趙淑國(guó)，董 旭，劉雨奇，王巨果

（山東雙港活塞股份有限公司，山東日照 276800）

·鑄造設(shè)備·

工業(yè)機(jī)器人在活塞澆鑄過(guò)程中的應(yīng)用

趙淑國(guó)，董 旭，劉雨奇，王巨果

（山東雙港活塞股份有限公司，山東日照 276800）

為滿足高度復(fù)雜的活塞澆鑄工藝，加強(qiáng)活塞澆鑄過(guò)程控制，以六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人及活塞重力澆鑄為基礎(chǔ)，結(jié)合高檔活塞澆鑄工藝，將工業(yè)機(jī)器人與第七軸進(jìn)行系統(tǒng)集成，成功實(shí)現(xiàn)一臺(tái)關(guān)節(jié)機(jī)器人完成三臺(tái)鑄造機(jī)的澆鑄工作，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量，保證了產(chǎn)品的一致性、穩(wěn)定性，降低了生產(chǎn)成本，解放了勞動(dòng)力，提升了企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

活塞澆鑄；工業(yè)機(jī)器人；自動(dòng)化

隨著新型汽車節(jié)能高效的發(fā)展需求，汽車制造商對(duì)活塞的性能也提出更高的要求。目前活塞已經(jīng)發(fā)展成為集輕質(zhì)高強(qiáng)度材料、異型外圓復(fù)合型面、異型銷孔等多項(xiàng)新技術(shù)于一體的高技術(shù)含量的產(chǎn)品，不僅對(duì)活塞的內(nèi)、外在質(zhì)量有更高的標(biāo)準(zhǔn)，還對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的一致性、高精度性等標(biāo)準(zhǔn)有更高的要求。為滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)五、國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)和汽車活塞行業(yè)提出的產(chǎn)品高度一致性的要求，活塞企業(yè)迫切需要以豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，深入開(kāi)展智能化鑄造技術(shù)的應(yīng)用研究。采用先進(jìn)適用的鑄造新技術(shù)，提高鑄造裝備智能化，特別是符合活塞技術(shù)需求的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用，是鑄造企業(yè)實(shí)施綠色鑄造生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[1]。

1 活塞鑄造現(xiàn)狀分析

長(zhǎng)期以來(lái)，活塞鑄造行業(yè)屬于高危險(xiǎn)、高污染的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。目前，我國(guó)活塞鑄造行業(yè)多數(shù)的生產(chǎn)過(guò)程都采用傳統(tǒng)的人工澆鑄或者半自動(dòng)澆鑄，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，有大量的工作需要人工完成，危險(xiǎn)性大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，能耗高、鋁水利用率低，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量的一致性及穩(wěn)定性無(wú)法進(jìn)行有效控制。同時(shí)，由于活塞鑄造行業(yè)產(chǎn)生的有害氣體、煙塵、噪聲、高溫、振動(dòng)等問(wèn)題，對(duì)員工身心健康也產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

2 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。在發(fā)達(dá)國(guó)家中，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動(dòng)化裝備的主流及未來(lái)的發(fā)展方向。工業(yè)機(jī)器人具有工作效率高、穩(wěn)定可靠、重復(fù)精度高、能在高危環(huán)境下作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，在傳統(tǒng)制造業(yè)中，特別是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)中可發(fā)揮重要作用。國(guó)外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機(jī)械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)避免了大量的工傷事故。全球諸多國(guó)家近半個(gè)世紀(jì)的工業(yè)機(jī)器人的使用實(shí)踐表明，工業(yè)機(jī)器人的普及是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高社會(huì)生產(chǎn)效率，推動(dòng)企業(yè)和社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。隨著我國(guó)提出“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，工業(yè)機(jī)器人性價(jià)比逐漸提升，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中得到更廣泛應(yīng)用，尤其是在工藝控制復(fù)雜的活塞鑄造現(xiàn)場(chǎng)[2]。

