汽車鋁合金缸體低壓鑄造機器人集成系統的研發與應用

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

目前，鋁合金缸體的鑄造方法主要是壓力鑄造技術、重力鑄造技術、低壓鑄造技術、消失模鑄造技術和Cosworth 技術（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，它只能生產開艙結構缸體，鑄件壁厚處易產生縮孔、氣孔，設備投資大；采用低壓鑄造技術可以生產帶有砂芯的鋁合金缸體，也就是說可以獲得閉艙結構的缸體。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和Cosworth 技術生產鋁合金缸體存在型砂再生技術難題和產生環境污染等缺點。

現有技術中的鋁合金缸體低壓鑄造機，雖然單機的自動化程度很高，但是由于整個生產工藝過程較長，涉及到的技術領域廣泛，如主機、工業用計算機、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、鑲圈（缸套）加熱、液壓傳動、氣動控制等，目前將各工序合理布局的組線技術的應用仍是空白，各個生產環節需要的操作者人數多；同時由于是高溫環境作業，操作者的勞動強度高，勞動條件差，所以生產效率低，人工成本高[3]。

隨著工業機器人應用技術的迅速發展和節能減排意識的提高，人們對鋁合金缸體低壓鑄造機器人集成系統的認識越來越明確，它可以滿足多品種小批量生產需要，實現柔性化生產，徹底解決人工成本高、能耗高、不利于節能減排、生產效率低、生產準備時間長的難題，真正實現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，在一個鑄造生產節拍內分別交替完成鑲圈（缸套）取放和鑄件取出，并利用鑲圈（缸套）輸送裝置與感應加熱裝置解決了現有技術中鑲圈（缸套）加熱生產效率低、生產準備時間長的問題；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，能夠實現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業化升級，特別適用于單件大批量或多品種小批量生產使用。整個方案布局合理、緊湊，占用空間少，如圖1 所示。

3 系統組成

該集成系統由以下幾部分組成：一臺工業機器人工作站；兩臺鋁合金缸體低壓鑄造機；一臺鑲圈（缸套）高頻感應加熱裝置；一臺鑲圈（缸套）輸送裝置；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 鑄件相關參數

缸體外形尺寸 (長×寬×高)：400mm×400mm×280mm；四缸中心距：91mm；鑲圈尺寸：外徑73mm，高度130mm，壁厚5mm；毛重：1.09kg；鑄件重量：～40kg（含4 個鑲圈）。

鋁合金缸體鑄件如圖2 所示；鋁合金缸套如圖3 所示。

5 集成系統技術指標

圖1 汽車鋁合金缸體低壓鑄造機器人集成系統平面布置圖

圖2 鋁合金缸體鑄件圖

圖3 鋁合金缸體缸套圖

空循環時間：2.5min；鑲圈（缸套）加熱：兩工位（其中一工位加熱，一工位完成加熱）；鑲圈加熱溫度范圍：50～500℃；控制精度：±5℃；鑄件實際生產節拍5～8min (根據鑄件大小及模具冷卻點位確定)；機器人取放鑲圈（缸套）和抓取鑄件的位置精度＜±0.15mm；機器人取放鑲圈（缸套）和抓取鑄件的重復精度＜±0.20mm。

6 集成系統總體布局

6.1 工業機器人工作站

（1）工業機器人工作站主要完成鑄件和鑲圈（缸套）的取放以及模具的氣動清掃等功能。

（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、鑲圈抓手氣缸、鑲圈抓手外撐塊、缸體夾爪等組成。

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（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，缸體夾爪從空腔結構內部經開口槽向外伸出。

（5）機器人缸體夾爪與缸體夾爪氣缸的活塞桿連接，鑲圈（缸套）抓手與鑲圈（缸套）抓手氣缸的活塞桿連接，四個鑲圈（缸套）抓手外撐塊和鑲圈（缸套）抓手從鑲圈抓手隔熱墊中相應的開口槽中伸出。

（6）在鑲圈（缸套）抓手的對面，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。

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+四靜模抽插芯結構，其中合模缸行程采用位移傳感器控制，油缸快慢速轉換明顯,運行平穩。

（2）兩臺低壓鑄造主機對稱設置于工業機器人工作站的左右兩側，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構，可控硅調壓，PID 控溫，具有控溫精度高，節能效果顯著的特點。保溫爐控制柜布置在主機PLC 柜的旁邊。

