汽車(chē)鋁合金缸體低壓鑄造機(jī)器人集成系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

龐洛明，康敬樂(lè)，李 峰，李來(lái)升，孫玉霞，朱 亮，懷松松，蔡少剛

（國(guó)機(jī)鑄鍛機(jī)械有限公司，山東濟(jì)南 250306）

1 背景技術(shù)

目前，鋁合金缸體的鑄造方法主要是壓力鑄造技術(shù)、重力鑄造技術(shù)、低壓鑄造技術(shù)、消失模鑄造技術(shù)和Cosworth 技術(shù)（即冷芯盒砂芯組芯造型）[1]。壓力鑄造是鋁合金缸體最廣泛、最普遍采用的一種方法，但是，它只能生產(chǎn)開(kāi)艙結(jié)構(gòu)缸體，鑄件壁厚處易產(chǎn)生縮孔、氣孔，設(shè)備投資大；采用低壓鑄造技術(shù)可以生產(chǎn)帶有砂芯的鋁合金缸體，也就是說(shuō)可以獲得閉艙結(jié)構(gòu)的缸體。與壓力鑄造相比，設(shè)備和模具投資大為減少，并且可以滿足多品種小批量生產(chǎn)需要[2]。

一般來(lái)說(shuō)，采用重力鑄造鋁合金缸體，金屬利用率在60%左右，而低壓鑄造金屬利用率可達(dá)90%以上，節(jié)能減排效果明顯，低壓鑄造鋁合金缸體不僅提高了鑄件的力學(xué)性能，也帶來(lái)了輕量化效果。而采用消失模鑄造技術(shù)和Cosworth 技術(shù)生產(chǎn)鋁合金缸體存在型砂再生技術(shù)難題和產(chǎn)生環(huán)境污染等缺點(diǎn)。

現(xiàn)有技術(shù)中的鋁合金缸體低壓鑄造機(jī)，雖然單機(jī)的自動(dòng)化程度很高，但是由于整個(gè)生產(chǎn)工藝過(guò)程較長(zhǎng)，涉及到的技術(shù)領(lǐng)域廣泛，如主機(jī)、工業(yè)用計(jì)算機(jī)、觸摸屏人機(jī)界面、液面加壓、PLC 控制、取件機(jī)械手、模具冷卻與溫度控制、鑲?cè)Γǜ滋祝┘訜帷⒁簤簜鲃?dòng)、氣動(dòng)控制等，目前將各工序合理布局的組線技術(shù)的應(yīng)用仍是空白，各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要的操作者人數(shù)多；同時(shí)由于是高溫環(huán)境作業(yè)，操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度高，勞動(dòng)條件差，所以生產(chǎn)效率低，人工成本高[3]。

隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展和節(jié)能減排意識(shí)的提高，人們對(duì)鋁合金缸體低壓鑄造機(jī)器人集成系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)越來(lái)越明確，它可以滿足多品種小批量生產(chǎn)需要，實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，徹底解決人工成本高、能耗高、不利于節(jié)能減排、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)的難題，真正實(shí)現(xiàn)整個(gè)低壓鑄造工藝過(guò)程的自動(dòng)化、智能化。

2 設(shè)計(jì)方案

兩臺(tái)鋁合金缸體低壓鑄造機(jī)共用一臺(tái)機(jī)器人，在一個(gè)鑄造生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)分別交替完成鑲?cè)Γǜ滋祝┤》藕丸T件取出，并利用鑲?cè)Γǜ滋祝┹斔脱b置與感應(yīng)加熱裝置解決了現(xiàn)有技術(shù)中鑲?cè)Γǜ滋祝┘訜嵘a(chǎn)效率低、生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題；同時(shí)配置智能氣動(dòng)打碼機(jī)、鑄件用平板輸送機(jī)和鑄件外觀視覺(jué)識(shí)別裝置等，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)低壓鑄造過(guò)程的自動(dòng)化、智能化，促進(jìn)汽車(chē)鋁合金缸體鑄造產(chǎn)業(yè)化升級(jí)，特別適用于單件大批量或多品種小批量生產(chǎn)使用。整個(gè)方案布局合理、緊湊，占用空間少，如圖1 所示。

