌道小車垂直于1#、2#機械手直線往復運動方向布置，SPC-60、SPC-80制芯機各布置一臺，一臺用于SPC-60制芯機制出的端邊芯檢查與換芯，另一臺用于SPC-80制芯機制出的軸箱芯檢查與換芯。機械手可定時定量地（也可隨時）將砂芯放置到檢芯小車上，檢芯小車載著砂芯移出安全護欄。砂芯檢查合格，小車移進至機械手下，機械手夾起砂芯投入正常的循環(huán)工作。若砂芯檢查不合格，在換芯工位靠人工換芯或停止制芯線運轉(zhuǎn)。機械手要能準確地在檢芯、換芯小車上夾芯、放芯，檢芯、換芯小車同樣要與機械手保持取芯、放芯位置的中心點吻合及二者中心線不能出現(xiàn)大的偏離。

3.3 設(shè)備安裝的精度要求

FA公司對設(shè)備總體安裝提出了很高的要求，通過仔細的研究、核算，進行了具體的分解和細化，制定出如下的安裝精度要求。

1） 1#機械手、2臺SPC-80制芯機之間的安裝精度要求

以機械手夾具夾持砂芯卡爪的結(jié)構(gòu)形式分析，夾持面的四周均是5°的斜面，參見圖5。一旦機械手與砂芯的位置存在偏差，卡爪卡入砂芯時，有一定的借正砂芯的量，按計算，該借正量為2X20tg5°=3.15mm。綜合制芯機和機械手存在安裝誤差，即2臺制芯機的不平行誤差，機械手的行走方向X軸與制芯機存在的長度方向中心線的垂直度誤差，機械手上下運動方向Z軸與制芯機工作臺面的垂直度誤差；模具安裝在制芯機工作臺面上，模具分盒面與機械手Y軸的垂直度誤差等。為了避免由于這些存在著的誤差而影響機械手的正確取芯，對1#機械手及2臺SPC-80制芯機制定了如下的安裝精度要求：（1）制芯機工作臺面的水平度≤0.1/1000；（2）2臺制芯機長度方向中心線的平行度≤0.2；（3）2臺制芯機下頂芯中心的直線度≤0.2；（4）機械手X方向運行導軌的直線度≤0.3；（5）機械手X方向運行導軌的水平度≤0.1/1000；（6）機械手X方向運行中心與制芯機下頂芯中心的位置度≤0.5；（7）機械手X方向運行軌跡與制芯機下頂芯位置長度方向中心線的垂直度≤0.2；（8）2臺制芯機工作臺面的高低誤差≤2。

2）SPC-60制芯機相對于2臺SPC-80制芯機的安裝精度要求

SPC-60制芯機除應(yīng)具有SPC-80制芯機的精度要求外，由于受組芯轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)半徑1425的牽制，它不但必須與SPC-80制芯機保持平行，而且下頂芯中心又必須與SPC-80制芯機確保1425尺寸。安裝精度要求如下：（1）制芯機工作臺面的水平度≤0.1/1000；（2）與SPC-80制芯機長度方向中心線的平行度≤0.2；（3）與SPC-80制芯機下頂芯中心線的平行度≤0.2；（4）與SPC-80制芯機下頂芯中心線偏距尺寸1425的位置度≤0.5；（5）與SPC-80制芯機工作臺面高低誤差≤2。

3）2#機械手、組芯轉(zhuǎn)臺相對于1#機械手、3臺制芯機之間的安裝精度要求

因為組芯轉(zhuǎn)臺工位的轉(zhuǎn)換是以回轉(zhuǎn)方式實現(xiàn)的，所以制芯機、機械手的位置均受組芯轉(zhuǎn)臺所牽制，從而這些設(shè)備形成一個封閉的鏈。2#機械手、組芯轉(zhuǎn)臺的安裝同樣具有很高的精度要求。安裝精度要求如下：（1）2#機械手與SPC-60制芯機下頂芯中心的位置度≤0.5；（2）2#機械手X方向的運行軌跡與SPC-60制芯機下頂芯位置長度方向中心線的垂直度≤0.2；（3）2#機械手X方向運行導軌的直線度≤0.3；（4）2#機械手X方向運行導軌的水平度≤0.1/1000；（5）組芯轉(zhuǎn)臺B工位中心與1#機械手X方向的位置度≤0.3；（6）組芯轉(zhuǎn)臺B工位中心線與1#機械手X方向運行軌跡的垂直度≤0.2；（7）組芯轉(zhuǎn)臺A工位中心與2#機械手X方向的位置度≤0.3；（8）組芯轉(zhuǎn)臺A工位中心線與2#機械手X方向運行軌跡的垂直度≤0.2；（9）組芯轉(zhuǎn)臺工作臺面的水平度≤0.1/1000；（10）組芯轉(zhuǎn)臺工作臺面與制芯機的高低尺寸精度≤2。

4）3#機械手與組芯轉(zhuǎn)臺之間的安裝精度

3#機械手要求能在組芯轉(zhuǎn)臺的D工位準確取芯，因此它只對組芯轉(zhuǎn)臺有位置要求，具體安裝精度要求如下：（1）機械手回轉(zhuǎn)中心與組芯轉(zhuǎn)臺D工位中心的位置度≤0.3；（2）機械手X方向運行軌跡與組芯轉(zhuǎn)臺D工位中心線的垂直度≤0.2；（3）機械手X方向運行軌道的水平度≤0.1/1000。

5）其它設(shè)備的安裝精度要求

（1）去毛刺機中心與1#機械手中心的位置度≤0.3；（2）去毛刺機沿導軌方向的中心線與1#機械手X軸的垂直度≤0.2；（3）檢芯、換芯小車中心分別與1#、2#機械手的中心位置度≤0.5；（4）檢芯、換芯小車沿導軌方向的中心線分別與1#、2#機械手X方向運行中心線的垂直度≤0.2。

