龐洛明，康敬樂，李 峰，李來升，孫玉霞，朱 亮，懷松松，蔡少剛

（國機鑄鍛機械有限公司，山東濟南 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)開艙結(jié)構(gòu)缸體，鑄件壁厚處易產(chǎn)生縮孔、氣孔，設備投資大；采用低壓鑄造技術(shù)可以生產(chǎn)帶有砂芯的鋁合金缸體，也就是說可以獲得閉艙結(jié)構(gòu)的缸體。與壓力鑄造相比，設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]。

一般來說，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性能，也帶來了輕量化效果。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。

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

隨著工業(yè)機器人應用技術(shù)的迅速發(fā)展和節(jié)能減排意識的提高，人們對鋁合金缸體低壓鑄造機器人集成系統(tǒng)的認識越來越明確，它可以滿足多品種小批量生產(chǎn)需要，實現(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)準備時間長的難題，真正實現(xiàn)整個低壓鑄造工藝過程的自動化、智能化。

2 設計方案

兩臺鋁合金缸體低壓鑄造機共用一臺機器人，在一個鑄造生產(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)準備時間長的問題；同時配置智能氣動打碼機、鑄件用平板輸送機和鑄件外觀視覺識別裝置等，能夠?qū)崿F(xiàn)整個低壓鑄造過程的自動化、智能化，促進汽車鋁合金缸體鑄造產(chǎn)業(yè)化升級，特別適用于單件大批量或多品種小批量生產(chǎn)使用。整個方案布局合理、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：一臺工業(yè)機器人工作站；兩臺鋁合金缸體低壓鑄造機；一臺鑲?cè)Γǜ滋祝└哳l感應加熱裝置；一臺鑲?cè)Γǜ滋祝┹斔脱b置；一臺智能氣動打碼機；一臺鑄件用平板輸送機；一臺鑄件外觀視覺識別裝置。

4 鑄件相關(guān)參數(shù)

缸體外形尺寸 (長×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

圖1 汽車鋁合金缸體低壓鑄造機器人集成系統(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℃；鑄件實際生產(chǎn)節(jié)拍5～8min (根據(jù)鑄件大小及模具冷卻點位確定)；機器人取放鑲?cè)Γǜ滋祝┖妥ト¤T件的位置精度＜±0.15mm；機器人取放鑲?cè)Γǜ滋祝┖妥ト¤T件的重復精度＜±0.20mm。

6 集成系統(tǒng)總體布局

6.1 工業(yè)機器人工作站

（1）工業(yè)機器人工作站主要完成鑄件和鑲?cè)Γǜ滋祝┑娜》乓约澳＞叩臍鈩忧鍜叩裙δ堋?/p>

（2）機器人三合一夾具端面與機器人本體的主臂外法蘭對接，其中有電纜線和氣動管路穿過，與夾具內(nèi)部的電磁閥和氣缸相連接；如圖5 所示為機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 機器人與卡抓圖

（3）機器人夾具由中空的箱體、缸體夾爪氣缸、鑲?cè)ψナ謿飧住㈣側(cè)ψナ滞鈸螇K、缸體夾爪等組成。

未來5-10年，中國餐飲企業(yè)一定要有成為像麥當勞、肯德基這樣世界級的連鎖餐飲企業(yè)。那么，國內(nèi)餐飲企業(yè)依賴什么才能做大做強呢？

（4）機器人缸體夾爪設置在箱體上部，箱體上部設有供缸體夾爪上下移動的開口槽，缸體夾爪從空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部經(jīng)開口槽向外伸出。

（5）機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|中相應的開口槽中伸出。

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

（7）機器人集成控制柜設置在鑄件用平板輸送機靠近的外側(cè)。

6.2 鋁合金缸體低壓鑄造機

（1）鋁合金缸體低壓鑄造機采用水平開合模+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,運行平穩(wěn)。

（2）兩臺低壓鑄造主機對稱設置于工業(yè)機器人工作站的左右兩側(cè)，在低壓鑄造主機的靜模板下部設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。保溫爐控制柜布置在主機PLC 柜的旁邊。

（5）主機電氣系統(tǒng)采用PLC 控制+觸摸屏人機界面監(jiān)控，使主機達到智能化運行；低壓鑄造主機控制柜布置在操作平臺的邊緣處，與保溫爐控制柜并列。

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

（7）主機液壓伺服泵控制系統(tǒng)對稱布置在水冷機之間。

圖6 低壓鑄造主機與機器人之間位置

6.3 鑲?cè)Γǜ滋祝└哳l感應加熱裝置

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

（2）鑲?cè)Γǜ滋祝└袘訜峋€圈是直列式四缸同時加熱，其內(nèi)側(cè)底部設置驅(qū)動鑲?cè)Γǜ滋祝|板上升與下降的氣缸，感應線圈與鑲?cè)Γǜ滋祝└哳l感應加熱電控系統(tǒng)相連接，如圖7 所示。

