摘 要：為解決水冷機(jī)殼低壓鑄造過程中，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低以及高溫作業(yè)存在安全隱患等問題，擬采用機(jī)器人完成下芯及后續(xù)的取件工作，因此需重新設(shè)計(jì)水冷機(jī)殼低壓鑄造生產(chǎn)工藝并進(jìn)行時(shí)序優(yōu)化。根據(jù)新的生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)工具快換臺(tái)及其他輔助裝置，并對系統(tǒng)各組成設(shè)備進(jìn)行重新布局；采用PLC作為控制核心，對系統(tǒng)各組成部分實(shí)現(xiàn)精確聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)下芯動(dòng)作與取件動(dòng)作之間快速、準(zhǔn)確的切換，提高水冷機(jī)殼低壓鑄造的自動(dòng)化水平。

水冷機(jī)殼作為電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件，其生產(chǎn)效率、產(chǎn)品合格率是制約電動(dòng)汽車大批量生產(chǎn)的主要因素。目前水冷機(jī)殼采用低壓鑄造工藝生產(chǎn)，砂芯用酚醛樹脂覆膜砂技術(shù)固化形成，強(qiáng)度低，容易損傷且形狀復(fù)雜，因此采用人工下芯，但是效率低且定位精度依賴人工經(jīng)驗(yàn)，難以保證；鑄件的取出采用人工鉗夾方式，高溫作業(yè)具有一定的安全隱患。為了解決這一難問題，一般采用兩臺(tái)機(jī)器人分別完成下芯及取件的動(dòng)作，然而由于低壓鑄造機(jī)設(shè)備周圍空間的限制、機(jī)器人成本、設(shè)備之間聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)性等問題，使得該方法的經(jīng)濟(jì)效益太低，不符合要求。本課題重新設(shè)計(jì)并優(yōu)化生產(chǎn)工藝，利用工具快換臺(tái)等輔助設(shè)備，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)器人完成下芯及取件的動(dòng)作，替代人工操作環(huán)節(jié)，減少高溫作業(yè)帶來的安全隱患，提高生產(chǎn)節(jié)拍。采用PLC作為控制核心，設(shè)計(jì)水冷機(jī)殼低壓鑄造自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各組成部件精確聯(lián)動(dòng)控制，提高產(chǎn)品合格率。

1、工藝流程設(shè)計(jì)及系統(tǒng)主要組成

1.1 工藝流程設(shè)計(jì)

水冷機(jī)殼低壓鑄造過程中，砂芯和鑄件的特征差異性大，無法采用同一個(gè)夾持器完成下芯及取件的動(dòng)作且這兩個(gè)動(dòng)作均屬于高溫情況下的連續(xù)作業(yè)，具有一定的危險(xiǎn)性；另一方面，低壓鑄造設(shè)備屬于四立柱立式設(shè)備，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備空間有限，同時(shí)考慮到成本的問題，又不便設(shè)置兩臺(tái)機(jī)器人分別完成下芯及取件的動(dòng)作。水冷機(jī)殼低壓鑄造自動(dòng)化系統(tǒng)工藝擬采用一臺(tái)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)下芯和取件動(dòng)作，夾持器的更換通過工具快換盤實(shí)現(xiàn)；為了保證下芯的準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)帶定位功能的鎖芯傳送帶對砂芯進(jìn)行初步定位；設(shè)計(jì)PLC集中控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、低壓鑄造機(jī)、鎖芯傳送帶以及鑄件傳送帶等部件的聯(lián)動(dòng)控制，提高自動(dòng)化水平，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，能夠及時(shí)停止鑄造過程，保證系統(tǒng)的安全性，并根據(jù)出現(xiàn)故障的部位，給出不同的報(bào)警信號，提升排除故障的效率。根據(jù)新的工藝流程進(jìn)行合理布局，見圖1。

