自動化鑄造生產線工藝特點分析

高狄 段坤 李星辰,3 王憲

(1.長沙長泰機器人有限公司,湖南 長沙 410000;2.湖南科技大學機電工程學院,湖南 湘潭 411100; 3.湖南兵器建華精密儀器有限公司,湖南 永州 425000)

鑄造是現代制造工業的基礎工藝之一,在國民經濟發展中處于不可或缺的重要基礎地位[1]。自動化鑄造生產線指采用智能機器人將鑄造的多道工序集中在同一條自動化流水線上進行生產加工的生產線。它區別于傳統鑄造產線以單獨特定的加工工序、人工依賴性強的鑄造生產方式,智能化鑄造生產線有著工序高度集中、混線生產、多臺機器人協作、智能化程度高的特點,對提高鑄造生產線自動化和智能化水平有重要意義。由于產線工序比較集中,故大多數操作均由智能機器人單獨或協作完成。工序中,砂芯或鑄件的搬運操作由重載機器人負責完成,機器人的搬運操作均可簡化機器人點到點的軌跡規劃問題。搬運多品種、大質量的砂芯或鑄件導致機器人末端負載質量變化范圍大,給機器人運動控制帶來不小的挑戰;與此同時,即使機器人末端夾具存在柔性化,也需要多套夾具配合使用,才能夠滿足鑄造生產線的混線生產需求。

根據發動機關鍵零部件鑄造生產線混流、混線的特點,為將鑄造生產線由工人操作的機械化向機器人化與智能化轉型,需研究鑄造工藝、鑄造作業機器人、鑄造過程信息,并自主研制鑄造機器人智能化生產線。針對砂型造型、砂芯制芯、取芯、涂料噴涂浸涂、涂膠、組芯、下芯、合箱階段和后處理階段等一系列制造工序的難題,完成了項目的關鍵技術方案設計,實現根據不同工序的特點和要求對機器人應用集成開發,組建多型號、多批量發動機零部件產品混線生產的多工序機器人自動化生產線,并對產線的工藝流程和布局進行規劃,以滿足鑄造生產過程對質量與效率的要求。

實現鑄造生產線的自動化和智能化是提高生產效率、保障產品質量的重要途徑。近年來,隨著人工智能技術和機器人技術的快速發展,實現鑄造生產自動化的條件已基本具備。但是,由于鑄造生產線工序眾多、工藝復雜、要求高、現場環境惡劣,機器人應用于自動化鑄造生產線時存在功能實現質量不佳、互相配合不好、錯誤頻發等一系列問題。目前,機器人在自動化鑄造生產線上的應用仍不太成功。

深入了解自動化鑄造生產線的工藝流程和特點,是推進機器人在鑄造行業應用進而真正實現鑄造生產的自動智能化的重要基礎。為了實現上述目標,本文詳細分析了智能化鑄造生產線的工藝過程和技術需求,進一步重點討論了在多個重要工藝中都存在的搬運操作?？偨Y了設計自動化機器人鑄造生產線時需要考慮的問題。

2 自動化鑄造生產線的工序

自動化鑄造生產線共包含6道工序,如圖1所示。首先抓取砂芯并去除毛刺;接著將砂芯組裝成芯包,并對芯包進行浸涂,組裝芯包與外芯模;然后,將熔煉的金屬液體澆注入鑄型內冷卻凝固;最后鑄件落砂、去除毛刺。其中工序2、工序3和工序4需要應用搬運機器人,工序1和工序6需要應用搬運機器人和打磨機器人。

圖1 鑄造生產線的工序

2.1 砂芯浸涂工藝

對砂芯浸涂是鑄造生產線中最為重要的工序之一,浸涂的特點是生產效率高,操作簡單,涂料損失少[2]。砂芯浸涂工藝流程如圖2所示。

圖2 砂芯浸涂工藝流程

(1)砂芯抓取。砂芯通過托盤輸送帶送至浸涂工序處,由于沒有定位裝置,機器人在抓取砂芯之前需要準確定位并調整姿態,確保抓取路徑的準確性。機器人在抓取砂芯時需要根據砂芯的材質和結構特點,合理施加力度,避免損壞砂芯。因此砂芯抓取涉及的關鍵工藝參數有:砂芯空間位置、機器人空間位置與抓取姿態、砂芯抓取力、砂芯抓取速度等。

