工業(yè)機(jī)器人在鑄造自動(dòng)化生產(chǎn)線中的應(yīng)用

■ 王樹寶，孫永功，郭文申

一、概述

“自動(dòng)化制造”的概念在傳統(tǒng)制造行業(yè)已經(jīng)提出多年，但是經(jīng)過多年的發(fā)展，單機(jī)的自動(dòng)化得到了快速發(fā)展，能實(shí)現(xiàn)重復(fù)、連續(xù)性的批量生產(chǎn)，但是怎樣在單機(jī)的基礎(chǔ)上，通過整合、智能、集成使多個(gè)單機(jī)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)是我們面臨的問題。

機(jī)器人具有生產(chǎn)效率高、動(dòng)作靈活、重復(fù)性好、精度高等特點(diǎn)，是作為各個(gè)單機(jī)、各個(gè)單元之間聯(lián)動(dòng)的首選。

作為裝備制造業(yè)基礎(chǔ)的鑄造行業(yè)，鑄造裝備經(jīng)過多年的更新?lián)Q代，各企業(yè)的裝備水平呈現(xiàn)參差不齊的狀態(tài)，眾企業(yè)也針對(duì)各自的現(xiàn)狀對(duì)裝備進(jìn)行改造升級(jí)，以應(yīng)對(duì)企業(yè)發(fā)展過程中遇到的“招人難”“留人難”“環(huán)保壓力”等社會(huì)問題，以及生產(chǎn)效率與成本之間的效益問題等。在這一背景下，機(jī)器人在鑄造方面的應(yīng)用得到快速發(fā)展，在鑄造各工序的自動(dòng)化生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用。

二、工業(yè)機(jī)器人在鑄造工序中的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人在鑄造生產(chǎn)的制芯、造型、熔煉、澆注及清理工序均有廣泛的應(yīng)用。

1. 制芯工序

制芯工序是鑄造工藝中較復(fù)雜的工序，人為影響因素最多，像發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋砂芯，砂芯種類雜、流程多，工藝復(fù)雜，同時(shí)砂芯重量重，組芯要求精度高，這些特點(diǎn)就決定了傳統(tǒng)的人工操作完全滿足不了高效率、高質(zhì)量的生產(chǎn)過程，這就促使機(jī)器人在該工序快速的發(fā)展應(yīng)用。

以我公司所生產(chǎn)的缸蓋為例，其單個(gè)芯組重量達(dá)150kg，砂芯數(shù)量多達(dá)十幾種，其工序包括單機(jī)制芯、取芯、修芯、組芯、緊固、浸涂及合芯等，工藝流程復(fù)雜，同時(shí)砂芯之間的配合精度要求高，生產(chǎn)節(jié)拍快。要想實(shí)現(xiàn)整個(gè)制芯工序的自動(dòng)化生產(chǎn)就要“化整為零”，將整個(gè)制芯線分為多個(gè)制芯單元，先實(shí)現(xiàn)單個(gè)單元的自動(dòng)化生產(chǎn)，然后通過“橋梁”將所有的單元聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化制芯流程。

每個(gè)制芯單元同時(shí)也包括多個(gè)流程：鉆孔、修芯、組芯以及緊固（工藝流程見圖1），通過多個(gè)機(jī)器人（單元機(jī)器人見圖2）協(xié)調(diào)同步完成所有工作流程內(nèi)容，在機(jī)器人高精度的運(yùn)行下，將各流程聯(lián)動(dòng)，保質(zhì)保量地進(jìn)行全自動(dòng)生產(chǎn)。

單個(gè)單元完成工作后形成多個(gè)砂芯的組合，配合軌道的輸送，其他單元機(jī)器人的聯(lián)動(dòng)，逐步形成完整的芯組，整個(gè)流程又實(shí)現(xiàn)“由零化整”的過程。完整的芯組通過機(jī)器人全自動(dòng)地進(jìn)行整體的緊固（見圖3）、吹掃浸涂（見圖4）、組芯（見圖5）操作，最終完成整個(gè)芯組的自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖1 工藝流程

2.造型工序

我公司造型工序采用HWS水平造型線，整體自動(dòng)化水平高，但由于先期的設(shè)計(jì)策劃未涉及到機(jī)器人的使用，所以在生產(chǎn)效率大幅提高的形勢(shì)下，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的薄弱點(diǎn)愈加突出顯現(xiàn)。針對(duì)于此，我們排查瓶頸工序并進(jìn)行分析，逐一升級(jí)改造。

