金屬熔體智能化轉運系統在現代鑄造工廠的應用

張 杰，王德成，趙恒濤，丁 磊

（山東杰創機械有限公司,山東濟南 250022）

0 引言

金屬熔體智能化轉運系統充分將計算機應用技術、網絡技術、傳感技術、人工智能等現代化信息技術與傳統鑄造工藝融合為一體，實現了熔化工部與澆注之間的自動化銜接，可與熔化、澆注、造型、球化（喂絲球化、沖入式球化）、扒渣、測溫、加料、除塵等一系列鑄造生產工藝環節進行自動化無縫對接[1，2]。

新技術的應用，使金屬熔體智能化轉運系統具有安全、高效、智能、精準、簡潔、環保、節能、降本等優勢；同時也將該系統與工廠其他工部有效的銜接起來，實現順暢的數據采集、交換、分析、存儲等功能，進而可以輕松地實現對產品質量的追溯、生產的監控；該系統的創造與應用，是實現智能化工廠、無人化工廠不可或缺的重要組成部分。由山東杰創機械有限公司自主研發國內首創的金屬熔體智能化轉運系統已得到廣泛的推廣和實際應用，其技術水平達到國際先進水平；對取代進口設備、促進行業的技術進步和進一步產業升級起到至關重要的作用。

1 金屬熔體智能化轉運系統的創新及特點

國內傳統的金屬熔體轉運方式多采用叉車或者行車，但隨著生產應用人們發現這種傳統的方式存在著諸多弊端；有部分工廠開始采用簡單的地面平車轉運或空中環軌轉運，但實際生產應用中這兩種方式依舊不是很理想；最初的平車轉運只是解決了部分工位的簡單自動化，而且還需要操作人員不間斷地去關注和干預，不能從根本上實現金屬熔體的全自動化高效安全轉運；環軌轉運雖然相對于平車轉運的自動化程度更高一些，但是從使用、維護、空間布局、安全性等方面依舊存在著很大的局限性。

由山東杰創機械有限公司開發的金屬熔體智能化轉運系統，采用地面軌道運行，根據不同的車間工藝布局，設置各種不同功能的自動化轉運小車，每個轉運小車負責各自區域內的轉運任務，獨立運行互不干涉，運行過程中，通過緊密配合，實時的數據交換，實現高效快速運行。各個轉運小車之間通過無線通訊進行數據交換，省去了繁雜的電纜線系統；轉運車驅動采用伺服電機或者變頻電機，運行速度可調，加減速平穩，運行可靠；該系統通過激光測距系統及光電檢測精準判斷轉運車以及轉運包的位置；可根據用戶生產工藝要求，對球化系統、扒渣平臺、加料系統等進行合理的布局，使整個運行系統達到安全、高效、智能、精準、簡潔、環保、節能、降本的標準。

1.1 安全

相比于傳統的叉車和行車的轉運方式，地面軌道轉運車轉運方式更加穩定和可靠，轉運車的地面行走采用伺服電機驅動，運行過程中采用激光測距實時檢測轉運車的運行位置；開關實時監測轉運包在轉運車的位置，同時機械限位限定轉運包的移動范圍，保證在轉運過程中轉運包不發生超出安全范圍的位移，從而避免安全事故的發生；轉運車在對接位置達到四重以上安全保護措施方可進行下一步的轉運動作，充分保證了轉運過程中的安全性、準確性以及穩定性。

根據轉運系統的運行軌跡及車間布局，在轉運系統周圍合理安裝安全護欄，在通道以及檢修處設置安全門或安全光柵，并于轉運系統進行互鎖，當工作人員需要打開安全門時，提前啟動開門按鈕，系統運行程序接收信號后可根據該安全門附近運行的實時情況判斷可以開門的時間，保證人員的安全及設備運行的安全。安全門關閉確認后設備方可繼續運行。

1.2 高效

根據用戶車間的實際布局及生產工藝要求，制訂最優的轉運方案，通過設置合理的運行路徑，達到生產節奏合理緊湊的目的；每個轉運小車負責各自區域內的轉運任務，獨立運行互不干涉，運行過程中，通過緊密配合，各個轉運車之間通過無線傳輸進行數據交換，實現高效快速運行。

