潘廣堂

【摘 要】針對目前鋁合金大活塞鑄造工藝中存在的問題，設計開發(fā)工業(yè)機器人鋁合金大活塞鑄造系統(tǒng)，重點開發(fā)了驅動澆包單元與取件單元的第七軸伺服機構；特別加強了操作人員安全防護方面的研究，采用軟硬件雙重保護；優(yōu)化澆注工藝流程，使機器人完成兩臺活塞鑄造機的澆鑄、取件、鑄淬等工作。

【關鍵詞】O型圈；非線性；密封；有限元

0 前言

近年來鋁合金鑄造產(chǎn)品市場需求高漲，歐、美等工業(yè)發(fā)達國家轉而向發(fā)展中國家采購鑄件。鋁合金活塞主要采用重力鑄造，傳統(tǒng)的作業(yè)模式是人工勺取鋁液澆鑄，環(huán)境溫度高，搬運強度大，尤其是大鑄件（鑄件質(zhì)量大于30kg）需要兩次舀取鋁液澆注，不但工人體力難以承擔，而且鑄件品質(zhì)難以保證。鑄件容易產(chǎn)生縮松、縮孔等缺陷，成型過程中造成晶粒尺寸不均勻等缺陷，這些缺陷影響了活塞的壽命[1]。工業(yè)機器人作為集多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要自動化裝備，以其高度的柔性化在現(xiàn)代鑄造產(chǎn)業(yè)中應用日趨廣泛。使用工業(yè)機器人進行澆鑄，免除了大鑄件二次澆鑄產(chǎn)生的鑄件缺陷，極大地提高了鑄件質(zhì)量，解放了工人勞動力[2-9]。

1 系統(tǒng)概述

工業(yè)機器人鋁合金大活塞鑄造系統(tǒng)（以下簡稱“鑄造系統(tǒng)”）采用ABB公司的IRB6620型鑄造機器人，末端搭載根據(jù)大活塞鑄造工藝特征自主研發(fā)的機器人第7軸附加軸式澆包單元及機械手取件單元，實現(xiàn)2臺鑄造機的全自動澆鑄、吹氧化皮、取件、鑄淬等工藝目的。

鑄造系統(tǒng)采用圖1所示布局方式，澆鑄鋁液最重為35kg設計，該系統(tǒng)的鋁液澆鑄及取件由鑄造機器人自動完成。第七軸采用ABB原廠伺服馬達及驅動，實現(xiàn)了該第七軸的編程方式和機器人的編程在同一平臺編程。澆包及取件采用機器人附加軸第7軸伺服機構，可以實現(xiàn)鋁液的精確定量和定速舀取及精確取件。每臺機器人搭配2臺鑄造機相向布置方式。通過機器人的運動實現(xiàn)各臺鑄造機的工作工藝。本系統(tǒng)特別加強了操作人員安全防護方面的設計，采用軟硬件雙重保護，達到歐洲標準EN954-1最高安全等級4級。

2 IRB6620鑄造機器人

ABB公司的IRB6620機器人融合了直線軸機器人和多關節(jié)型機器人的各種優(yōu)點，增添了緊湊性、敏捷性等多種特色。是一款載荷150kg的6軸機器人，并具有ABB多關節(jié)型機器人的高運動范圍和內(nèi)在柔韌性特點。該型機器人在設計上實現(xiàn)了高性能和高可靠性，能夠提高產(chǎn)量和利用率。6620的設計舍棄了平衡汽缸，使得機器人更緊湊更敏捷。內(nèi)置式服務信息系統(tǒng)（SIS）可監(jiān)控動作、機械上料及優(yōu)化服務需求。載荷和可達距離：150kg and 2.2m。IRB 6620不僅可抓取較重、較大工件，更適合處理更大轉動慣性的工件。

3 第七軸

澆包單元與取件機械手通過快換裝置采用同一伺服馬達控制，快捷更換，節(jié)省成本，控制精確。將伺服澆包的驅動作為機器人的附加軸來控制，第七軸與機器人其它六軸完美配合，運動流暢、自然，在舀取和澆注過程中都保持平穩(wěn)姿態(tài)，防止鋁液濺出。當機器人腕部（第六軸）的機器人快換裝置與澆包單元的機器人快換裝置精確結合時，通過牙嵌式離合動力傳遞機構，將伺服馬達的動力傳動到澆包單元。第七軸澆包與鑄造機傾轉軸同步隨動，在鑄造機傾轉軸安裝編碼器，機器人讀取編碼器信號測知回轉速度。第七軸電機及驅動器采用ABB原廠產(chǎn)品，配合ABB機器人第七軸驅動軟件包，可以控制澆包與鑄造機澆鑄口始終處于同一相對位置，不論鑄造機以什么速度回轉，都能實現(xiàn)鋁液的完美澆鑄，提高成品率并有效防止事故發(fā)生。

4 安全系統(tǒng)

本系統(tǒng)特別加強了操作人員安全防護方面的設計，采用軟硬件雙重保護。安全部件均采用世界一流品牌產(chǎn)品，達到歐洲標準EN954-1最高安全等級4級。如圖 2，操作安全門、維修安全門、安全光柵、安全門鎖、急停開關等共同構成了安全防護系統(tǒng)。這套系統(tǒng)由2路操作安全門鎖、2路維修安全門鎖、2路安全光柵、1路急停系統(tǒng)等構成7路安全回路，通過安全繼電器進行相應操作，確保操作人員在工作過程中不會受到機器傷害。在鑄造機操作面板、操作安全門操作面板、安全圍欄等處均設有緊急停止按鈕開關，可保證在問題狀態(tài)時隨時停止機器工作。

5 工作流程

機器人處于帶澆勺預熱狀態(tài)，當某臺鑄造機A合模后，機器人收到信號，下移，伺服澆包避開液面表層的氧化層在其下面按設定舀取定量鋁液，然后移動至鑄造機A待澆位置，等待確認澆鑄信號，當操作工人鑲環(huán)完畢并退到安全區(qū)域，確認后給出鑄造機A允許澆鑄的信號，機器人進行自動澆鑄（可按工藝設定澆鑄角度及速度，可實現(xiàn)在線修改）。鑄造機A澆鑄完成后，將澆包進行吹氧化皮處理。機器人進入下一步工序。若此時鑄造機B開模，則機器人將澆包放回保溫處并更換取件機械手，迅速將其鑄件取出送至淬水箱（如果配備鑄件輸送機，則機器人在取出剛剛鑄就的工件前，先將淬水箱中的鑄件取出置于鑄件輸送機上）；若鑄造機B合模，則機器人返回帶澆勺預熱狀態(tài)，為鑄造機B的澆鑄工作做準備；若鑄造機B既不開模也不合模，則機器人待機。

6 結語

本文介紹了工業(yè)機器人鋁合金大活塞鑄造系統(tǒng)。該鑄造系統(tǒng)采用第七軸伺服驅動機構完成活塞的澆鑄與取件作業(yè)。鑄造系統(tǒng)采用軟硬件雙重保護，特別加強了操作人員安全防護工作。該鑄造系統(tǒng)還著重優(yōu)化活塞鑄造生產(chǎn)工藝流程，使機器人完成兩臺活塞鑄造機的澆鑄、取件、鑄淬、去皮、澆包預熱等工作。

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[責任編輯：王偉平]