3 系統(tǒng)組成

該集成系統(tǒng)由以下幾部分組成：一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人工作站；兩臺(tái)鋁合金缸體低壓鑄造機(jī)；一臺(tái)鑲?cè)Γǜ滋祝└哳l感應(yīng)加熱裝置；一臺(tái)鑲?cè)Γǜ滋祝┹斔脱b置；一臺(tái)智能氣動(dòng)打碼機(jī)；一臺(tái)鑄件用平板輸送機(jī)；一臺(tái)鑄件外觀視覺(jué)識(shí)別裝置。

4 鑄件相關(guān)參數(shù)

缸體外形尺寸 (長(zhǎng)×寬×高)：400mm×400mm×280mm；四缸中心距：91mm；鑲?cè)Τ叽纾和鈴?3mm，高度130mm，壁厚5mm；毛重：1.09kg；鑄件重量：～40kg（含4 個(gè)鑲?cè)Γ?/p>

鋁合金缸體鑄件如圖2 所示；鋁合金缸套如圖3 所示。

5 集成系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

圖1 汽車(chē)鋁合金缸體低壓鑄造機(jī)器人集成系統(tǒng)平面布置圖

圖2 鋁合金缸體鑄件圖

圖3 鋁合金缸體缸套圖

空循環(huán)時(shí)間：2.5min；鑲?cè)Γǜ滋祝┘訜幔簝晒の唬ㄆ渲幸还の患訜?，一工位完成加熱）；鑲?cè)訜釡囟确秶?0～500℃；控制精度：±5℃；鑄件實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍5～8min (根據(jù)鑄件大小及模具冷卻點(diǎn)位確定)；機(jī)器人取放鑲?cè)Γǜ滋祝┖妥ト¤T件的位置精度＜±0.15mm；機(jī)器人取放鑲?cè)Γǜ滋祝┖妥ト¤T件的重復(fù)精度＜±0.20mm。

6 集成系統(tǒng)總體布局

6.1 工業(yè)機(jī)器人工作站

（1）工業(yè)機(jī)器人工作站主要完成鑄件和鑲?cè)Γǜ滋祝┑娜》乓约澳＞叩臍鈩?dòng)清掃等功能。

（2）機(jī)器人三合一夾具端面與機(jī)器人本體的主臂外法蘭對(duì)接，其中有電纜線和氣動(dòng)管路穿過(guò)，與夾具內(nèi)部的電磁閥和氣缸相連接；如圖5 所示為機(jī)器人主臂外法蘭與卡具連接圖。

圖4 集成系統(tǒng)三維布局圖

圖5 機(jī)器人與卡抓圖

（3）機(jī)器人夾具由中空的箱體、缸體夾爪氣缸、鑲?cè)ψナ謿飧?、鑲?cè)ψナ滞鈸螇K、缸體夾爪等組成。

未來(lái)5-10年，中國(guó)餐飲企業(yè)一定要有成為像麥當(dāng)勞、肯德基這樣世界級(jí)的連鎖餐飲企業(yè)。那么，國(guó)內(nèi)餐飲企業(yè)依賴什么才能做大做強(qiáng)呢？

（4）機(jī)器人缸體夾爪設(shè)置在箱體上部，箱體上部設(shè)有供缸體夾爪上下移動(dòng)的開(kāi)口槽，缸體夾爪從空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部經(jīng)開(kāi)口槽向外伸出。

（5）機(jī)器人缸體夾爪與缸體夾爪氣缸的活塞桿連接，鑲?cè)Γǜ滋祝┳ナ峙c鑲?cè)Γǜ滋祝┳ナ謿飧椎幕钊麠U連接，四個(gè)鑲?cè)Γǜ滋祝┳ナ滞鈸螇K和鑲?cè)Γǜ滋祝┳ナ謴蔫側(cè)ψナ指魺釅|中相應(yīng)的開(kāi)口槽中伸出。