(2)移動至浸涂池上方?？紤]到現場環境與效率,需對機器人抓取砂芯移動到浸涂池上方的空間軌跡進行規劃,還需要考慮砂芯穩定性與速度的均衡,移動速度過快,砂芯晃動大、穩定性差;反之砂芯穩定性好、效率低。因此,該工序關鍵工藝參數為機器人空間運動路徑與空間運動速度。

(3)砂芯浸涂。砂芯浸涂是指機器人帶動砂芯向下浸入浸涂池、停留、出浸涂池三個基本動作。砂芯浸入動作過程中,對浸入的速度有要求,速度快容易引起涂料飛濺,反之效率低,砂芯浸入浸涂池的深度以及停留時間有要求,這與砂芯種類、涂料材料相關。出浸涂池主要是控制速度及出浸涂池后砂芯離液面的高度,提升速率快,漆膜薄;提升速率慢,漆膜厚且不均勻。

(4)砂芯擺動。砂芯提升后為了去掉多余的涂料,擺動砂芯以甩去多余的涂料。擺動的頻率和振幅影響浸涂的效果。

(5)移動至放置點上方。該工步的要求與(2)相同。

(6)砂芯釋放。移動至托盤指擺動后移動至托盤準備放料。此工序研究的內容為移動速度,需找出合適的移動速度。

(7)機器人回原點。機器人回到原點,進入下一循環。此工序研究的內容為移動速度,需找出合適的移動速度。

根據上述分析可知,砂芯浸涂相關的關鍵工藝參數如表1所示。

表1 砂芯浸涂關鍵工藝參數

2.2 鑄件打磨工藝

鑄件打磨是鑄造生產線的另外一個重要工序,其工藝流程如圖3所示[3-6]。

圖3 鑄件打磨工藝流程

(1)工件放置:鑄件通過搬運放置在定位平臺,在放置過程中,根據鑄件的情況對工裝的夾緊力做出相應的調整。

(2)工位切換:旋轉工作臺將待打磨的工件切換至打磨工位。在實際生產線中,為了盡可能提高生產效率,旋轉臺的工作轉速將在匹配整條生產線的情況下,盡可能地提高至最大速度,同時快速實現工裝定位。為此,旋轉臺的轉速以及鑄件定位是該工序中關鍵工藝參數。

(3)視覺識別與定位:三維激光掃描儀掃描、檢測待打磨工件,對鑄件完成定位后得到鑄件整體空間位姿,機器人可根據鑄件空間位姿對刀具的姿態進行調整和定位,確定機器人打磨路徑。由此可看出鑄件的定位識別、打磨路徑規劃將直接影響整個打磨的精度和準確性。

(4)鑄件打磨:機器人進行打磨過程中,機器視覺系統和敏捷控制系統將實時識別鑄件狀態,根據鑄件實時姿態,對打磨刀具的進給量和轉速做出實時調整。同時打磨測試開始時根據不同的打磨對象,選擇與之匹配的刀具;工件可隨打磨工位的轉臺回轉,以保證打磨完成率和完成效率。在完成整個打磨的過程中,鑄件的刀具選擇、機器人姿態控制、敏捷控制系統等將是影響整個打磨效率與效果的關鍵。

(5)完成打磨:打磨完成后,機器人系統將根據預先設置的程序自動歸位。

(6)工位切換:旋轉工作臺將打磨好的工件切換至上下料工位。

根據上述分析可知,鑄件打磨相關的關鍵工藝參數如表2所示。

表2 鑄件打磨關鍵工藝參數

2.3 砂芯組裝工藝

砂芯是鑄造過程中實現型腔結構的關鍵部件。傳統的砂芯組裝方式需要人工操作,工藝繁瑣、效率低下、質量難以保證。

機器人組裝砂芯工藝,見圖4,突破了傳統的人工組裝限制,通過自動化的方法實現砂芯的高效、精準組裝。該工藝主要包括以下幾個步驟:

圖4 砂芯組裝工藝流程

(1)前期準備:準備好所需的砂芯元件和機器人設備,設定組裝參數和路徑,要根據砂芯的形狀和尺寸,規劃合適的路徑,確保合適的機械手運動軌跡,以避免碰撞和干涉,并保證砂芯組裝的準確性和穩定性。

