工业机器人在轻合金重力铸造自动化中的应用

铸造是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是装备制造业的基础产业。近年来，随着很多领域主机行业的发展，对铸件质量要求越来越高，人工成本、安全与环保压力也在不断增加，铸造行业实施质量品牌和创新驱动战略，提高铸件质量稳定性和同一性，是产品发展的必然要求，而推进实施铸造行业“两化融合”实现关键工序智能化、关键岗位机器人替代、铸造生产过程智能优化控制是铸造发展技术升级的必然趋势。采用先进适用的铸造新技术，提高铸造装备自动化，特别是工业机器人自动化技术的应用，是铸造企业实施实现可持续发展的关键举措。

工业机器人在轻合金铸造行业的发展现状

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多科学先进技术于一体的现代制造重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统、自动化工厂、计算机集成制造系统的自动化工具，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。例如，在焊接、表面喷覆、上下料、装配等作业中，机器人都取代了人工作业。

众所周知，降低能耗，减少环境污染以及节约地球有限资源是当今人们所面临的一个十分重要而紧迫的任务。在汽车、3C等产品轻量化的总趋势推动下，传统的钢铁材料都逐步转型升级成铝合金、镁合金或锌合金成型的轻合金材料，特别是铝合金，密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗腐蚀性等特点，铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。但是传统的铝合金铸造成型，也是在恶劣的环境中进行，伴随着高温、粉尘、噪音、废气等环境问题。从2000年初期开始，机器人已逐步在铝合金压铸领域应用得到了应用，到目前已发展成为压铸柔性加工单元，实现整个压铸过程中利用机器人来实现喷涂、给汤、取件等作业过程，传统的压铸生产效率高，铸件尺寸精度高等特点尤为突出。

但随着新型高强度、高韧性、超薄壁合金材料成型的要求，常规压铸生产出的零件不能通过热处理来提高性能的劣势也有所凸显。而轻合金的重力铸造由于可以根据产品成型的需要实现多种方式的浇注工艺，并能通过热处理对合金材料进行强化，提高产品性能，是目前轻合金材料成型逐步推广的方式之一，且该种方式设备布局简单、灵活，投资相对较低。目前国内大多数轻合金的重力铸造企业还处于全人工操作阶段，但是国外的一些企业已形成利用工业机器人替代人工进行重力铸造过程中的下芯、清模、浇注、取件、打磨等作业。

工业机器人集成技术在轻合金重力铸造自动化生产中的应用

轻合金重力铸造传统的生产模式是手工下芯-铸机合模-手工勺取铝液浇注-铸机翻转产品凝固-手工开模顶出-手工取件-手工打码-自然冷却-手工清理-转运检测。基本上整个过程都以手工作业为主，对人的依赖性比较高，由于操作员工更替频繁及受操作人员体能的限制，会造成浇注工艺稳定性差，铸造产品质量时有波动。

作为中航工业特飞所下属的湖北航特装备制造股份有限公司，是一家专业从事铝合金重力倾转铸造的高新技术企业，凭借自身丰富的铸造经验和国内铸造设备的领先技术，从2014年开始深度开发机器人重力浇注自动化生产线，目前已研制实施单轨机器人、双轨机器人重力浇注自动化生产线，高架天轨机器人铸造自动化生产线。其中单轨机器人、双轨机器人重力浇注自动化生产线主要是针对不同类别及节拍要求的产品，可以很灵活对生产线进行布局和调整。高架天轨机器人铸造生产线是以整个铸造过程进行组线集成自动化生产，适合大批量产品。

1、单轨机器人浇注自动化生产线

由一台浇注机器人和一条轨道系统组成，浇铸机分布在轨道两边。浇注机器人接收到铸机的浇注信号时，浇注机器人从熔炉勺取定量的铝液，然后通过轨道运动到铸机旁，从而实现自动浇注过程（如图1所示）。

图1 单轨机器人铸造自动化线

2、 双轨机器人重力浇注自动化生产线

此生产线与布局1相似，由两台浇注机器人和两条轨道系统组成，浇铸机分布在轨道两边，一台浇注机器人负责一边的铸机。浇注机器人接受到铸机的浇注指令，浇注机器人从熔炉勺取定量的铝液，然后通过轨道运动到铸机旁，进行自动浇注，由于两台机器人共用一台熔炉，之间会有一个信号集成（如图2所示）。

图2 双轨机器人铸造自动化线

3、高架天轨机器人重力铸造自动化生产线

该生产模式是手工下芯-铸机合模-机器人勺取铝液浇注-铸机翻转产品凝固-自动开模顶出-机器人取件-机器人抓取工件打码-机器人放传送带冷却-机器人抓取工件清理-机器人抓取工件放传送带-机器人抓取工件进行X光检测。

此生产线包括一套七轴浇注机器人、一套七轴取件机器人、一套六轴清理机器人、一套检测机器人、一套龙门高架轨道系统、四台大回转伺服电机齿轮传动倾转铸造机、一条冷却传送带、一条转运传送带、一条清理及柔性打磨台组成，取件机器人安装在龙门高架上端而浇注机器人安装在龙门高架下端，方便地面的清理及节约空间（如图3、图4所示）。按如下几个步骤实现铸造过程的自动化：

图3 高架天轨机器人铸造自动化线

图4 铸造后处理自动化线

a.当操作工手工完成模具气动清理及下芯后，按下铸造机电控柜面板上的“工作”按钮，浇注机器人从熔炉中根据工艺设置的剂量参数精准提取相应的铝水、输送并完成对发出信号相应模具的自动浇注。完成浇注后，浇注机器人向已浇注铸造机发出浇注成功指令，并回到浇包清理站进行浇包清理，然后再返回到熔炉炉口上方保温和待命，准备进行下一次浇注操作，机器人浇注可实现在铸造机器人和重力倾转铸造机之间进行同步运动，由机器人引导铝液浇包，可实施获得浇注的确切位置。

b. 铸造机得到浇注成功指令后，2秒内开始自动翻转90度完成铝水充型，铸件到达冷却凝固时间后，铸造机回转并顺序开模，同时向取件机器人发出取件请求。

c. 取件机器人将铸件由该模具中夹取出、输送并打码放置于冷却传送带。

d. 取件机器人将铸件放置在传送带上，铸件经过传送带冷却，传送带终点处的机器人取件，并将铸件放置在振砂机中，等待振砂完毕，取件，放入切锯清刺机器中，切锯和清理完毕。

e.取件机器人放入传送带，检测机器人对传送来的零件进行检测和X射线探伤，检测机器人将不合格取出放置在不合格品区。从传送带流转过来的合格产品通过取件机器人放置在热处理区域。

在一流硬件装备集成基础上，生产车间还集成先进的制造管理系统（MES），通过物联网、互联网、工业自动化等信息技术，实现车间内人、机、料、法环等全方位集成，实现铸造生产的智能化作业。

工业机器人集成系统技术的发展对于轻合金重力铸造来说，可以降低投资和运营成本，提高产品质量一致性，提高生产率，改善员工工作质量，增强制造柔性，减少原料浪费，提高成品率并满足安全法规，改善健康安全条件且能减少人员流动缓解招工压力。在工业化、信息化发展的同时智能制造是工业技术和信息技术的高度融合，是从根本上实现企业制造模式的变更，在工业化和信息化两化融合的大背景下，只有提高铸造业自动化水平，加强工业机器人在铸造业中的深层次应用，加速推进信息化技术与传统铸造行业的深度融合，才能提升铸造企业的竞争力。