目前正在進(jìn)行扎氣眼機(jī)器人的升級(jí)改造工作（見圖6）。扎氣眼工序在很多鑄造企業(yè)中不被重視，然而在我們的生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)效率的大幅提高，每箱多達(dá)17處的扎氣眼工作嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率的提升，且伴隨著工人操作一致性差，不夠規(guī)范，扎氣眼位置不精確，出現(xiàn)漏扎、錯(cuò)扎等情況，工藝執(zhí)行質(zhì)量差，導(dǎo)致鑄件氣針附近位置砂眼缺陷多。通過機(jī)器人的使用，可以大幅提高工作效率，并且扎完氣眼后配合以吹氣操作，將氣針內(nèi)部的浮砂吹凈，工作質(zhì)量得到保障且完全杜絕了人為因素的干擾。

除此之外，隨著生產(chǎn)效率的顯著提高，砂箱開箱落砂后鑄件的流轉(zhuǎn)跟不上整個(gè)造型工序的節(jié)拍，為此我們對(duì)此工位進(jìn)行升級(jí)改造。受鑄件重量重、工作環(huán)境高溫、粉塵、煙氣及開箱后鑄件位置不固定等因素的影響，無論是新興的機(jī)器人視覺定位還是其他方式的定位方式均不能準(zhǔn)確地將鑄件抓取。為此，我們?cè)谠幸慌_(tái)鑄件夾取機(jī)械手（見圖7）的前提下再次新增機(jī)械手，通過人的主動(dòng)控制原則，操作使機(jī)械手模擬人手和臂展動(dòng)作，代替繁重、環(huán)境惡劣的工作，同時(shí)還可以根據(jù)需要選擇是否在機(jī)械手夾具上安裝氣錘裝置來代替砸澆冒口的操作，從而實(shí)現(xiàn)鑄件的流暢轉(zhuǎn)運(yùn)。整個(gè)流程雖然不能像機(jī)器人那樣的自動(dòng)化操作，但是通過機(jī)械手的應(yīng)用，可以大大減輕工作強(qiáng)度，提高工作效率。

在改造升級(jí)的同時(shí)，我們不斷摸索，對(duì)造型的其他瓶頸工序進(jìn)行了機(jī)器人自動(dòng)化升級(jí)的策劃，已經(jīng)完成造型機(jī)器人噴涂及造型機(jī)器人下芯的可行性分析，后期根據(jù)需要進(jìn)行改造升級(jí)。

圖2 單元機(jī)器人

圖3 緊固機(jī)器人

圖4 吹掃浸涂機(jī)器人

圖5 組芯機(jī)器人

圖6 調(diào)試中的扎氣眼機(jī)器人

圖7

3.熔煉、澆注工序

熔煉工序相對(duì)于其他工序來說，其環(huán)境伴隨著高溫、振動(dòng)、磁擾、粉塵等因素，無論對(duì)于操作者還是對(duì)于機(jī)器人來說，工作環(huán)境相對(duì)惡劣，這也給機(jī)器人的推廣帶來了困難。機(jī)器人在熔煉工序未得到大量推廣，僅有部分企業(yè)將其應(yīng)用于一些輔助的檢測(cè)工序，機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)沒有完全發(fā)揮出來。

相對(duì)于熔煉工序，機(jī)器人在鑄件重量輕、自動(dòng)化水平高的鑄鋁澆注生產(chǎn)線得到大量應(yīng)用。配合自動(dòng)化水平高的造型線，機(jī)器人通過編程控制，準(zhǔn)確定位澆注位置，調(diào)節(jié)湯勺與澆口的角度距離，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)最佳澆注，自動(dòng)化水平高，人為干預(yù)因素少，澆注質(zhì)量好，安全可靠。

區(qū)別于鑄鋁澆注線，在鑄件質(zhì)量重、溫度相對(duì)較高的鑄鐵生產(chǎn)線上，企業(yè)多選用自動(dòng)澆注機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆注。自動(dòng)澆注機(jī)從某種意義上說與機(jī)器人相同，四軸控制，通過程序編程，定時(shí)定量，實(shí)現(xiàn)無人全自動(dòng)平穩(wěn)澆注，另外還輔助以其他的檢測(cè)設(shè)備，保證了澆注及產(chǎn)品的質(zhì)量。

4.清理工序

鑄件清理在眾多企業(yè)中是投資最少、自動(dòng)化程度最低的工序，多為粗放式人工清理。清理過程中產(chǎn)生大量的粉塵、鐵屑，伴隨著擺攤式的清理方式，使物流周轉(zhuǎn)受阻，生產(chǎn)效率極低。

我們的缸體鑄件在清理過程中面臨同樣的問題，人員流動(dòng)大、清理質(zhì)量差、效率低、損傷磕碰比例高、管理難度大。針對(duì)這些問題，我們對(duì)鑄件清理布局及設(shè)備進(jìn)行了改造升級(jí)，通過合理安排清理流程，配合全自動(dòng)機(jī)器人打磨設(shè)備的應(yīng)用，完成了清理流水線的自動(dòng)化升級(jí)。

