工業(yè)機器人在活塞澆鑄過程中的應用

趙淑國，董 旭，劉雨奇，王巨果

（山東雙港活塞股份有限公司，山東日照 276800）

·鑄造設備·

工業(yè)機器人在活塞澆鑄過程中的應用

趙淑國，董 旭，劉雨奇，王巨果

（山東雙港活塞股份有限公司，山東日照 276800）

為滿足高度復雜的活塞澆鑄工藝，加強活塞澆鑄過程控制，以六軸關節(jié)機器人及活塞重力澆鑄為基礎，結合高檔活塞澆鑄工藝，將工業(yè)機器人與第七軸進行系統(tǒng)集成，成功實現(xiàn)一臺關節(jié)機器人完成三臺鑄造機的澆鑄工作，有效提高了產品質量，保證了產品的一致性、穩(wěn)定性，降低了生產成本，解放了勞動力，提升了企業(yè)市場競爭力。

活塞澆鑄；工業(yè)機器人；自動化

隨著新型汽車節(jié)能高效的發(fā)展需求，汽車制造商對活塞的性能也提出更高的要求。目前活塞已經發(fā)展成為集輕質高強度材料、異型外圓復合型面、異型銷孔等多項新技術于一體的高技術含量的產品，不僅對活塞的內、外在質量有更高的標準，還對產品質量的一致性、高精度性等標準有更高的要求。為滿足汽車發(fā)動機國五、國六排放標準和汽車活塞行業(yè)提出的產品高度一致性的要求，活塞企業(yè)迫切需要以豐富的生產經驗為基礎，深入開展智能化鑄造技術的應用研究。采用先進適用的鑄造新技術，提高鑄造裝備智能化，特別是符合活塞技術需求的工業(yè)機器人技術的應用，是鑄造企業(yè)實施綠色鑄造生產，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[1]。

1 活塞鑄造現(xiàn)狀分析

長期以來，活塞鑄造行業(yè)屬于高危險、高污染的基礎性產業(yè)。目前，我國活塞鑄造行業(yè)多數(shù)的生產過程都采用傳統(tǒng)的人工澆鑄或者半自動澆鑄，整個生產過程中，有大量的工作需要人工完成，危險性大，工人勞動強度高，能耗高、鋁水利用率低，生產效率低，產品質量的一致性及穩(wěn)定性無法進行有效控制。同時，由于活塞鑄造行業(yè)產生的有害氣體、煙塵、噪聲、高溫、振動等問題，對員工身心健康也產生嚴重的影響。

2 工業(yè)機器人發(fā)展應用趨勢

制造業(yè)是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產線成套設備已成為自動化裝備的主流及未來的發(fā)展方向。工業(yè)機器人具有工作效率高、穩(wěn)定可靠、重復精度高、能在高危環(huán)境下作業(yè)等優(yōu)勢，在傳統(tǒng)制造業(yè)中，特別是勞動密集型產業(yè)的轉型升級中可發(fā)揮重要作用。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機械等行業(yè)已經大量使用工業(yè)機器人自動化生產線，以保證產品質量，提高生產效率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀的工業(yè)機器人的使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)自動化生產，提高社會生產效率，推動企業(yè)和社會生產力發(fā)展的有效手段。隨著我國提出“中國制造2025”戰(zhàn)略目標的提出，工業(yè)機器人性價比逐漸提升，國產機器人在工業(yè)生產中得到更廣泛應用，尤其是在工藝控制復雜的活塞鑄造現(xiàn)場[2]。

3 工業(yè)機器人在活塞澆鑄過程中的應用

3.1 設計思路

目前我國絕大部分活塞生產企業(yè)，在活塞澆鑄過程都采用傳統(tǒng)的人工澆鑄或半自動澆鑄工藝，隨著活塞配套廠家對高檔活塞性能指標要求的提高，原有的人工及半自動澆鑄工藝無法滿足要求。我公司結合六軸工業(yè)機器人性能以及活塞生產工藝，自主開發(fā)了機器人自動澆鑄控制系統(tǒng)來實現(xiàn)機器人與第七軸的同步控制。將工業(yè)機器人與第七軸進行系統(tǒng)集成，并通過人機交互界面進行控制、顯示以及報警輸出。在整個控制過程中，操作人員只需要按下自動按鈕即可實現(xiàn)全自動循環(huán)，效率高，易操

作[3]。

我公司在原有生產工藝基礎上進行工藝改善，經過工藝改善專家委員會論證，制定出高檔活塞鑄造工藝。在試驗過程中，反復澆鑄試驗和驗證，確保澆鑄后的活塞達到最佳理化性能。對澆鑄完成的活塞進行檢驗、試驗，確保各項性能指標達到國家要求。

3.2 工藝流程

自動啟動→機器人原位待命→1號、2號、3號鑄造機發(fā)出準備澆鑄信號→關節(jié)機器人取鋁液→1號、2號、3號鑄造機發(fā)出允許澆鑄信號→關節(jié)機器人開始澆鑄→關節(jié)機器人發(fā)出澆鑄完成信號→機器人回到原點等待（鑄造機自動冷卻）→冷卻完成信號→鑄造機開模信號→取件機械手自動抓取活塞→淬火→鑄造機合模→鑄造機發(fā)出準備澆鑄信號。

