低壓鑄造水冷機(jī)殼機(jī)器人取件設(shè)計(jì)與編程

楊 安，陳曉斌，韓 偉，劉 梁

（1.貴州藍(lán)輝新材料有限公司，貴州遵義 563000；2.廣州城市理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東廣州 510800）

0 引言

低壓鑄造是給密封的保溫爐充以一定壓力的壓縮空氣，保溫爐內(nèi)的液體金屬在壓力作用下通過升液管充填型腔，以形成鑄件的一種方法。由于所用的壓力較低，所以叫做低壓鑄造。為了防止砂芯在鑄造過程中被損壞，保證電動(dòng)機(jī)機(jī)殼內(nèi)部螺旋水道的完整性，提高冷卻效果，目前新能源汽車的電動(dòng)機(jī)機(jī)殼主要采用低壓鑄造成型。目前國內(nèi)企業(yè)低壓鑄造生產(chǎn)水平參差不齊，國內(nèi)最先進(jìn)的已經(jīng)接近或者達(dá)到國際先進(jìn)水平，然而，大部分中小企業(yè)的自動(dòng)化程度還很低，特別是在鑄件的取出、搬運(yùn)環(huán)節(jié)，仍采用工人使用大鐵鉗對鑄件進(jìn)行裝卸和搬運(yùn)的方式，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大而且還具有高溫作業(yè)危險(xiǎn)，嚴(yán)重制約了企業(yè)的生產(chǎn)效率[1]。

1 取件機(jī)器人技術(shù)方案和工作流程

如圖1 所示為某款新能源汽車電動(dòng)機(jī)機(jī)殼，直徑450mm，高400mm，材料是以A356.2 為主的鋁合金，其質(zhì)量達(dá)到43kg，屬于大型復(fù)雜零件。本文通過研究分析新能源汽車電動(dòng)機(jī)殼的形狀特征，設(shè)計(jì)專用的夾持器，保證夾具的可靠性；設(shè)計(jì)機(jī)器人取件系統(tǒng)，避免人工作業(yè)產(chǎn)生的危險(xiǎn)，提高電機(jī)機(jī)殼低壓鑄造自動(dòng)化水平[2]。

圖1 低壓鑄造的電動(dòng)機(jī)機(jī)殼

1.1 取件機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

為了解決電機(jī)機(jī)殼取件效率低并存在高溫作業(yè)危險(xiǎn)的問題，本文設(shè)計(jì)了專門的水冷機(jī)殼機(jī)器人取件系統(tǒng)，如圖2 所示；該系統(tǒng)主要包括：低壓鑄造機(jī)床、2 個(gè)取件機(jī)器人、鑄件傳送帶、鑄件機(jī)器人夾持器和水冷機(jī)殼鑄件5 個(gè)部分。其工作原理為：當(dāng)?shù)蛪鸿T造機(jī)床完成水冷機(jī)殼低壓鑄造以后，低壓鑄造模具打開，模具上模板將鑄件提起，取件機(jī)器人使用專門的機(jī)器人夾持器夾住水冷機(jī)殼鑄件（此時(shí)鑄件溫度在200～300℃之間）并取出，通過事先編輯好的軌跡動(dòng)作程序（通過示教-再現(xiàn)的方式獲得）將鑄件搬運(yùn)到傳送帶上進(jìn)行傳送，進(jìn)一步傳送到下一工位（機(jī)加工區(qū)域）后，再由取件機(jī)器人取下[3]。

圖2 水冷機(jī)殼機(jī)器人取件系統(tǒng)

1.2 取件機(jī)器人系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)