4 設(shè)備安裝總體方案確定及安裝難點的針對性措施

4.1 設(shè)備安裝總體方案確定

制定了安裝流程，經(jīng)過仔細論證，第一，查閱圖紙，了解設(shè)備各部分的構(gòu)成及圖示的精度要求；第二，核查設(shè)備主要傳動系統(tǒng)、定位部分的精度；第三，確定安裝測量基準；第四，詳細分析設(shè)備的工藝用途及工藝流程；第五，分析設(shè)備要求符合使用過程的工藝精度；第六，依據(jù)先期制定設(shè)備要求達到的安裝精度要求，分析安裝過程中采取測量手段的精度保證能力。通過分析，認為“制定的安裝流程及測量點控制”的安裝精度能達到要求。

4.2 對安裝疑難點采取的針對性措施

4.2.1 測量基準的選擇

由于設(shè)備龐大，安裝測量的難度也隨之增大。若測量點選擇不良，會帶來事倍功半的結(jié)果，且達不到使用要求。我們著重從設(shè)備使用的工藝角度出發(fā)，選擇流水線各設(shè)備的銜接點作為主要檢測點。制芯機位置度測量基準選擇在機械手的取芯位置，即制芯機的下頂芯位置中心，中心點由四處“十字”布置的模具定位鍵求出，因為機械手是在模具上取砂芯，選擇模具的定位鍵作為基本測量依據(jù)最具有實際意義；機械手的測量基準也選擇在取芯、放芯位置；組芯轉(zhuǎn)臺測量基準選擇其各工位與機械手取芯、放芯所對應(yīng)的中心。如此，流水線中各設(shè)備的銜接點位置控制住了，再結(jié)合其它直線度、垂直度、平行度等控制，能真正使設(shè)備達到實際使用效果，同時也確保了設(shè)備各部分的安裝精度。

4.2.2 測量工具的選擇與測量順序

安裝如此龐大的設(shè)備，整個系統(tǒng)又很復雜，為保證其精度，運用了光學經(jīng)緯儀。但該儀器是精密儀器，它對起初的測量實際意義并不大。我們運用了較普通的、傳統(tǒng)的測量手段先進行設(shè)備初步復位測量，而后再運用精密的光學經(jīng)緯儀進行精確測量，可節(jié)省大量的人力和時間。如：機械手和制芯機及組芯轉(zhuǎn)臺中心重合程度難以測量確定，安裝前，自制了一些測量附具，便于找正其中心，并使中心位置的重合度控制在0.4mm以內(nèi)，再運用光學經(jīng)緯儀進行精確測量。圖6是機械手與制芯機校正位置的簡易測量附具，利用直角尺可方便地測出機械手與制芯機位置的重合情況以及機械手行走的直線度。再如利用同樣原理制作的機械手與組芯轉(zhuǎn)臺對位的測量附具，也利用直角尺可測出機械手與組芯轉(zhuǎn)臺中心的重合情況，并且還可用此來檢查組芯轉(zhuǎn)臺90°轉(zhuǎn)動角度的誤差。

5 設(shè)備安裝后的效果及其存在的問題

整套流水線的安裝通過邊安裝邊測量，尤其是最終的復測，實際制芯、組裝砂芯以及進行的試運轉(zhuǎn)，基本達到了預期的效果。限于文章篇幅，表1中僅列出SPC-80制芯機與1#機械手的安裝誤差。

在安裝過程中，由于預先的安裝工藝考慮不周全，出現(xiàn)局部返工現(xiàn)象。如：在安裝1#機械手時，導軌的水平、相對于制芯機的位置均調(diào)整到要求后，開始對地腳焊接固定，不料由于底面未填實，導致導軌偏斜，水平、位置精度全部失去。再如：1#機械手的支架及導軌座均設(shè)有調(diào)節(jié)螺栓，由于支架調(diào)整量過多，致使機械手相對于制芯機的位置以及機械手本身水平度、直線度三者難以兼顧。因為機械手的臂較長，支架稍有變化，臂的垂直度相應(yīng)發(fā)生很大的變化，所以調(diào)整難以達到要求。通過分析和研究，提出了對應(yīng)的改進措施：第一，先將機械手的支架調(diào)整垂直并盡可能不升高地腳板；第二，由于基礎(chǔ)的不平整，用鋼板填實地腳板，以免焊接時走樣；第三，機械手的水平度、機械手臂的垂直度以調(diào)整導軌座為主。這些改進措施落實之后，加快了調(diào)整速度，精度也一一得到了保證。這些經(jīng)驗教訓的獲得給后面的2臺機械手的調(diào)整工作帶來了極大的方便。圖7為制芯車間現(xiàn)場已安裝完畢的設(shè)備圖片。

6 結(jié)束語

歷時一個半月的安裝調(diào)試工作暫時告一段落，從起初的熟悉圖紙，熟悉設(shè)備的構(gòu)成，熟悉設(shè)備的工作過程，熟悉設(shè)備的工藝流程以至確定安裝程序，確定安裝精度要求，確定采用如何的測量手段來確保安裝誤差在精度要求范圍之內(nèi)。更有意義的是，在實際安裝過程中，應(yīng)驗了開始的技術(shù)準備工作做得充分、有效；考驗了鑄熱分公司的技術(shù)人員、技師們不向困難低頭，勇于攻破難關(guān)；體現(xiàn)了鑄熱分公司的整體實力。通過這次對進口制芯流水線的安裝，也獲得了許多新知識，新理論，為以后的工作留下了寶貴的經(jīng)驗。