3 工業(yè)機(jī)器人在活塞澆鑄過(guò)程中的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)思路

目前我國(guó)絕大部分活塞生產(chǎn)企業(yè)，在活塞澆鑄過(guò)程都采用傳統(tǒng)的人工澆鑄或半自動(dòng)澆鑄工藝，隨著活塞配套廠家對(duì)高檔活塞性能指標(biāo)要求的提高，原有的人工及半自動(dòng)澆鑄工藝無(wú)法滿足要求。我公司結(jié)合六軸工業(yè)機(jī)器人性能以及活塞生產(chǎn)工藝，自主開(kāi)發(fā)了機(jī)器人自動(dòng)澆鑄控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與第七軸的同步控制。將工業(yè)機(jī)器人與第七軸進(jìn)行系統(tǒng)集成，并通過(guò)人機(jī)交互界面進(jìn)行控制、顯示以及報(bào)警輸出。在整個(gè)控制過(guò)程中，操作人員只需要按下自動(dòng)按鈕即可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)循環(huán)，效率高，易操

作[3]。

我公司在原有生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝改善，經(jīng)過(guò)工藝改善專家委員會(huì)論證，制定出高檔活塞鑄造工藝。在試驗(yàn)過(guò)程中，反復(fù)澆鑄試驗(yàn)和驗(yàn)證，確保澆鑄后的活塞達(dá)到最佳理化性能。對(duì)澆鑄完成的活塞進(jìn)行檢驗(yàn)、試驗(yàn)，確保各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)家要求。

3.2 工藝流程

自動(dòng)啟動(dòng)→機(jī)器人原位待命→1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)鑄造機(jī)發(fā)出準(zhǔn)備澆鑄信號(hào)→關(guān)節(jié)機(jī)器人取鋁液→1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)鑄造機(jī)發(fā)出允許澆鑄信號(hào)→關(guān)節(jié)機(jī)器人開(kāi)始澆鑄→關(guān)節(jié)機(jī)器人發(fā)出澆鑄完成信號(hào)→機(jī)器人回到原點(diǎn)等待（鑄造機(jī)自動(dòng)冷卻）→冷卻完成信號(hào)→鑄造機(jī)開(kāi)模信號(hào)→取件機(jī)械手自動(dòng)抓取活塞→淬火→鑄造機(jī)合?！T造機(jī)發(fā)出準(zhǔn)備澆鑄信號(hào)。

3.3 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.3.1 柔性化定量澆鑄

傳統(tǒng)的人工澆鑄方式，不能對(duì)較少鋁液進(jìn)行定量控制，因此所澆鑄形成的活塞不能保證產(chǎn)品的一致性；本項(xiàng)目鑄造過(guò)程中通過(guò)高分辨率伺服定位來(lái)精準(zhǔn)控制鋁液量，并對(duì)澆鑄過(guò)程進(jìn)行多段速控制，對(duì)整個(gè)澆鑄過(guò)程速度以及速度切換點(diǎn)進(jìn)行柔性化控制，可以滿足日益復(fù)雜的活塞澆鑄工藝，提高活塞成品率[4]。

3.3.2 人機(jī)交互高靈活性

圖1 人機(jī)操作界面

圖2 活塞澆鑄過(guò)程

圖3 取料過(guò)程

圖4 澆鑄完成

圖5 待機(jī)位

為解決六軸機(jī)器人不能直接應(yīng)用在活塞鑄造行業(yè)的難題，我公司在現(xiàn)有六軸機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，研制出七軸機(jī)器人用于活塞澆注。并通過(guò)實(shí)時(shí)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鑄造機(jī)與七軸機(jī)器人之間數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)批量傳送，具有信號(hào)傳輸快、信號(hào)傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。七軸機(jī)器人不僅能實(shí)現(xiàn)六軸機(jī)器人的快速、準(zhǔn)確、平緩移動(dòng)，還能通過(guò)控制系統(tǒng)參數(shù)修改來(lái)實(shí)現(xiàn)澆鑄過(guò)程高度可調(diào)性。

