基于信息化的缸蓋制芯中心建設(shè)

王志鋒

（廣西玉柴新能源有限公司，廣西玉林 537005）

0 引言

目前，我國大多數(shù)發(fā)動機(jī)企業(yè)缸體鑄造生產(chǎn)流程都能實現(xiàn)全線自動化，但缸蓋由于其復(fù)雜性，所組成的砂芯品種多且不規(guī)則，制芯工部只能實現(xiàn)半自動化，搬運、組芯、浸涂以及輸送等都靠手工操作；過程數(shù)據(jù)基本由人工采集，沒有形成系統(tǒng)化，生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不受控。而國外的知名鑄造公司如沃爾沃、庫爾茲等缸蓋鑄造已實現(xiàn)中央控制全線自動化，甚至實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)流程。

廣西玉柴缸蓋鑄造車間基于信息化建成后可適應(yīng)10 種以上不同機(jī)型缸蓋生產(chǎn)。車間生產(chǎn)流程全部實現(xiàn)自動化，尤其是制芯中心所有工序在輥道線體上完成砂芯組裝、涂膠、浸涂、鉆孔、刻鑄號、下芯等，實現(xiàn)流水線自動化作業(yè)。制芯中心應(yīng)用PROFINET 技術(shù)將制芯機(jī)、機(jī)器人、輸送輥道組成一個信息網(wǎng)絡(luò)，使用RFID 為信息載體，采用35臺機(jī)器人，實現(xiàn)砂芯信息自動識別、設(shè)備工藝智能切換、組芯判別糾錯、凸臺高度檢測等信息化作業(yè)。

本文以玉柴缸蓋制芯中心為例介紹信息化鑄造車間的構(gòu)成以及信息化的實現(xiàn)過程。

1 工藝流程及設(shè)備布置

制芯中心采用冷芯盒制芯工藝，砂芯采用框式結(jié)構(gòu)工藝及疊放式組裝工藝，一箱多件側(cè)澆布置。一個缸蓋砂芯分別由底盤芯、下水套芯、進(jìn)氣道芯、排氣道芯、上水套芯及蓋盤芯組成。除進(jìn)氣道芯和排氣道芯外，其余砂芯外框均為方形結(jié)構(gòu)，只需改變砂芯內(nèi)腔結(jié)構(gòu)就能生產(chǎn)不同型號的缸蓋。采用該工藝后，砂芯夾具采用外框式夾取設(shè)計，一套夾具就能夠夾取、搬運以及定位10 種以上不同機(jī)型的砂芯，實現(xiàn)了通用化、柔性化生產(chǎn)。框式結(jié)構(gòu)夾具3D 外形如圖1 所示。

圖1 框式結(jié)構(gòu)夾具3D 圖

生產(chǎn)工藝流程如圖2 所示，下水套芯、進(jìn)/排氣道芯與上水套芯在線上依次組裝到底盤芯上，經(jīng)過浸涂、表干、鉆孔以及刻字后，再按一定順序與蓋盤芯組合成芯組送到造型下芯。

圖2 適應(yīng)于10 種以上不同機(jī)型缸蓋鑄件的柔性工藝

根據(jù)工藝流程和產(chǎn)能需要，制芯中心有2 條組芯線、1 條表干線、4 條儲存線、1 條合芯線以及1 條送芯線組成。其中單條組芯線按順序依次布置5 臺冷芯盒射芯機(jī)、5 臺搬運機(jī)器人、2 臺注膠機(jī)器人、1 臺組芯機(jī)器人、1 臺打釘機(jī)器人以及1臺檢測機(jī)器人組成。組芯線和表干線之間由2 臺浸涂機(jī)器人完成砂芯轉(zhuǎn)運，表干后由4 臺鉆孔機(jī)器人完成砂芯6 個面排氣孔鉆取后放置到儲存線上，合芯線由1 臺刻鑄號機(jī)器人和2 臺合芯機(jī)器人將砂芯組成芯組，送芯線由穿螺桿及搬運機(jī)器人將芯組固定后送至造型，下芯機(jī)器人完成下芯。圖3 為制芯中心平面布置示意圖，圖中“”表示機(jī)器人。

圖3 制芯中心平面布置示意圖

2 制芯中心信息化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

整個制芯中心的主要生產(chǎn)設(shè)備采用PROFINET 方式組成一個信息網(wǎng)絡(luò)。該組網(wǎng)方式在設(shè)備采購之初技術(shù)交流時就對所有廠家提出約定，要求各設(shè)備都配置PROFINET 接口，并規(guī)定所需傳遞的信息具體內(nèi)容。制芯中心PROFINET 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖4 所示。