3.3 應用優(yōu)勢

3.3.1 柔性化定量澆鑄

傳統(tǒng)的人工澆鑄方式，不能對較少鋁液進行定量控制，因此所澆鑄形成的活塞不能保證產品的一致性；本項目鑄造過程中通過高分辨率伺服定位來精準控制鋁液量，并對澆鑄過程進行多段速控制，對整個澆鑄過程速度以及速度切換點進行柔性化控制，可以滿足日益復雜的活塞澆鑄工藝，提高活塞成品率[4]。

3.3.2 人機交互高靈活性

圖1 人機操作界面

圖2 活塞澆鑄過程

圖3 取料過程

圖4 澆鑄完成

圖5 待機位

為解決六軸機器人不能直接應用在活塞鑄造行業(yè)的難題，我公司在現(xiàn)有六軸機器人的基礎上進行升級改造，研制出七軸機器人用于活塞澆注。并通過實時通訊技術實現(xiàn)了鑄造機與七軸機器人之間數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時批量傳送，具有信號傳輸快、信號傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點。七軸機器人不僅能實現(xiàn)六軸機器人的快速、準確、平緩移動，還能通過控制系統(tǒng)參數(shù)修改來實現(xiàn)澆鑄過程高度可調性。

3.3.3 實時控制技術

生產線采用全自動封閉控制，實現(xiàn)了全過程自動監(jiān)控系統(tǒng)，澆鑄機器人通過與鑄造機進行實時通訊，在整個澆鑄過程中，系統(tǒng)根據(jù)設定的工藝參數(shù)進行自動控制，并且還通過溫度、時間控制來對過程進行實時調整。

3.3.4 在線檢測

實現(xiàn)了全自動澆鑄，通過在線檢測鋁液溫度、模具溫度、活塞淬火時間、冷卻時間、各工藝點的時間節(jié)拍、鋁液澆鑄速度、開合模延時等，確保澆鑄完成的活塞在抗拉強度、硬度、體積穩(wěn)定性、金相組織、線膨脹系數(shù)等理化性能，都能符合國家標準，能保證產品的穩(wěn)定性和一致性，使毛坯的一致性達到0個PPM.

3.3.5 自動報警系統(tǒng)

對設備運行過程中出現(xiàn)的故障和異常進行自動報警，并實時顯示故障原因，方便故障及時排除。

3.3.6 高安全性

安全防護采用了光柵控制和遠紅外感應安全控制系統(tǒng)，確保了人身和設備運行安全。

4 總結

該系統(tǒng)水平目前處于同行業(yè)應用先進水平，其采用一臺關節(jié)機器人完成三臺鑄造機的澆鑄工作，遠遠高于傳統(tǒng)的人工澆鑄，以及普遍應用的桁架式自動澆鑄。采用機器人作為整個控制系統(tǒng)的核心，能極大提高設備的可靠性、穩(wěn)定性、降低員工的勞動強度、提高工作效率和產品質量，保證產品的一致性和穩(wěn)定性，提高產品的成品率。項目技術應用后，使職工擺脫高溫超高強度的作業(yè)現(xiàn)場，保證了職工的健康。同時，解放了勞動生產力，有助于解決勞動力短缺問題。自動化裝備水平的提高可以增強我國鋁合金活塞鑄造綜合能力，縮小與國際先進水平的差距，提升未來更加激烈的市場競爭力，滿足用戶多樣化需求的主要途徑。而活塞鑄造技術的結構調整和技術改造，提高治理環(huán)境污染的水平，符合國家節(jié)能減排政策，并對當?shù)氐漠a業(yè)政策實施具有支撐和推動作用。

［1］ 章旭霞.工業(yè)機器人在鑄造行業(yè)中的應用［J］.金屬加工（熱加工），2014（15）：18-21.

［2］ 計時鳴，黃希歡.工業(yè)機器人技術的發(fā)展與應用綜述［J］.機電工程，2015，32（1）：1-13.

［3］ 潘廣堂.工業(yè)機器人鋁合金大活塞鑄造系統(tǒng)設計與研究［J］.科技視界，2016（24）：94.

［4］ 江玉華.鋁合金鑄造行業(yè)機器人代替人工進行澆注作業(yè)的可行性研究［J］.鑄造設備與工藝，2009（1）：28-30.

Application of Industrial Robot in Piston Casting Process

ZHAO Shu-guo，Dong Xu，LIU Yu-qi，WANG Ju-guo
（Shandong Shuanggang Piston CO.，LTD.，Rizhao Shandong 276800，China)

In order to meet the highly complex piston casting process，strengthen the control of the piston casting process，based on six-axis joint robot and piston gravity casting，combined with high-grade piston casting process，our company integrated industrial robots with the seventh axis，which made one joint robot complete three casting machine work，improved the product quality，ensured the consistency and stability of the products，reduced the production cost，liberated the labor force，and enhanced the market competition ability in the future.

piston casting，industrial robot，automation

TG248，TP242.2

A

1674-6694（2017）04-0001-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.04.001

2017-04-25

趙淑國（1989-），男，工程師，主要從事自動化項目研發(fā)，特別是自動化控制系統(tǒng)設計、開發(fā)、應用。