3.3.3 實(shí)時(shí)控制技術(shù)

生產(chǎn)線采用全自動(dòng)封閉控制，實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，澆鑄機(jī)器人通過(guò)與鑄造機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，在整個(gè)澆鑄過(guò)程中，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，并且還通過(guò)溫度、時(shí)間控制來(lái)對(duì)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

3.3.4 在線檢測(cè)

實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)澆鑄，通過(guò)在線檢測(cè)鋁液溫度、模具溫度、活塞淬火時(shí)間、冷卻時(shí)間、各工藝點(diǎn)的時(shí)間節(jié)拍、鋁液澆鑄速度、開(kāi)合模延時(shí)等，確保澆鑄完成的活塞在抗拉強(qiáng)度、硬度、體積穩(wěn)定性、金相組織、線膨脹系數(shù)等理化性能，都能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，能保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性，使毛坯的一致性達(dá)到0個(gè)PPM.

3.3.5 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障和異常進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，并實(shí)時(shí)顯示故障原因，方便故障及時(shí)排除。

3.3.6 高安全性

安全防護(hù)采用了光柵控制和遠(yuǎn)紅外感應(yīng)安全控制系統(tǒng)，確保了人身和設(shè)備運(yùn)行安全。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)水平目前處于同行業(yè)應(yīng)用先進(jìn)水平，其采用一臺(tái)關(guān)節(jié)機(jī)器人完成三臺(tái)鑄造機(jī)的澆鑄工作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的人工澆鑄，以及普遍應(yīng)用的桁架式自動(dòng)澆鑄。采用機(jī)器人作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，能極大提高設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性、降低員工的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量，保證產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品的成品率。項(xiàng)目技術(shù)應(yīng)用后，使職工擺脫高溫超高強(qiáng)度的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，保證了職工的健康。同時(shí)，解放了勞動(dòng)生產(chǎn)力，有助于解決勞動(dòng)力短缺問(wèn)題。自動(dòng)化裝備水平的提高可以增強(qiáng)我國(guó)鋁合金活塞鑄造綜合能力，縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，提升未來(lái)更加激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，滿足用戶多樣化需求的主要途徑。而活塞鑄造技術(shù)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)改造，提高治理環(huán)境污染的水平，符合國(guó)家節(jié)能減排政策，并對(duì)當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)政策實(shí)施具有支撐和推動(dòng)作用。

［1］ 章旭霞.工業(yè)機(jī)器人在鑄造行業(yè)中的應(yīng)用［J］.金屬加工（熱加工），2014（15）：18-21.

［2］ 計(jì)時(shí)鳴，黃希歡.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述［J］.機(jī)電工程，2015，32（1）：1-13.

［3］ 潘廣堂.工業(yè)機(jī)器人鋁合金大活塞鑄造系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］.科技視界，2016（24）：94.

［4］ 江玉華.鋁合金鑄造行業(yè)機(jī)器人代替人工進(jìn)行澆注作業(yè)的可行性研究［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2009（1）：28-30.

Application of Industrial Robot in Piston Casting Process

ZHAO Shu-guo，Dong Xu，LIU Yu-qi，WANG Ju-guo
（Shandong Shuanggang Piston CO.，LTD.，Rizhao Shandong 276800，China)

In order to meet the highly complex piston casting process，strengthen the control of the piston casting process，based on six-axis joint robot and piston gravity casting，combined with high-grade piston casting process，our company integrated industrial robots with the seventh axis，which made one joint robot complete three casting machine work，improved the product quality，ensured the consistency and stability of the products，reduced the production cost，liberated the labor force，and enhanced the market competition ability in the future.

piston casting，industrial robot，automation

TG248，TP242.2

A

1674-6694（2017）04-0001-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.04.001

2017-04-25

趙淑國(guó)（1989-），男，工程師，主要從事自動(dòng)化項(xiàng)目研發(fā)，特別是自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用。