鑄件經(jīng)多個(gè)工位機(jī)床磨削，配合機(jī)器人的抓取周轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鑄件全自動(dòng)無死角的清理過程，清理完畢后，直接輸送至精拋工位，整個(gè)清理流程順暢，生產(chǎn)效率高，人工影響因素小。目前整個(gè)自動(dòng)化升級(jí)改造已經(jīng)進(jìn)入設(shè)備安裝調(diào)試階段，相信在不久的將來，整個(gè)缸體的清理的生產(chǎn)效率、質(zhì)量提升以及現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)環(huán)境等都會(huì)有質(zhì)的飛躍。

噴漆也是鑄件清理的關(guān)鍵工序。噴漆過程中產(chǎn)生大量的漆霧、刺激性氣體，操作工的工作環(huán)境極差，生產(chǎn)效率低，并且噴漆的一致性差，鑄件表面往往存在覆蓋不嚴(yán)、流痕、漆豆等缺陷，并且噴漆區(qū)域難以控制準(zhǔn)確。“成本”、“效率”、“環(huán)保”等因素促使其設(shè)備升級(jí)改造，越來越多的企業(yè)將機(jī)器人應(yīng)用于噴漆，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化控制及操作。

三、機(jī)器人應(yīng)用注意事項(xiàng)

1.機(jī)器人選用

工業(yè)機(jī)器人是復(fù)雜的一個(gè)整體系統(tǒng)，包括機(jī)械手、控制系統(tǒng)、編程器及其他的軟件和附件。在使用之前要根據(jù)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)要求進(jìn)行選擇，選用適合自己生產(chǎn)線的產(chǎn)品。選用的原則包括性價(jià)比、環(huán)境條件、技術(shù)參數(shù)（負(fù)荷、軸數(shù)、工作范圍、防護(hù)級(jí)別）、服務(wù)等。只有選用適合的，才能充分發(fā)揮機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，以最小的成本創(chuàng)造最大的價(jià)值。

2.機(jī)器人使用成本的控制

與傳統(tǒng)制造不同，自動(dòng)化的流水線一旦某一單機(jī)出現(xiàn)故障會(huì)直接導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停線，制約生產(chǎn)的連續(xù)性。在這一要求下，機(jī)器人必須穩(wěn)定性高，連續(xù)性生產(chǎn)好，同時(shí)也要求我們必須“會(huì)使用”，而且要“使用好”。

傳統(tǒng)的制造模式，生產(chǎn)效率及工作質(zhì)量依靠工人的熟練程度及經(jīng)驗(yàn)，而機(jī)器人化的自動(dòng)線依靠操作工的技能素養(yǎng)，技術(shù)人員儲(chǔ)備及設(shè)備的維保。技術(shù)及設(shè)備操作維保人員的儲(chǔ)備直接關(guān)系到機(jī)器人的使用成本，企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身產(chǎn)品現(xiàn)狀，工藝復(fù)雜程度、機(jī)器人的數(shù)量合理儲(chǔ)備人員。同時(shí)提高人員的技術(shù)專業(yè)技能水平，合理定期對(duì)機(jī)器人維護(hù)保養(yǎng)，使其維持在良好的工作狀態(tài)，減少故障停機(jī)率及維修費(fèi)，為企業(yè)創(chuàng)造出高的價(jià)值。

3.合理的機(jī)器人工裝夾具

機(jī)器人好比我們的“大腦”，而夾具就像我們的“雙手”，因此工裝夾具的設(shè)計(jì)選用顯得尤為重要，只有選擇合適的夾具，配合以流暢的編程動(dòng)作，才能充分發(fā)揮機(jī)器人的作用。

夾具的設(shè)計(jì)選用需要充分考慮到夾具重量、功能、定位等，這些因素中夾具的定位點(diǎn)是機(jī)器人精準(zhǔn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，如果每次夾具的夾取定位存在偏差，會(huì)導(dǎo)致所有的自動(dòng)化操作功虧一簣，適得其反。相反，如果夾具的定位點(diǎn)準(zhǔn)確，適配相應(yīng)功能，會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。

四、結(jié)語

機(jī)器人在鑄造自動(dòng)化生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，但是與真正的自動(dòng)化生產(chǎn)線還存在一定的差距。這就要求我們不拘于現(xiàn)狀，在自動(dòng)化的道路上不斷摸索，權(quán)衡機(jī)器人的應(yīng)用成本，將機(jī)器人在鑄造自動(dòng)化生產(chǎn)線中全面推廣，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。