（5）主機電氣系統采用PLC 控制+觸摸屏人機界面監控，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節并數字顯示，冷卻介質可以是水、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 鑲圈（缸套）高頻感應加熱裝置

（1）鑲圈（缸套）高頻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、高頻感應加熱控制柜等組成，設置于其中一側低壓鑄造主機的前部，其中鑲圈入口設置在該集成系統的邊緣，鑲圈（缸套）出口設置在鑲圈（缸套）高頻感應加熱裝置的感應線圈旁邊。

（2）鑲圈（缸套）感應加熱線圈是直列式四缸同時加熱，其內側底部設置驅動鑲圈（缸套）墊板上升與下降的氣缸，感應線圈與鑲圈（缸套）高頻感應加熱電控系統相連接，如圖7 所示。

圖7 集成系統單元與機器人位置圖

6.4 鑲圈（缸套）輸送裝置

（1）電機及減速機的驅動裝置、直板鏈輸送機構采用PLC 控制。

（2）在直板鏈輸送機構的前端和后端分別是鑲圈（缸套）入口位置和鑲圈（缸套）出口位置。

（3）鑲圈（缸套）入口布置在該集成系統的邊緣，便于人工上料，鑲圈（缸套）出口布置在靠近鑲圈高頻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側；采用工業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；采用PLC 控制電機減速機驅動和鏈板式輸送結構，通過變頻器控制運行速度，確保與低壓鑄造主機的節拍同步。

圖8 智能氣動打碼位置圖

6.8 防護欄

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

7 低壓鑄造機器人集成系統工藝過程控制

兩臺低壓鑄造主機共用1 臺機器人，具有鑲圈（缸套）和鑄件取放夾鉗上下合一的取放裝置。按照設定程序，在第一個機器循環中，機器人的下卡爪將預熱到500℃±5℃的4 個鑲圈（缸套）同時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，微機液面加壓系統自動完成“升液-充型-結殼-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箱碼垛。在一次開型過程中，機器人完成兩個功能：由鑲圈（缸套）夾鉗從感應加熱裝置處將一組鑲圈（缸套）取出，并自動放置到主機模具下腔處，如圖9 所示。各單機子循環完全相同，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拍緊湊，生產率高。

圖9 機器人取放鑲圈（缸套）位置圖

8 機器人集成系統主要創新點

（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 主機參數設置畫面

（2）液壓系統采用伺服泵驅動，與傳統液壓系統相比使系統節能50%以上[4]，如圖11 所示。

（3）采用浸入加熱雙室爐，實現喉口自動懸浮，保溫爐節能50%，如圖12 所示。

圖11 主機伺服泵液壓控制系統

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，在一個鑄造生產節拍內分別交替完成鑲圈取放和鑄件取出以及模具清掃，實現了兩臺低壓鑄造機與各輔助工序的交替式自動化生產，不僅減少了設備投資，而且大大降低了操作者的勞動強度，改善了工作環境，解決了現有技術的低壓鑄造機生產效率較低的問題。

（2）采用鑲圈（缸套）高頻加熱感應裝置，能夠在很短的時間內將鑲圈加熱到規定的預熱溫度，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使用。

（4）如圖13 所示，與現有技術中的壓力鑄造相比，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帶有砂芯的鋁合金缸體鑄件的局限，并且能夠實現柔性化生產，降低人工成本，提高生產效率，滿足多品種小批量生產需要，促進汽車鋁合金缸體鑄造產業化升級。

圖13 生產鋁合金缸體的2500 噸臥式冷室壓鑄機

（5）如圖14 所示，與重力鑄造技術相比，能夠減少重熔的回爐料，節能減排效果顯著，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 生產鋁合金缸體的重力鑄造機

10 結語

鋁合金低壓鑄造是近凈型成形技術之一，也屬于汽車鋁合金輕量化技術范疇。鑄造汽車鋁合金缸體低壓鑄造機器人集成系統的技術創新，彌補了壓力鑄造不能生產帶有砂芯的鋁合金缸體的局限，該集成系統所涵蓋的技術領域具有三重節能效果，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，其生產節拍短，生產效率大為提高，應用前景十分廣闊。