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圖1 單軌機(jī)器人鑄造自動化線
圖2 雙軌機(jī)器人鑄造自動化線
圖3 高架天軌機(jī)器人鑄造自動化線
圖4 鑄造后處理自動化線
鑄造是獲得機(jī)械產(chǎn)品毛坯的主要方法之一，是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。近年來，隨著很多領(lǐng)域主機(jī)行業(yè)的發(fā)展，對鑄件質(zhì)量要求越來越高，人工成本、安全與環(huán)保壓力也在不斷增加，鑄造行業(yè)實施質(zhì)量品牌和創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略，提高鑄件質(zhì)量穩(wěn)定性和同一性，是產(chǎn)品發(fā)展的必然要求，而推進(jìn)實施鑄造行業(yè)“兩化融合”實現(xiàn)關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代、鑄造生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制是鑄造發(fā)展技術(shù)升級的必然趨勢。采用先進(jìn)適用的鑄造新技術(shù)，提高鑄造裝備自動化，特別是工業(yè)機(jī)器人自動化技術(shù)的應(yīng)用，是鑄造企業(yè)實施實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。
工業(yè)機(jī)器人在輕合金鑄造行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀
工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等多科學(xué)先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)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(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)、自動化工廠、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的自動化工具，工業(yè)機(jī)器人已在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中，尤其在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在焊接、表面噴覆、上下料、裝配等作業(yè)中，機(jī)器人都取代了人工作業(yè)。
眾所周知，降低能耗，減少環(huán)境污染以及節(jié)約地球有限資源是當(dāng)今人們所面臨的一個十分重要而緊迫的任務(wù)。在汽車、3C等產(chǎn)品輕量化的總趨勢推動下，傳統(tǒng)的鋼鐵材料都逐步轉(zhuǎn)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(qiáng)度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)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(jī)械性能，物理性能和抗腐蝕性能。但是傳統(tǒng)的鋁合金鑄造成型，也是在惡劣的環(huán)境中進(jìn)行，伴隨著高溫、粉塵、噪音、廢氣等環(huán)境問題。從2000年初期開始，機(jī)器人已逐步在鋁合金壓鑄領(lǐng)域應(yīng)用得到了應(yīng)用，到目前已發(fā)展成為壓鑄柔性加工單元，實現(xiàn)整個壓鑄過程中利用機(jī)器人來實現(xiàn)噴涂、給湯、取件等作業(yè)過程，傳統(tǒng)的壓鑄生產(chǎn)效率高，鑄件尺寸精度高等特點尤為突出。
但隨著新型高強(qiáng)度、高韌性、超薄壁合金材料成型的要求，常規(guī)壓鑄生產(chǎn)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(jù)產(chǎn)品成型的需要實現(xiàn)多種方式的澆注工藝，并能通過熱處理對合金材料進(jìn)行強(qiáng)化，提高產(chǎn)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(shè)備布局簡單、靈活，投資相對較低。目前國內(nèi)大多數(shù)輕合金的重力鑄造企業(yè)還處于全人工操作階段，但是國外的一些企業(yè)已形成利用工業(yè)機(jī)器人替代人工進(jìn)行重力鑄造過程中的下芯、清模、澆注、取件、打磨等作業(yè)。
工業(yè)機(jī)器人集成技術(shù)在輕合金重力鑄造自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用
輕合金重力鑄造傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式是手工下芯-鑄機(jī)合模-手工勺取鋁液澆注-鑄機(jī)翻轉(zhuǎn)產(chǎn)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(zhuǎn)運檢測?；旧险麄€過程都以手工作業(yè)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(wěn)定性差，鑄造產(chǎn)品質(zhì)量時有波動。