整個(gè)鑄件取件系統(tǒng)工作流程如圖3 所示，共分為低壓鑄造部分、鑄件取件部分和鑄件傳送部分。首先，取件機(jī)器人安裝在低壓鑄造機(jī)床正前方，處于待機(jī)狀態(tài)；系統(tǒng)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)機(jī)殼先在低壓鑄造機(jī)床中進(jìn)行鑄造成型，成型后機(jī)床開模，由模具拉桿帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)機(jī)殼鑄件上升離開模具[4]；取件機(jī)器人此時(shí)開始工作，安裝于機(jī)器人手端的夾持器伸入上升的鑄件下方，對準(zhǔn)鑄件后緩緩上升，到達(dá)夾緊位置后，夾持器夾緊鑄件，接著模具拉桿松開鑄件，機(jī)器人便可通過特定的搬運(yùn)程序?qū)㈣T件搬運(yùn)到旁邊的傳送帶上并松開鑄件，再由輸送帶對鑄件進(jìn)行傳送，到達(dá)下一工位（機(jī)加工區(qū)域）后，停止傳送，再由取件機(jī)器人夾持、搬運(yùn)、放置于機(jī)加工區(qū)域，完成整個(gè)取件過程[5，6]。

整個(gè)鑄件取件系統(tǒng)工作流程如圖3 所示。取件機(jī)器人安裝在低壓鑄造機(jī)床正前方，處于待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)鑄造完成后，鑄件隨上模移動(dòng)離開模腔后，機(jī)器人手端的夾持器伸入上升的鑄件下方，對準(zhǔn)鑄件后緩緩上升，到達(dá)夾緊位置后，夾持器夾緊鑄件，接著模具拉桿松開鑄件，機(jī)器人便可通過特定的搬運(yùn)程序?qū)㈣T件搬運(yùn)到旁邊的傳送帶上并松開鑄件；輸送帶對鑄件進(jìn)行傳送，到達(dá)下一工位（機(jī)加工區(qū)域）后，再由取件機(jī)器人夾持、搬運(yùn)、放置于機(jī)加工區(qū)域，完成整個(gè)取件過程[5，6]。

圖3 機(jī)器人取件動(dòng)作流程圖

2 取件機(jī)器人系統(tǒng)主要組成

2.1 低壓鑄造機(jī)和機(jī)器人

低壓鑄造機(jī)使用浙江萬豐公司的WFXJ4510低壓鑄造機(jī)，該機(jī)為用低壓鑄造的方法來生產(chǎn)鋁合金鑄件的通用鑄造設(shè)備。該系統(tǒng)中，機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人夾取的對象一致，都是完成持、搬運(yùn)、放置三個(gè)動(dòng)作，因此選用同類機(jī)器人即可。由于工件的質(zhì)量約為43kg（較重），這里選用了ABB-IRB-4400 的六軸機(jī)器人，其有效負(fù)載為60kg＞43kg，可以較好的完成本套系統(tǒng)的取件要求。

2.2 機(jī)器人夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如上所述，本系統(tǒng)需要取件機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人各一個(gè)，主要為低壓鑄造機(jī)鑄造電動(dòng)機(jī)機(jī)殼提供夾持、搬運(yùn)和放置功能。由于夾持的是同一件機(jī)殼，所以只需采用同樣的夾持器即可。該電動(dòng)機(jī)機(jī)殼由鋁合金低壓鑄造而成，表面硬度較低，夾持時(shí)如果受到大摩檫力容易發(fā)生磨損，破壞機(jī)殼表面。

針對電機(jī)機(jī)殼的形狀特征，設(shè)計(jì)專門的夾持器，如圖4 所示。該夾持器的鉗型手爪能夠很好的抓牢電機(jī)機(jī)殼，其結(jié)構(gòu)主要由夾持器底座、錐齒輪、驅(qū)動(dòng)連桿和夾持手爪4 個(gè)部分組成。其夾持原理是：電機(jī)安裝在底座上，與錐齒輪連接，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)錐齒輪運(yùn)動(dòng)。錐齒輪與驅(qū)動(dòng)連桿連接，驅(qū)動(dòng)連桿帶動(dòng)夾持手爪進(jìn)行夾緊松開的動(dòng)作[7]。該電動(dòng)機(jī)機(jī)殼外表面周圍有凸起處，在進(jìn)行夾持時(shí)手爪能貼合卡緊凸起處，利用凸起處提供支撐力托住機(jī)殼，對機(jī)殼進(jìn)行固定，能夠避免破壞機(jī)殼表面。