（6）在鑲?cè)Γǜ滋祝┳ナ值膶?duì)面，設(shè)置多個(gè)壓縮空氣的噴嘴，完成模具上下型腔和下模四抽芯型腔的清掃。

（7）機(jī)器人集成控制柜設(shè)置在鑄件用平板輸送機(jī)靠近的外側(cè)。

6.2 鋁合金缸體低壓鑄造機(jī)

（1）鋁合金缸體低壓鑄造機(jī)采用水平開(kāi)合模+四靜模抽插芯結(jié)構(gòu)，其中合模缸行程采用位移傳感器控制，油缸快慢速轉(zhuǎn)換明顯,運(yùn)行平穩(wěn)。

（2）兩臺(tái)低壓鑄造主機(jī)對(duì)稱設(shè)置于工業(yè)機(jī)器人工作站的左右兩側(cè)，在低壓鑄造主機(jī)的靜模板下部設(shè)有浸入式加熱保溫爐。

（3）浸入式加熱保溫爐采用雙室爐結(jié)構(gòu)，可控硅調(diào)壓，PID 控溫，具有控溫精度高，節(jié)能效果顯著的特點(diǎn)。保溫爐控制柜布置在主機(jī)PLC 柜的旁邊。

（5）主機(jī)電氣系統(tǒng)采用PLC 控制+觸摸屏人機(jī)界面監(jiān)控，使主機(jī)達(dá)到智能化運(yùn)行；低壓鑄造主機(jī)控制柜布置在操作平臺(tái)的邊緣處，與保溫爐控制柜并列。

（6）主機(jī)模具冷卻系統(tǒng)采用各自獨(dú)立的20 通道ON/Off+Flow 控制方式，各通道流量按比例自動(dòng)調(diào)節(jié)并數(shù)字顯示，冷卻介質(zhì)可以是水、氣及水氣混合，布置在主機(jī)旁邊的操作平臺(tái)上。

（7）主機(jī)液壓伺服泵控制系統(tǒng)對(duì)稱布置在水冷機(jī)之間。

圖6 低壓鑄造主機(jī)與機(jī)器人之間位置

6.3 鑲?cè)Γǜ滋祝└哳l感應(yīng)加熱裝置

（1）鑲?cè)Γǜ滋祝└哳l加熱感應(yīng)裝置主要由高頻感應(yīng)電源、感應(yīng)加熱線圈、冷卻系統(tǒng)、高頻感應(yīng)加熱控制柜等組成，設(shè)置于其中一側(cè)低壓鑄造主機(jī)的前部，其中鑲?cè)θ肟谠O(shè)置在該集成系統(tǒng)的邊緣，鑲?cè)Γǜ滋祝┏隹谠O(shè)置在鑲?cè)Γǜ滋祝└哳l感應(yīng)加熱裝置的感應(yīng)線圈旁邊。

（2）鑲?cè)Γǜ滋祝└袘?yīng)加熱線圈是直列式四缸同時(shí)加熱，其內(nèi)側(cè)底部設(shè)置驅(qū)動(dòng)鑲?cè)Γǜ滋祝|板上升與下降的氣缸，感應(yīng)線圈與鑲?cè)Γǜ滋祝└哳l感應(yīng)加熱電控系統(tǒng)相連接，如圖7 所示。

圖7 集成系統(tǒng)單元與機(jī)器人位置圖

6.4 鑲?cè)Γǜ滋祝┹斔脱b置

（1）電機(jī)及減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置、直板鏈輸送機(jī)構(gòu)采用PLC 控制。