圖4 制芯中心PROFINET 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

組成網(wǎng)絡(luò)后，每個制芯單元只需在第一臺制芯機(jī)設(shè)定生產(chǎn)機(jī)型及數(shù)量，其他幾臺制芯機(jī)相應(yīng)會自動調(diào)出同種機(jī)型的參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，達(dá)到數(shù)量后停機(jī)并提示更換配套模具；取芯/組芯機(jī)器人、涂膠機(jī)器人、鉆孔機(jī)器人以及浸涂機(jī)械手也相應(yīng)會自動調(diào)整程序執(zhí)行該機(jī)型所需的工藝動作。

3 RFID 和機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用

3.1 RFID 技術(shù)應(yīng)用

制芯機(jī)將砂芯的生產(chǎn)信息通過PROFINET 傳遞給輸送輥道，而輸送輥道上砂芯的輸送托板是非連續(xù)的，如果僅依靠程序記憶每塊托板的位置及其砂芯信息，不僅需要系統(tǒng)具有很大的儲存容量，且程序可能因突然停電或其他原因?qū)е滦畔G失或錯亂。本制芯中心應(yīng)用RFID 技術(shù)做為砂芯識別跟蹤系統(tǒng)。

RFID 是一種射頻識別技術(shù)，它使用射頻電磁波通過空間耦合（交變磁場或電磁場）在閱讀器和進(jìn)行識別、分類和跟蹤的移動物品（物品上附著有RFID 標(biāo)簽）之間實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的。

輸送輥道上的每塊托板上都安裝有RFID 標(biāo)簽，可以儲存鑄件機(jī)型、編號、生產(chǎn)日期/班組以及凸臺檢測高度，在需要讀取或?qū)懭胄畔⒌奈恢冒惭b讀寫裝置，實現(xiàn)砂芯的識別跟蹤，如圖5 所示。

圖5 砂芯識別跟蹤系統(tǒng)

3.2 機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用

缸蓋采用砂芯全包圍方式成型工藝設(shè)計，本制芯中心共采用35 臺機(jī)器人實現(xiàn)砂芯搬運/組芯/注膠/上螺釘/浸涂/鉆孔/合芯/下芯等，以減少人工對質(zhì)量的影響因素。下面將按照砂芯的生產(chǎn)流程按單元依次介紹。

3.2.1 制芯單元

制芯單元由5 臺制芯機(jī)、修芯輥道及工作臺、機(jī)器人以及組芯輥道組成，如圖6 所示。

圖6 制芯單元示意圖

砂芯在輸送輥道上流向為從左到右。最左邊的兩臺制芯機(jī)分別射制底盤芯和蓋盤芯，取芯機(jī)器人從制芯機(jī)中取出砂芯后放在修芯工作臺上，經(jīng)人工修芯后再放置到輸送輥道托板上（底盤芯和蓋盤芯各1 個托板），并將該砂芯的相關(guān)信息寫入托板RFID 芯片內(nèi)；底盤芯輸送到第三臺制芯機(jī)位置時由注膠機(jī)器人識別砂芯信息并按照配套程序注膠，取芯機(jī)器人抓取已修整的下水套芯并對比該砂芯機(jī)型是否與輥道上底盤芯機(jī)型一致，一致則執(zhí)行組芯程序，不一致則報警；同樣過程，進(jìn)/排氣道芯和上水套芯完成與底盤芯組裝。

3.2.2 浸涂單元

浸涂單元有機(jī)器人、浸涂機(jī)械手、組芯輥道與表干爐進(jìn)口輥道組成，如圖7 所示。

圖7 浸涂單元示意圖

為滿足產(chǎn)能需要，制芯中心有2 套制芯單元，所以浸涂單元布置2 臺機(jī)器人各對應(yīng)一套制芯單元的組芯輥道。機(jī)器人從組芯輥道上抓取砂芯后放置到浸涂機(jī)械手上，浸涂機(jī)械手翻轉(zhuǎn)180°，并下降將砂芯浸入涂料池中完成浸涂，機(jī)器人再將浸涂后的砂芯抓起放置到表干爐進(jìn)口輥道上，并將相關(guān)信息從組芯輥道托板上讀取后寫入到表干爐進(jìn)口輥道托板上。