作為中航工業(yè)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(yè)從事鋁合金重力傾轉(zhuǎn)鑄造的高新技術(shù)企業(yè)，憑借自身豐富的鑄造經(jīng)驗和國內(nèi)鑄造設(shè)備的領(lǐng)先技術(shù)，從2014年開始深度開發(fā)機(jī)器人重力澆注自動化生產(chǎn)線，目前已研制實施單軌機(jī)器人、雙軌機(jī)器人重力澆注自動化生產(chǎn)線，高架天軌機(jī)器人鑄造自動化生產(chǎn)線。其中單軌機(jī)器人、雙軌機(jī)器人重力澆注自動化生產(chǎn)線主要是針對不同類別及節(jié)拍要求的產(chǎn)品，可以很靈活對生產(chǎn)線進(jìn)行布局和調(diào)整。高架天軌機(jī)器人鑄造生產(chǎn)線是以整個鑄造過程進(jìn)行組線集成自動化生產(chǎn)，適合大批量產(chǎn)品。
1、單軌機(jī)器人澆注自動化生產(chǎn)線
由一臺澆注機(jī)器人和一條軌道系統(tǒng)組成，澆鑄機(jī)分布在軌道兩邊。澆注機(jī)器人接收到鑄機(jī)的澆注信號時，澆注機(jī)器人從熔爐勺取定量的鋁液，然后通過軌道運動到鑄機(jī)旁，從而實現(xiàn)自動澆注過程（如圖1所示）。
2、 雙軌機(jī)器人重力澆注自動化生產(chǎn)線
此生產(chǎn)線與布局1相似，由兩臺澆注機(jī)器人和兩條軌道系統(tǒng)組成，澆鑄機(jī)分布在軌道兩邊，一臺澆注機(jī)器人負(fù)責(zé)一邊的鑄機(jī)。澆注機(jī)器人接受到鑄機(jī)的澆注指令，澆注機(jī)器人從熔爐勺取定量的鋁液，然后通過軌道運動到鑄機(jī)旁，進(jìn)行自動澆注，由于兩臺機(jī)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(jī)器人重力鑄造自動化生產(chǎn)線
該生產(chǎn)模式是手工下芯-鑄機(jī)合模-機(jī)器人勺取鋁液澆注-鑄機(jī)翻轉(zhuǎn)產(chǎn)品凝固-自動開模頂出-機(jī)器人取件-機(jī)器人抓取工件打碼-機(jī)器人放傳送帶冷卻-機(jī)器人抓取工件清理-機(jī)器人抓取工件放傳送帶-機(jī)器人抓取工件進(jìn)行X光檢測。
此生產(chǎn)線包括一套七軸澆注機(jī)器人、一套七軸取件機(jī)器人、一套六軸清理機(jī)器人、一套檢測機(jī)器人、一套龍門高架軌道系統(tǒng)、四臺大回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)齒輪傳動傾轉(zhuǎn)鑄造機(jī)、一條冷卻傳送帶、一條轉(zhuǎn)運傳送帶、一條清理及柔性打磨臺組成，取件機(jī)器人安裝在龍門高架上端而澆注機(jī)器人安裝在龍門高架下端，方便地面的清理及節(jié)約空間（如圖3、圖4所示）。按如下幾個步驟實現(xiàn)鑄造過程的自動化：
a.當(dāng)操作工手工完成模具氣動清理及下芯后，按下鑄造機(jī)電控柜面板上的“工作”按鈕，澆注機(jī)器人從熔爐中根據(jù)工藝設(shè)置的劑量參數(shù)精準(zhǔn)提取相應(yīng)的鋁水、輸送并完成對發(fā)出信號相應(yīng)模具的自動澆注。完成澆注后，澆注機(jī)器人向已澆注鑄造機(jī)發(fā)出澆注成功指令，并回到澆包清理站進(jìn)行澆包清理，然后再返回到熔爐爐口上方保溫和待命，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次澆注操作，機(jī)器人澆注可實現(xiàn)在鑄造機(jī)器人和重力傾轉(zhuǎn)鑄造機(jī)之間進(jìn)行同步運動，由機(jī)器人引導(dǎo)鋁液澆包，可實施獲得澆注的確切位置。
b. 鑄造機(jī)得到澆注成功指令后，2秒內(nèi)開始自動翻轉(zhuǎn)90度完成鋁水充型，鑄件到達(dá)冷卻凝固時間后，鑄造機(jī)回轉(zhuǎn)并順序開模，同時向取件機(jī)器人發(fā)出取件請求。
c. 取件機(jī)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(jī)器人將鑄件放置在傳送帶上，鑄件經(jīng)過傳送帶冷卻，傳送帶終點處的機(jī)器人取件，并將鑄件放置在振砂機(jī)中，等待振砂完畢，取件，放入切鋸清刺機(jī)器中，切鋸和清理完畢。
e.取件機(jī)器人放入傳送帶，檢測機(jī)器人對傳送來的零件進(jìn)行檢測和X射線探傷，檢測機(jī)器人將不合格取出放置在不合格品區(qū)。從傳送帶流轉(zhuǎn)過來的合格產(chǎn)品通過取件機(jī)器人放置在熱處理區(qū)域。
在一流硬件裝備集成基礎(chǔ)上，生產(chǎn)車間還集成先進(jìn)的制造管理系統(tǒng)（MES），通過物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動化等信息技術(shù)，實現(xiàn)車間內(nèi)人、機(jī)、料、法環(huán)等全方位集成，實現(xiàn)鑄造生產(chǎn)的智能化作業(yè)。
工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)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(chǎn)品質(zhì)量一致性，提高生產(chǎn)率，改善員工工作質(zhì)量，增強(qiáng)制造柔性，減少原料浪費，提高成品率并滿足安全法規(guī)，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(yè)化、信息化發(fā)展的同時智能制造是工業(yè)技術(shù)和信息技術(shù)的高度融合，是從根本上實現(xiàn)企業(yè)制造模式的變更，在工業(yè)化和信息化兩化融合的大背景下，只有提高鑄造業(yè)自動化水平，加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人在鑄造業(yè)中的深層次應(yīng)用，加速推進(jìn)信息化技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的深度融合，才能提升鑄造企業(yè)的競爭力。