(2)砂芯元件供應:機器人根據預設的程序和路徑,從儲存區域或物料搬運線上取出所需的砂芯元件,確保供應的連續性和準確性。

(3)砂芯組裝:機器人將取出的砂芯元件按照預定的組裝方式進行組裝,可以通過傳統的機械夾具或特制的機械手段進行操作。機器人可以根據不同的砂芯形狀和組裝要求,進行高度的靈活調整和控制。

(4)監測和調整:機器人在組裝過程中可以通過傳感器和視覺系統實時監測砂芯的位置、角度和尺寸等參數,對組裝過程進行動態調整和糾正,以確保砂芯的質量和精度。

(5)成品處理:機器人完成組裝后,將成品放置到指定位置,并進行下一次組裝的準備工作,如清理和更換砂芯元件。

根據上述分析可知,砂芯組裝相關的關鍵工藝參數如表3所示。

表3 砂芯組裝關鍵工藝參數

2.4 澆注工藝

澆注工藝是指在鑄造過程中將熔融金屬或合金倒入砂型或金屬型中,形成所需鑄件的制造過程。澆注工藝的主要步驟包括:

(1)準備工作:包括準備所需的原材料,如金屬或合金的熔煉、砂型或金屬型等;選擇合適的澆注溫度以確保金屬能夠充分流動并填充整個型腔;對砂型或金屬型進行準確的定位和固定。

(2)熔煉:采用適當的熔煉設備和工藝,將金屬或合金加熱到合適的澆注溫度,使其熔化成為熔融狀態的液體金屬。

(3)澆注:機器人根據預先編程的路徑和參數,進行自動化澆注操作,將熔融金屬或合金倒入事先準備好的砂型或金屬型中,以充分填充整個型腔。在澆注過程中需要對機器人澆注速度和澆注溫度,以及噴射流速和角度加以控制,確保金屬液連續且均勻地充滿型腔,并盡量減少氣體或雜質的混入。

(4)冷卻和固化:待金屬液充分填充型腔后,讓其逐漸冷卻和固化,形成具有所需形狀和結構的鑄件。冷卻和固化時間的控制是關鍵,需要根據金屬的特性和鑄件的尺寸結構進行合理的時間規劃。

(5)鑄件脫模:當鑄件完全冷卻固化后,機器人可以將其從砂型或金屬型中取出。對于砂型,可采用敲擊或震動方式,使砂芯與鑄件分離;對于金屬型,可通過破裂、融化或拆卸等方式將鑄件取出。

(6)去毛刺和修整:取出的鑄件可能會有一些毛刺、砂瘤、氣孔等缺陷,需要進行去除和修整,打磨機器人可以對這些缺陷進行檢測和修整。

機器人澆注工藝的關鍵要素包括澆注溫度、澆注速度、澆注方式、冷卻時間的控制等。這些參數需要根據所需鑄件的材料、形狀和尺寸等特性進行調整和優化,以確保鑄件質量和工藝的穩定性。

3 鑄造生產線中的機器人搬運操作

通過第2節的分析可知,自動化鑄造生產線的幾乎所有工藝工序都需要搬運操作參與。在取芯、組芯、浸涂工序中,搬運操作位于兩個工序之間,是連接兩個工序的操作,因而對搬運操作有著生產節拍要求;而在鑄件打磨工序中,搬運操作還有重負載特點。生產節拍對機器人執行任務時的運動時間有著嚴格要求,重負載工況會導致機器人在運動時和運動結束后容易產生振動。智能化鑄造生產線流程及搬運操作特點如圖1所示[7-8]。

工件搬運是鑄造過程的一個基礎操作,主要是將抓取點位置的工件,通過機器人搬運至放置點位置,通常采用“門”字型運動路徑[9-12],如圖5所示。

圖5 “門”字型運動路徑

由上述可知,工件搬運可分解為三個工步:即抓取點位置工件抓取、移動至放置點位置上方、放置點位置工件釋放,如圖6所示。三個工步的具體描述如下:

圖6 搬運操作流程

(1)工件抓取。工件通過托盤輸送帶送至工件抓取處,由于沒有定位裝置,工件的空間位置不確定。因而,機器人需要根據砂芯的位置調整抓取姿態及抓取位置。砂芯抓取力的大小也需要根據砂芯的大小、重量進行相應調整。工件抓取涉及的關鍵工藝參數有:工件空間位置、機器人空間位置與抓取姿態、工件抓取力、工件抓取速度等。

(2)移動至放置點上方?？紤]到現場環境與效率,需對機器人抓取工件移動到放置點位置上方的空間軌跡進行規劃,還需要考慮砂芯穩定性與速度的均衡,移動速度過快,砂芯晃動大、穩定性差,反之工件晃動小、穩定性好、效率低。因此,該工步關鍵工藝參數為機器人空間運動路徑與速度。

(3)放置點位置工件釋放?？紤]到下芯、組芯等工序過程中,對工件釋放有空間位置精度要求,這就對放置點位置釋放工件前,機器人需要控制空間位置精度以及姿態,其涉及的工藝參數有空間位置、姿態;機器人夾具松開砂芯過程中,機器人運動速度、夾具松開的空間位置都有要求,其相關的工藝參數有機器人運動速度、機器人夾具松開工件的空間點位置。

通過上述分析可知,搬運操作相關的關鍵工藝參數如表4所示。

表4 搬運操作關鍵工藝參數

通過上述分析可知,只考慮機器人本體時,需要考慮的工藝參數有:抓取姿態、空間位置、運動速度、空間運動路徑。

4 機器人鑄造工藝的優點及局限性

機器人鑄造工藝相對于傳統鑄造工藝具有以下的優點:

(1)機器人鑄造工藝能夠實現連續、高速、準確的操作,大大提高了生產效率。機器人可以在短時間內完成大量鑄件的澆注和后續處理工作,降低了生產周期和成本。

(2)機器人操作準確、穩定,能夠按照預設的工藝參數執行操作,避免了人工操作中可能出現的誤差和變量。

(3)機器人在鑄造過程中能夠控制澆注溫度、澆注速度等關鍵參數,保證了鑄件的質量和一致性。同時可以取代繁重、危險和重復的人工勞動,降低了由于長時間重復操作引起的職業病風險,提高了工作環境的安全性。

(4)機器人鑄造工藝能夠根據不同的產品要求、形狀和尺寸進行靈活調整和操作,適應多樣化的鑄件生產需求,可以快速更換工作模具和調整工藝參數,提高了生產的靈活性和適應性。

機器人鑄造工藝也存在一些挑戰和局限性,機器人鑄造工藝需要投資大量的設備和自動化系統,并且需要進行定制化的工藝規劃和編程,初始投資較高。這對于一些小規模企業來說可能是一個挑戰。目前機器人鑄造工藝主要適用于結構相對簡單的鑄件,對于結構復雜、尺寸較大的鑄件仍存在一定的限制。復雜結構的鑄件可能需要復雜的操作和多次鑄造,無法完全實現自動化。機器人鑄造工藝需要具備高精度的運動控制、傳感器監測和程序編程能力,需求技術要求較高的操作人員和維護人員。

綜上所述,機器人鑄造工藝在提高效率、質量和工作安全性方面具有明顯優勢,但也面臨一些技術和成本方面的挑戰,需要綜合考慮和合理應用。

5 結論

本文給出了鑄造生產線整體工藝流程。著重討論了鑄件浸涂、鑄件打磨等重要工序,給出了關鍵的工藝參數。由于搬運操作在自動化鑄造生產中幾乎無處不在,本文最后對搬運操作進行了重點分析。

智能機器人在鑄造生產線中的應用,有效地降低了生產過程中的人力投入。自動化優勢使得鑄造生產過程更加高效、穩定。機器人可以24 h不間斷工作,大大提高了生產線的產能和穩定性,從而滿足市場對大批量優質產品的需求。智能機器人在鑄造生產線中的應用為鑄造行業帶來了革命性的變革。它提高了生產效率、產品質量和生產線靈活性,降低了勞動強度,為行業可持續發展提供了強有力的支撐。在推動機器人應用的過程中,我們需要認真應對相關的技術、經濟和社會問題以確保機器人的穩健應用,并在人機協作中實現最佳效果。未來,我們有理由相信,機器人技術將繼續推動鑄造行業邁向更加智能、高效和可持續發展。