關鍵動作的驅動采用伺服電機驅動，使其響應迅速，位置準確，穩定可靠。在實際應用中，轉運車的地面移動運行速度設定在0～60m/min，轉運包輥道輸送速度0～20m/min；而轉運車在帶金屬熔體運行的情況下，地面移動運行速度一般設定在不超過40m/min，轉運包輥道輸送設定到18m/min 左右。

在系統運行過程中，通過四重安全保障措施以及PLC 程序實時監控運行情況，實現智能化與自動化，使得生產過程中各運行過程不需人為干預，減少了人為因素的影響，保證轉運系統安全高效的運轉。

1.3 智能

金屬熔體智能化轉運系統內部通過Profinet無線通訊進行數據交換，使各個運行單元按照設定好的PLC 程序自動運行并無縫銜接，保證整個系統的可靠連貫運行。

根據生產工藝要求，爐前接金屬熔體的轉運車帶自動稱重功能，電爐傾倒金屬熔體時，爐前的顯示屏可實時顯示當前傾倒出的金屬熔體重量，方便電爐操作人員實時觀察并控制電爐。稱重數據通過無線傳輸給球化站控制系統，球化站控制系統通過電爐光譜分析以及重量數據等參數自動確定球化喂絲的速度及長度。該轉運系統還可以通過信號對接與球化站、扒渣工位、自動加料系統等進行無縫銜接，實現金屬熔體轉運的全程智能自動化。

金屬熔體智能化轉運系統還可以連接工廠的數字化管理系統（IFMS/MES+），實時采集和提供轉運過程中的生產數據，實現工廠生產過程中全數據管理，不僅可以為產品質量監控與預警提供數據支持，從而降低產品缺陷，提高產品質量；而且還能合理調配使用資源以及提高生產管理的效率。

1.4 精準

金屬熔體智能化轉運系統內的轉運車關鍵動作的運行均采用伺服電機驅動，伺服控制使各關鍵動作運行到位，位置精準可靠。

轉運車縱向移動通過激光測距+編碼器+檢測裝置確定位置，誤差范圍為±1mm，定位準確、快速、穩定。

1.5 簡潔

金屬熔體智能化轉運系統根據用戶車間布局及生產工藝，設計出最優的轉運系統運行路徑，降低系統運行的復雜程度；轉運車及系統各單元之間采用無線通訊進行數據交換，減少了生產現場電纜的鋪設；轉運車運行的軌道上表面標高不超過地平面，不影響車間的物流通行；球化站采用密封球化，集中煙塵處理；扒渣工位采用頂吸除塵；渣料通過溜槽集中收集到渣斗輸送小車，渣斗滿后可以輸送到定點的轉運位置，集中處理。

以上技術措施的應用，使生產車間布局簡潔合理，生產環境得到了極大的改善。

1.6 環保

在轉運車上設置高效的煙塵治理系統，連接到保溫包蓋，在實現保溫的基礎上將在轉運過程中溢出到包外的煙塵得到集中收集和達標有組織排放；由于轉運系統運行的軌跡固定，便于在合適位置設置煙塵收集裝置。所以從熔化工部到澆注的各個工位，均能保證轉運過程中的煙塵的集中收集處理，改善生產工作環境，達到環保要求。

1.7 節能

智能化轉運系統在轉運金屬熔體的過程中，在金屬熔體轉運包上方設置保溫包蓋，減少轉運過程中金屬熔體溫度的損失，從而可以降低金屬熔體的出爐溫度，減少能源的消耗。

該轉運系統的驅動電機均采用國家規定的標準節能型電機，可減少系統運行過程中的電能消耗。通過數據分析，系統自動分析判斷金屬熔體智能化轉運系統的運行情況，自動優化各單元的運行軌跡和能源供應，保證能耗合理化，達到節能的目的。

通過以上技術措施，使我們的設備在運行中達到節能的效果。

1.8 降本

所謂的降本，也就是降低生產企業的生產成本，通過使用金屬熔體智能化轉運系統，不僅大大降低了企業的生產物料成本、能源消耗成本、管理成本、人員成本、環境治理成本等，而且還提高了企業的生產效率，真正達到節能增效的目的。