（2）在直板鏈輸送機(jī)構(gòu)的前端和后端分別是鑲?cè)Γǜ滋祝┤肟谖恢煤丸側(cè)Γǜ滋祝┏隹谖恢谩?/p>

（3）鑲?cè)Γǜ滋祝┤肟诓贾迷谠摷上到y(tǒng)的邊緣，便于人工上料，鑲?cè)Γǜ滋祝┏隹诓贾迷诳拷側(cè)Ω哳l感應(yīng)加熱裝置感應(yīng)線圈的旁邊，便于機(jī)器人抓取。

6.5 鑄件外觀視覺(jué)識(shí)別裝置

視覺(jué)識(shí)別裝置設(shè)置于目視臺(tái)上取件位的內(nèi)側(cè)；采用工業(yè)相機(jī)對(duì)鑄件表面進(jìn)行快速拍照并由相應(yīng)軟件與所存儲(chǔ)的合格鑄件外觀進(jìn)行對(duì)比后識(shí)別鑄件表面質(zhì)量；在目視臺(tái)上，人工二次確認(rèn)。

6.6 智能氣動(dòng)打碼機(jī)

智能氣動(dòng)打碼機(jī)在鑄件檢驗(yàn)位置的旁邊；在機(jī)器人夾持下完成，無(wú)需定位；氣動(dòng)點(diǎn)陣式打碼，可快速進(jìn)行數(shù)字、字母、字符串及圖形打碼，具有可追溯性，如圖8 所示。

6.7 鑄件用平板輸送機(jī)

鑄件平板輸送機(jī)設(shè)置在鑄件檢驗(yàn)位置外側(cè)；采用PLC 控制電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)和鏈板式輸送結(jié)構(gòu)，通過(guò)變頻器控制運(yùn)行速度，確保與低壓鑄造主機(jī)的節(jié)拍同步。

圖8 智能氣動(dòng)打碼位置圖

6.8 防護(hù)欄

在工業(yè)機(jī)器人工作站的前側(cè)設(shè)防護(hù)欄，在防護(hù)欄的左側(cè)設(shè)置防護(hù)門(mén)，防護(hù)門(mén)上設(shè)置機(jī)械鎖和安全限位開(kāi)關(guān)。

7 低壓鑄造機(jī)器人集成系統(tǒng)工藝過(guò)程控制

兩臺(tái)低壓鑄造主機(jī)共用1 臺(tái)機(jī)器人，具有鑲?cè)Γǜ滋祝┖丸T件取放夾鉗上下合一的取放裝置。按照設(shè)定程序，在第一個(gè)機(jī)器循環(huán)中，機(jī)器人的下卡爪將預(yù)熱到500℃±5℃的4 個(gè)鑲?cè)Γǜ滋祝┩瑫r(shí)放入到模具下腔后返回。低壓鑄造機(jī)主機(jī)完成四靜模插芯和主合型動(dòng)作，允許澆注的指示燈亮后，微機(jī)液面加壓系統(tǒng)自動(dòng)完成“升液-充型-結(jié)殼-增壓-保壓-自動(dòng)排氣”，冷卻倒計(jì)時(shí)后自動(dòng)開(kāi)型至取件位。機(jī)器人移入后，上夾鉗把鑄件夾緊同時(shí)主機(jī)頂出鑄件，然后機(jī)器人將鑄件移送到鑄件自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)處，對(duì)取出的鑄件進(jìn)行掃描并自動(dòng)識(shí)別：合格鑄件進(jìn)行智能氣動(dòng)打碼，然后機(jī)器人將鑄件放置到平板輸送機(jī)上，合格鑄件被移送到下一工序處。不合格鑄件機(jī)器人夾持鑄件移送到周轉(zhuǎn)箱碼垛。在一次開(kāi)型過(guò)程中，機(jī)器人完成兩個(gè)功能：由鑲?cè)Γǜ滋祝A鉗從感應(yīng)加熱裝置處將一組鑲?cè)Γǜ滋祝┤〕?，并自?dòng)放置到主機(jī)模具下腔處，如圖9 所示。各單機(jī)子循環(huán)完全相同，只要錯(cuò)位運(yùn)行即可，主機(jī)與機(jī)器人及其附屬裝置之間各信號(hào)連鎖，互不干涉。這樣機(jī)器人低壓鑄造自動(dòng)化單元節(jié)拍緊湊，生產(chǎn)率高。