3.2.3 鉆孔單元

該鉆孔單元可實現(xiàn)砂芯6 個面排氣孔的鉆取，主要由4 臺機(jī)器人、鉆孔機(jī)和鉆孔臺組成，如圖8 所示。

圖8 鉆孔單元示意圖

砂芯經(jīng)表干爐后流轉(zhuǎn)到鉆孔單元，由2 臺搬運機(jī)器人分別抓取底盤砂芯和蓋盤砂芯并翻轉(zhuǎn)后，移動至固定式鉆孔機(jī)上，利用機(jī)器人上下移動完成砂芯上表面鉆孔，然后將砂芯翻轉(zhuǎn)回原位放到鉆孔工作臺上，由2 臺輔助機(jī)器人分別完成砂芯四周平面鉆孔，再由搬運機(jī)器人放置到對應(yīng)的轉(zhuǎn)運輥道上。

3.2.4 合芯單元

合芯單元實現(xiàn)將底盤芯和蓋盤芯按照一定順序組合成砂芯組，由刻字機(jī)器人、合芯機(jī)器人，以及穿螺桿搬運機(jī)器人和上螺母機(jī)器人組成，如圖9 所示。

圖9 合芯單元示意圖

砂芯從儲存輥道流轉(zhuǎn)到合芯單元后，底盤芯組和蓋盤芯分開由兩條輥道送到機(jī)器人取芯工位，兩臺合芯機(jī)器人分別抓取后依次疊放到合芯輥道上送至穿螺桿工位，機(jī)器人完成螺桿緊固后搬運至下芯輥道送至造型下芯。

4 建設(shè)過程的問題及建議

缸蓋制芯中心在建設(shè)之時，工藝采用框式結(jié)構(gòu)組合實現(xiàn)一箱多件，并大量應(yīng)用機(jī)器人作業(yè)，在國內(nèi)同行業(yè)內(nèi)玉柴應(yīng)屬于先例，在很多方面沒有可參考的樣板，在建設(shè)過程中或多或少會存在一些問題。

4.1 工藝優(yōu)化及車間布局

原設(shè)計砂芯之間采用螺釘和熱熔膠方式連接，但后期發(fā)現(xiàn)表干爐與鉆孔單元之間的輥道距離較短，熱熔膠經(jīng)過表干爐烘烤后熔化還來不及固化，鉆孔機(jī)器人抓取后造成砂芯分離。工藝上不得不在制芯單元中增加冷膠工序以避免砂芯分離。如砂芯采用粘膠固定，應(yīng)充分考慮其特性，留有足夠的固化時間后再搬運。

在車間布局上空間略顯緊湊，尤其是表干爐長度比較長，除去必要的通道基本與車間長度相同。所以在車間廠房設(shè)計之前應(yīng)先確認(rèn)車間內(nèi)較大、較長設(shè)備的布置，再以此擴(kuò)展。

4.2 虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

玉柴缸蓋制芯中心采用了大量的機(jī)器人以及不同制造商設(shè)備聯(lián)動相互配合，在后期調(diào)試中存在某個工位機(jī)器人節(jié)拍達(dá)不到要求或設(shè)備之間存在干涉問題（如機(jī)器人夾具與托板）等，如在項目實施之初利用虛擬仿真技術(shù)對機(jī)器人的動作以及設(shè)備聯(lián)動進(jìn)行仿真提前發(fā)現(xiàn)問題所在，就能快速改進(jìn)避免問題發(fā)生。

4.3 新工藝試驗的必要性

玉柴缸蓋制芯中心應(yīng)用了一些新工藝，但這些新工藝在前期驗證不足或沒有實物驗證，只有等設(shè)備調(diào)試后產(chǎn)出砂芯才能驗證，同樣造成調(diào)試周期長，不能很快轉(zhuǎn)入投產(chǎn)的問題。如果前期能利用快速成型技術(shù)做出砂芯來驗證工藝的合理性，后期的時間就會縮短，能更快的為企業(yè)帶來效益。

5 總結(jié)

玉柴缸蓋制芯中心應(yīng)用了一些較為先進(jìn)的設(shè)備工藝，不僅實現(xiàn)了自動化，而且實現(xiàn)信息化作業(yè)，但我們與國外先進(jìn)鑄造企業(yè)相比還有較大差距，如沃爾沃已實現(xiàn)中央控制視頻監(jiān)控。未來鑄造設(shè)備將走向智能化趨勢，如視覺系統(tǒng)智能判斷砂芯質(zhì)量、與ERP 訂單系統(tǒng)對接智能生產(chǎn)、智能監(jiān)控設(shè)備故障等。