圖1 整體規(guī)劃圖

（1）夾持器及工具快換盤工作臺(tái)設(shè)計(jì)  根據(jù)砂芯的形狀特征，設(shè)計(jì)專用夾持器，并在夾持器與砂芯接觸面包裹一層TPE材料，采用夾持芯頭的方式，保證砂芯的完整性。根據(jù)鑄件的形狀設(shè)計(jì)鑄件夾持器，采用鉗夾的方式夾持鑄件。砂芯的下芯及鑄件的取出動(dòng)作擬用一臺(tái)機(jī)器人完成，因此需要設(shè)計(jì)工具快換臺(tái)，快速更換夾持器，見圖2，砂芯夾持器與鑄件夾持器在工具快換臺(tái)上通過定位銷實(shí)現(xiàn)定位。

圖2 工具快換臺(tái)

（2）鎖芯傳送帶設(shè)計(jì)  鎖芯傳送帶用于輸送形成水冷機(jī)殼內(nèi)部螺旋水道所需的砂芯。通過在托盤上設(shè)置與芯頭形狀特征吻合的凹槽，對砂芯進(jìn)行初步定位，保證機(jī)器人能夠在同一位置夾取砂芯。托盤在環(huán)形軌道上循環(huán)運(yùn)行，通過接近開關(guān)檢查落料位置上是否放置了砂芯，見圖3。

圖3 鎖芯傳送帶

2、系統(tǒng)時(shí)序圖及效率優(yōu)化

在低壓鑄造生產(chǎn)控制方案設(shè)計(jì)之前，首先要明確各設(shè)備的時(shí)序控制及配合。在生產(chǎn)過程中，為了保證系統(tǒng)的安全性，一般在機(jī)器人回到零點(diǎn)之后，才發(fā)出信號控制低壓鑄造機(jī)開始工作；當(dāng)?shù)蛪鸿T造機(jī)完成開模動(dòng)作后才發(fā)出信號，機(jī)器人接收到信號后從零點(diǎn)位置出發(fā)，移動(dòng)至指定的位置取出鑄件。優(yōu)化前后的時(shí)序圖見圖4。從圖4a可知，水冷機(jī)殼低壓鑄造過程的生產(chǎn)周期T=t1+t2+t8+t9+t10+t11+t12+t7。

圖4 低壓鑄造過程優(yōu)化前后時(shí)序圖

考慮到水冷機(jī)殼低壓鑄造過程的特殊性，合模時(shí)先讓金屬型芯下移，再左右合模，因此，當(dāng)機(jī)器人放置好砂芯時(shí)，就可以發(fā)出信號執(zhí)行模具合模操作，合模時(shí)間足夠機(jī)器人離開低壓鑄造區(qū)域，保證系統(tǒng)的安全；當(dāng)鑄件凝固后，左右模塊開模限位，就可以發(fā)信號啟動(dòng)機(jī)器人程序，機(jī)器人移動(dòng)到夾取位置，等待金屬型芯離開鑄件（在金屬型芯上設(shè)置感應(yīng)器），再執(zhí)行夾緊鑄件及取出的操作；通過匹配時(shí)間，在模具涂料即將完成的時(shí)候，啟動(dòng)機(jī)器人程序，機(jī)器人將砂芯夾持到靠近低壓鑄造機(jī)的地方，等待模具涂料完成信號，再執(zhí)行下芯動(dòng)作。優(yōu)化后的系統(tǒng)時(shí)序圖見圖4b，可知每個(gè)生產(chǎn)周期，能夠節(jié)約時(shí)間Δt，提高了生產(chǎn)效率。

3、系統(tǒng)動(dòng)作流程圖設(shè)計(jì)

根據(jù)優(yōu)化后的時(shí)序圖，以PLC作為控制核心，合理控制水冷機(jī)殼鑄造過程中各個(gè)設(shè)備的先后順序及啟動(dòng)時(shí)間，保證在最優(yōu)參數(shù)下進(jìn)行生產(chǎn)，工作流程見圖5。