圖4 夾持器整體裝配圖

2.3 輸送帶平臺(tái)的設(shè)計(jì)

如圖2 所示，整條傳送帶由一個(gè)電機(jī)、一個(gè)輥筒、一個(gè)托輥和一條輸送帶以及配件組成。托輥通過標(biāo)準(zhǔn)件的選型設(shè)計(jì)，其直徑為72mm。電機(jī)通過聯(lián)軸器與輥筒進(jìn)行連接，輥筒通過與輸送帶的面摩擦傳遞扭矩，最終完成工件的輸送。

需要強(qiáng)調(diào)的是水冷機(jī)殼取出后溫度介于200～300℃之間，故傳送帶的材料需選用鋼帶；為了使得傳送帶的整體高度可以得到一定值的調(diào)節(jié)，提高輸送帶的可調(diào)性以及移動(dòng)性，傳送帶選用了地腳螺母和萬向輪雙重固定移動(dòng)模式。

傳送帶首末兩端安裝光電傳感器用于檢測機(jī)殼鑄件，當(dāng)機(jī)器人從鑄造機(jī)中取出機(jī)殼，放置在傳送帶首端時(shí)，傳感器檢測到機(jī)殼鑄件，發(fā)出信號延時(shí)啟動(dòng)電機(jī)，傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，把機(jī)殼運(yùn)輸?shù)絺魉蛶┒耍┒藗鞲衅鳈z測到機(jī)殼鑄件到位，發(fā)出信號停止電機(jī)，等待第二工位機(jī)器人進(jìn)行取件，把機(jī)殼搬離傳送帶。

3 程序設(shè)計(jì)（取件機(jī)器人程序設(shè)計(jì)）

3.1 取件機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

機(jī)器人取件應(yīng)采用科學(xué)合理的運(yùn)動(dòng)方式，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，改善運(yùn)動(dòng)作業(yè)，避免工件在搬運(yùn)過程中，因搬運(yùn)手段不當(dāng)，造成磕、碰、傷等問題，從而影響工件質(zhì)量。

機(jī)器人取件的動(dòng)作，可分解成為“抓取工件”、“移動(dòng)工件”、“放下工件”等一系列子任務(wù)?？梢赃M(jìn)一步分解為“把機(jī)械手移到工件前方”、“移動(dòng)機(jī)械手貼近工件”、“打開夾持器抓取工件”、“移動(dòng)機(jī)械手運(yùn)輸工件”等一系列動(dòng)作。

3.2 程序編制

常見的程序編制方法有兩種：示教編程方法和離線編程方法。

離線編程需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)完整的仿真環(huán)境，要對整個(gè)工作系統(tǒng)的所有設(shè)備進(jìn)行三維建模并且按照實(shí)際的車間現(xiàn)場進(jìn)行空間布局，過程復(fù)雜、工作量大。因此本次編程采用示教編程方法，由操作人員直接引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，對機(jī)器人進(jìn)行示教。程序分兩部分編制：（1）機(jī)器人從鑄造機(jī)中取出工件（如表1 所示）；（2）機(jī)器人將工件放置傳送帶上（如表2 所示）。

表1 取件程序

表2 送件程序

4 結(jié)語

為了解決新能源汽車電動(dòng)機(jī)殼大且重，人工取件搬運(yùn)效率低且危險(xiǎn)的問題，本文設(shè)計(jì)了專門的鑄件自動(dòng)取件系統(tǒng)，安裝了鑄件傳輸平臺(tái)，選用了合適的取件、搬運(yùn)機(jī)器人，為電機(jī)機(jī)殼量身設(shè)計(jì)了專門的鉗夾式夾持器，保證了機(jī)器人手爪能有效的承受鑄件，保障了水冷機(jī)殼鑄件從低壓鑄造成型傳送到機(jī)加工區(qū)域過程的鑄件自動(dòng)化取件和搬運(yùn)任務(wù)；降低了企業(yè)的人工成本，解決了企業(yè)人工搬運(yùn)鑄件時(shí)的安全隱患，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。