工業機器人在輕合金重力鑄造自動化中的應用

鑄造是獲得機械產品毛坯的主要方法之一，是裝備制造業的基礎產業。近年來，隨著很多領域主機行業的發展，對鑄件質量要求越來越高，人工成本、安全與環保壓力也在不斷增加，鑄造行業實施質量品牌和創新驅動戰略，提高鑄件質量穩定性和同一性，是產品發展的必然要求，而推進實施鑄造行業“兩化融合”實現關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代、鑄造生產過程智能優化控制是鑄造發展技術升級的必然趨勢。采用先進適用的鑄造新技術，提高鑄造裝備自動化，特別是工業機器人自動化技術的應用，是鑄造企業實施實現可持續發展的關鍵舉措。

工業機器人在輕合金鑄造行業的發展現狀

工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多科學先進技術于一體的現代制造重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業機器人以來，機器人技術及其產品發展很快，已成為柔性制造系統、自動化工廠、計算機集成制造系統的自動化工具，工業機器人已在越來越多的領域得到了應用。在制造業中，尤其在汽車產業中，工業機器人得到了廣泛的應用。例如，在焊接、表面噴覆、上下料、裝配等作業中，機器人都取代了人工作業。

眾所周知，降低能耗，減少環境污染以及節約地球有限資源是當今人們所面臨的一個十分重要而緊迫的任務。在汽車、3C等產品輕量化的總趨勢推動下，傳統的鋼鐵材料都逐步轉型升級成鋁合金、鎂合金或鋅合金成型的輕合金材料，特別是鋁合金，密度低，但強度比較高，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗腐蝕性等特點，鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機械性能，物理性能和抗腐蝕性能。但是傳統的鋁合金鑄造成型，也是在惡劣的環境中進行，伴隨著高溫、粉塵、噪音、廢氣等環境問題。從2000年初期開始，機器人已逐步在鋁合金壓鑄領域應用得到了應用，到目前已發展成為壓鑄柔性加工單元，實現整個壓鑄過程中利用機器人來實現噴涂、給湯、取件等作業過程，傳統的壓鑄生產效率高，鑄件尺寸精度高等特點尤為突出。

但隨著新型高強度、高韌性、超薄壁合金材料成型的要求，常規壓鑄生產出的零件不能通過熱處理來提高性能的劣勢也有所凸顯。而輕合金的重力鑄造由于可以根據產品成型的需要實現多種方式的澆注工藝，并能通過熱處理對合金材料進行強化，提高產品性能，是目前輕合金材料成型逐步推廣的方式之一，且該種方式設備布局簡單、靈活，投資相對較低。目前國內大多數輕合金的重力鑄造企業還處于全人工操作階段，但是國外的一些企業已形成利用工業機器人替代人工進行重力鑄造過程中的下芯、清模、澆注、取件、打磨等作業。

工業機器人集成技術在輕合金重力鑄造自動化生產中的應用

輕合金重力鑄造傳統的生產模式是手工下芯-鑄機合模-手工勺取鋁液澆注-鑄機翻轉產品凝固-手工開模頂出-手工取件-手工打碼-自然冷卻-手工清理-轉運檢測?；旧险麄€過程都以手工作業為主，對人的依賴性比較高，由于操作員工更替頻繁及受操作人員體能的限制，會造成澆注工藝穩定性差，鑄造產品質量時有波動。

作為中航工業特飛所下屬的湖北航特裝備制造股份有限公司，是一家專業從事鋁合金重力傾轉鑄造的高新技術企業，憑借自身豐富的鑄造經驗和國內鑄造設備的領先技術，從2014年開始深度開發機器人重力澆注自動化生產線，目前已研制實施單軌機器人、雙軌機器人重力澆注自動化生產線，高架天軌機器人鑄造自動化生產線。其中單軌機器人、雙軌機器人重力澆注自動化生產線主要是針對不同類別及節拍要求的產品，可以很靈活對生產線進行布局和調整。高架天軌機器人鑄造生產線是以整個鑄造過程進行組線集成自動化生產，適合大批量產品。