圖7 集成系統(tǒng)單元與機器人位置圖

6.4 鑲?cè)Γǜ滋祝┹斔脱b置

（1）電機及減速機的驅(qū)動裝置、直板鏈輸送機構(gòu)采用PLC 控制。

（2）在直板鏈輸送機構(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感應加熱裝置感應線圈的旁邊，便于機器人抓取。

6.5 鑄件外觀視覺識別裝置

視覺識別裝置設置于目視臺上取件位的內(nèi)側(cè)；采用工業(yè)相機對鑄件表面進行快速拍照并由相應軟件與所存儲的合格鑄件外觀進行對比后識別鑄件表面質(zhì)量；在目視臺上，人工二次確認。

6.6 智能氣動打碼機

智能氣動打碼機在鑄件檢驗位置的旁邊；在機器人夾持下完成，無需定位；氣動點陣式打碼，可快速進行數(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

鑄件平板輸送機設置在鑄件檢驗位置外側(cè)；采用PLC 控制電機減速機驅(qū)動和鏈板式輸送結(jié)構(gòu)，通過變頻器控制運行速度，確保與低壓鑄造主機的節(jié)拍同步。

圖8 智能氣動打碼位置圖

6.8 防護欄

在工業(yè)機器人工作站的前側(cè)設防護欄，在防護欄的左側(cè)設置防護門，防護門上設置機械鎖和安全限位開關(guān)。

7 低壓鑄造機器人集成系統(tǒng)工藝過程控制

兩臺低壓鑄造主機共用1 臺機器人，具有鑲?cè)Γǜ滋祝┖丸T件取放夾鉗上下合一的取放裝置。按照設定程序，在第一個機器循環(huán)中，機器人的下卡爪將預熱到500℃±5℃的4 個鑲?cè)Γǜ滋祝┩瑫r放入到模具下腔后返回。低壓鑄造機主機完成四靜模插芯和主合型動作，允許澆注的指示燈亮后，微機液面加壓系統(tǒng)自動完成“升液-充型-結(jié)殼-增壓-保壓-自動排氣”，冷卻倒計時后自動開型至取件位。機器人移入后，上夾鉗把鑄件夾緊同時主機頂出鑄件，然后機器人將鑄件移送到鑄件自動識別系統(tǒng)處，對取出的鑄件進行掃描并自動識別：合格鑄件進行智能氣動打碼，然后機器人將鑄件放置到平板輸送機上，合格鑄件被移送到下一工序處。不合格鑄件機器人夾持鑄件移送到周轉(zhuǎn)箱碼垛。在一次開型過程中，機器人完成兩個功能：由鑲?cè)Γǜ滋祝A鉗從感應加熱裝置處將一組鑲?cè)Γǜ滋祝┤〕?，并自動放置到主機模具下腔處，如圖9 所示。各單機子循環(huán)完全相同，只要錯位運行即可，主機與機器人及其附屬裝置之間各信號連鎖，互不干涉。這樣機器人低壓鑄造自動化單元節(jié)拍緊湊，生產(chǎn)率高。

圖9 機器人取放鑲?cè)Γǜ滋祝┪恢脠D

8 機器人集成系統(tǒng)主要創(chuàng)新點

（1）主機采用位移傳感器檢測油缸的全行程，開合模行程位置在人機界面任意設定，如圖10 所示。

圖10 主機參數(shù)設置畫面

（2）液壓系統(tǒng)采用伺服泵驅(qū)動，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，實現(xiàn)喉口自動懸浮，保溫爐節(jié)能50%，如圖12 所示。

圖11 主機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

（1）布局緊湊，占用空間少，兩臺鋁合金缸體低壓鑄造機共用一臺機器人，在一個鑄造生產(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，實現(xiàn)了兩臺低壓鑄造機與各輔助工序的交替式自動化生產(chǎn)，不僅減少了設備投資，而且大大降低了操作者的勞動強度，改善了工作環(huán)境，解決了現(xiàn)有技術(shù)的低壓鑄造機生產(chǎn)效率較低的問題。

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

（3）實現(xiàn)整個低壓鑄造工藝流程的自動化和智能化，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性能，也彌補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，促進汽車鋁合金缸體鑄造產(chǎn)業(yè)化升級。

圖13 生產(chǎn)鋁合金缸體的2500 噸臥式冷室壓鑄機

（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

10 結(jié)語

鋁合金低壓鑄造是近凈型成形技術(shù)之一，也屬于汽車鋁合金輕量化技術(shù)范疇。鑄造汽車鋁合金缸體低壓鑄造機器人集成系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新，彌補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性能，以機器人為紐帶，組成了汽車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，應用前景十分廣闊。