2 實際應用效果

金屬熔體智能化轉運系統在鑄造行業內已得到廣泛的推廣并實際應用，目前為止已銷售金屬熔體智能化轉運系統120 余套，現場實際使用效果良好，受到用戶的青睞和一致好評，已成為山東杰創機械有限公司的拳頭產品之一。

該金屬熔體智能化轉運系統可應用于各類鑄鐵、鑄鋼及有色金屬熔體的自動化轉運（其規格型號如表1 所示），在生產高質量鑄件過程中起到關鍵性的作用。可以實現自動接送金屬熔體、自動球化、自動加孕育劑、自動傾倒金屬熔體等一系列動作過程，無需人工操作，實現全過程自動化；通過智能化轉運系統將熔化和澆注有效的銜接起來，減少了生產過程中的安全隱患，提高了生產效率，改善了工廠的生產環境，減小了工人的勞動強度，也大大降低了工廠的運營成本，提高了企業的自動化水平；解決了長期困擾鑄造工廠中難以解決的難題，是實現無人化綠色智能工廠不可或缺的組成部分。

表1 金屬熔體智能化轉運系統規格型號表

該金屬熔體智能化轉運系統在國內處于技術領先水平，并達到了國際先進水平，對取代進口設備、促進行業的技術進步和進一步產業升級起到至關重要的作用。

根據不同客戶的現場實際需求制定不同的轉運布置方案，目前的主要布置形式有三種：一字型布置轉運系統（圖1）、T 字型布置轉運系統（圖2）、平行型布置轉運系統（圖3）。

圖1 一字型布置轉運系統

圖2 T 字型布置轉運系統

圖3 平行型布置轉運系統

圖4 是某閥門股份有限公司的金屬熔體智能化轉運系統的布置圖，該轉運系統主要為水平無箱線（上）和水平有箱線轉運鐵水（下），為T 字型布置。

圖4 某公司轉運系統的布置圖

3 主要成果

山東杰創機械有限公司研發的金屬熔體智能轉運系統已在鑄造行業內得到廣泛的推廣和實際應用，其技術水平達到國內領先、國際先進的水平，具有精確的控制效果、超強的穩定性、超高的性價比等特點，對取代進口設備、促進行業的技術進步和進一步產業升級起到至關重要的作用；該轉運系統已申報并擁有多項國家技術專利和國家計算機軟件著作權，并于2018 年榮獲第十六屆中國國際鑄造博覽會“全國鑄造裝備創新獎”。

該金屬熔體智能化轉運系統填補了國內行業空白，關鍵核心技術對區域經濟發展具有重要的經濟社會意義和技術應用價值。

通過對金屬熔體智能化轉運系統的深入研發和生產實踐，目前山東杰創機械有限公司獲得多個獎項、申請了多項國家專利以及參與了國家標準《金屬熔體自動轉運系統技術條件》的起草編制。已成為國內生產研發金屬熔體智能化轉運系統的標桿企業，吸引匯集了行業高層次優秀專業人才，也培養造就了一大批年輕的專業技術人才，形成了專業機構合理，技術、經驗、活力相結合的人才隊伍，為我國智能制造集成技術及應用方向的發展奠定良好的人才基礎。

圖5 轉運系統部分設備現場應用

4 展望

自十四五規劃以來，中國制造業得到持續恢復和飛速發展，經濟總量再創新高，如2021 年汽車產銷完成2608.2 萬輛，各類挖掘機械產品34.28 萬臺。在各類裝備中鑄造零部件占比70%以上，2020 年鑄件年產量5100 萬噸，因此鑄造行業的發展已成為國家工業經濟發展的重要組成部分，隨著鑄造行業的升級和發展，鑄造生產已經不斷的向智能化方向發展。

金屬熔體智能轉運系統實現了高溫金屬熔體從熔煉到澆注高精度的自動化轉運，滿足鑄造工廠生產高質量鑄件的需求，為實現現代化鑄造工廠奠定了堅實的基礎；該系統的創造與應用，是實現智能化工廠、無人化工廠不可或缺的組成部分。

金屬熔體智能化轉運系統產業化前景廣闊，符合國家智能制造、新舊動能轉換的整體戰略目標，對加快我國從制造大國邁向制造強國有進一步的促進作用；而且該系統國內國際需求量巨大，有很好的社會經濟效益，是未來工廠生產模式的必然發展趨勢。