圖9 機(jī)器人取放鑲?cè)Γǜ滋祝┪恢脠D

8 機(jī)器人集成系統(tǒng)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）主機(jī)采用位移傳感器檢測(cè)油缸的全行程，開(kāi)合模行程位置在人機(jī)界面任意設(shè)定，如圖10 所示。

圖10 主機(jī)參數(shù)設(shè)置畫(huà)面

（2）液壓系統(tǒng)采用伺服泵驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比使系統(tǒng)節(jié)能50%以上[4]，如圖11 所示。

（3）采用浸入加熱雙室爐，實(shí)現(xiàn)喉口自動(dòng)懸浮，保溫爐節(jié)能50%，如圖12 所示。

圖11 主機(jī)伺服泵液壓控制系統(tǒng)

圖12 低壓鑄造浸入式加熱雙室保溫爐

9 總體解決方案的優(yōu)勢(shì)

（1）布局緊湊，占用空間少，兩臺(tái)鋁合金缸體低壓鑄造機(jī)共用一臺(tái)機(jī)器人，在一個(gè)鑄造生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)分別交替完成鑲?cè)θ》藕丸T件取出以及模具清掃，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)低壓鑄造機(jī)與各輔助工序的交替式自動(dòng)化生產(chǎn)，不僅減少了設(shè)備投資，而且大大降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境，解決了現(xiàn)有技術(shù)的低壓鑄造機(jī)生產(chǎn)效率較低的問(wèn)題。

（2）采用鑲?cè)Γǜ滋祝└哳l加熱感應(yīng)裝置，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)將鑲?cè)訜岬揭?guī)定的預(yù)熱溫度，升溫速度快，溫度均勻性好，控溫精度高。

（3）實(shí)現(xiàn)整個(gè)低壓鑄造工藝流程的自動(dòng)化和智能化，特別適用于單件大批量或多品種小批量生產(chǎn)使用。

（4）如圖13 所示，與現(xiàn)有技術(shù)中的壓力鑄造相比，不僅提高鑄件的力學(xué)性能，也彌補(bǔ)了壓力鑄造方法不能生產(chǎn)帶有砂芯的鋁合金缸體鑄件的局限，并且能夠?qū)崿F(xiàn)柔性化生產(chǎn)，降低人工成本，提高生產(chǎn)效率，滿足多品種小批量生產(chǎn)需要，促進(jìn)汽車(chē)鋁合金缸體鑄造產(chǎn)業(yè)化升級(jí)。

圖13 生產(chǎn)鋁合金缸體的2500 噸臥式冷室壓鑄機(jī)

（5）如圖14 所示，與重力鑄造技術(shù)相比，能夠減少重熔的回爐料，節(jié)能減排效果顯著，而且鋁合金缸體低壓鑄造件壁厚更薄，具有輕量化效果，降低了鑄件成本。

圖14 生產(chǎn)鋁合金缸體的重力鑄造機(jī)

10 結(jié)語(yǔ)

鋁合金低壓鑄造是近凈型成形技術(shù)之一，也屬于汽車(chē)鋁合金輕量化技術(shù)范疇。鑄造汽車(chē)鋁合金缸體低壓鑄造機(jī)器人集成系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新，彌補(bǔ)了壓力鑄造不能生產(chǎn)帶有砂芯的鋁合金缸體的局限，該集成系統(tǒng)所涵蓋的技術(shù)領(lǐng)域具有三重節(jié)能效果，并明顯地提高了鋁合金缸體鑄件的力學(xué)性能，以機(jī)器人為紐帶，組成了汽車(chē)鋁合金缸體低壓鑄造集成系統(tǒng)，其生產(chǎn)節(jié)拍短，生產(chǎn)效率大為提高，應(yīng)用前景十分廣闊。