1、單軌機器人澆注自動化生產線

由一臺澆注機器人和一條軌道系統組成，澆鑄機分布在軌道兩邊。澆注機器人接收到鑄機的澆注信號時，澆注機器人從熔爐勺取定量的鋁液，然后通過軌道運動到鑄機旁，從而實現自動澆注過程（如圖1所示）。

2、 雙軌機器人重力澆注自動化生產線

此生產線與布局1相似，由兩臺澆注機器人和兩條軌道系統組成，澆鑄機分布在軌道兩邊，一臺澆注機器人負責一邊的鑄機。澆注機器人接受到鑄機的澆注指令，澆注機器人從熔爐勺取定量的鋁液，然后通過軌道運動到鑄機旁，進行自動澆注，由于兩臺機器人共用一臺熔爐，之間會有一個信號集成（如圖2所示）。

3、高架天軌機器人重力鑄造自動化生產線

該生產模式是手工下芯-鑄機合模-機器人勺取鋁液澆注-鑄機翻轉產品凝固-自動開模頂出-機器人取件-機器人抓取工件打碼-機器人放傳送帶冷卻-機器人抓取工件清理-機器人抓取工件放傳送帶-機器人抓取工件進行X光檢測。

此生產線包括一套七軸澆注機器人、一套七軸取件機器人、一套六軸清理機器人、一套檢測機器人、一套龍門高架軌道系統、四臺大回轉伺服電機齒輪傳動傾轉鑄造機、一條冷卻傳送帶、一條轉運傳送帶、一條清理及柔性打磨臺組成，取件機器人安裝在龍門高架上端而澆注機器人安裝在龍門高架下端，方便地面的清理及節約空間（如圖3、圖4所示）。按如下幾個步驟實現鑄造過程的自動化：

a.當操作工手工完成模具氣動清理及下芯后，按下鑄造機電控柜面板上的“工作”按鈕，澆注機器人從熔爐中根據工藝設置的劑量參數精準提取相應的鋁水、輸送并完成對發出信號相應模具的自動澆注。完成澆注后，澆注機器人向已澆注鑄造機發出澆注成功指令，并回到澆包清理站進行澆包清理，然后再返回到熔爐爐口上方保溫和待命，準備進行下一次澆注操作，機器人澆注可實現在鑄造機器人和重力傾轉鑄造機之間進行同步運動，由機器人引導鋁液澆包，可實施獲得澆注的確切位置。

b. 鑄造機得到澆注成功指令后，2秒內開始自動翻轉90度完成鋁水充型，鑄件到達冷卻凝固時間后，鑄造機回轉并順序開模，同時向取件機器人發出取件請求。

c. 取件機器人將鑄件由該模具中夾取出、輸送并打碼放置于冷卻傳送帶。

d. 取件機器人將鑄件放置在傳送帶上，鑄件經過傳送帶冷卻，傳送帶終點處的機器人取件，并將鑄件放置在振砂機中，等待振砂完畢，取件，放入切鋸清刺機器中，切鋸和清理完畢。

e.取件機器人放入傳送帶，檢測機器人對傳送來的零件進行檢測和X射線探傷，檢測機器人將不合格取出放置在不合格品區。從傳送帶流轉過來的合格產品通過取件機器人放置在熱處理區域。

在一流硬件裝備集成基礎上，生產車間還集成先進的制造管理系統（MES），通過物聯網、互聯網、工業自動化等信息技術，實現車間內人、機、料、法環等全方位集成，實現鑄造生產的智能化作業。

工業機器人集成系統技術的發展對于輕合金重力鑄造來說，可以降低投資和運營成本，提高產品質量一致性，提高生產率，改善員工工作質量，增強制造柔性，減少原料浪費，提高成品率并滿足安全法規，改善健康安全條件且能減少人員流動緩解招工壓力。在工業化、信息化發展的同時智能制造是工業技術和信息技術的高度融合，是從根本上實現企業制造模式的變更，在工業化和信息化兩化融合的大背景下，只有提高鑄造業自動化水平，加強工業機器人在鑄造業中的深層次應用，加速推進信息化技術與傳統鑄造行業的深度融合，才能提升鑄造企業的競爭力。