圖5 動(dòng)作流程圖

（1）砂芯傳送帶及鑄件傳送帶  系統(tǒng)啟動(dòng)后，砂芯傳送帶在電機(jī)的帶動(dòng)下運(yùn)行，當(dāng)接近開關(guān)檢測到上料位置安放了砂芯之后，砂芯傳送帶暫停；若一段時(shí)間內(nèi)，接近開關(guān)一直沒檢測到砂芯，報(bào)警提醒在砂芯傳送帶上放置砂芯；系統(tǒng)啟動(dòng)后，鑄件傳送帶一直運(yùn)行，機(jī)器人取件之前，先檢測機(jī)器人放置鑄件位置是否有鑄件，若有，則機(jī)器人暫停取件動(dòng)作并報(bào)警，提醒鑄件傳送帶上鑄件已滿。

（2）下芯及更換鑄件夾持器 接收到信號5并且檢測到上料位置有砂芯存放后，機(jī)器人從零點(diǎn)出發(fā)，夾持砂芯后靠近低壓鑄造機(jī)位置A等待，接收到信號6夾取砂芯并放置在型腔內(nèi)，發(fā)出信號1，機(jī)器人離開低壓鑄造機(jī)區(qū)域并移動(dòng)到工具快換盤工作臺(tái)上，更換鑄件夾持器并返回零點(diǎn)等待。

（3）低壓鑄造 低壓鑄造機(jī)接收到信號1后，金屬型芯下移到下限位，左右模塊合模，等待模具達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后充型、保壓。鑄件凝固后開模，當(dāng)左右模塊開模限位后，發(fā)信號2；當(dāng)金屬型芯脫離鑄件后，發(fā)信號3 。

（4）取件及更換砂芯夾持器 當(dāng)接收到信號2后，機(jī)器人從零點(diǎn)出發(fā)，在靠近低壓鑄造機(jī)的B位置暫停；當(dāng)接收到信號3后，機(jī)器人繼續(xù)移動(dòng)到夾鑄件位置，夾取鑄件離開低壓鑄造機(jī)區(qū)域并發(fā)信號4；機(jī)器人將鑄件運(yùn)送到鑄件傳送帶之后，繼續(xù)移動(dòng)到工具快換盤工作臺(tái)上，更換砂芯夾持器并返回零點(diǎn)等待；

（5）模具清理及涂料 低壓鑄造機(jī)接收到信號4后，開始進(jìn)行清理模具及涂料工作，即將完成時(shí)，發(fā)送信號5；涂料工作完成后，發(fā)送信號6 。

（6）下芯準(zhǔn)備工作 機(jī)器人接收到信號5后，夾取砂芯并運(yùn)行到靠近低壓鑄造機(jī)的B位置并等待，當(dāng)接收到信號6后，開始下芯動(dòng)作。

4、觸摸屏控制設(shè)計(jì)

觸摸屏相比傳統(tǒng)的控制臺(tái)，它能夠?qū)崟r(shí)修改參數(shù)，從而更好地滿足系統(tǒng)不同階段的要求。采用觸摸屏控制，能夠擴(kuò)展PLC的功能，減少傳統(tǒng)的操作按鈕，避免普通操作面板接觸點(diǎn)老化的問題。以機(jī)器人更換鑄件夾持器為例，觸摸屏顯示界面見圖6。

圖6 觸摸屏界面

5、結(jié)語

通過研究水冷機(jī)殼現(xiàn)有低壓鑄造生產(chǎn)技術(shù)，設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡完成下芯及取件操作，提高了砂芯的安裝效率及準(zhǔn)確率，避免了人工高溫作業(yè)存在的安全隱患；設(shè)計(jì)工具快換臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了下芯及取件動(dòng)作由同一臺(tái)機(jī)器人完成的目標(biāo)，減少了成本的投入；優(yōu)化了生產(chǎn)過程控制方案，提高了生產(chǎn)節(jié)拍；采用PLC集中控制，對系統(tǒng)各組成部件實(shí)現(xiàn)精確聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)水冷機(jī)殼低壓鑄造的自動(dòng)化，為電動(dòng)汽車水冷機(jī)殼低壓鑄造生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品合格率低的問題提供了一種解決方案。

作者：

劉楚生 張建強(qiáng) 童洲
華南理工大學(xué)廣州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

張矯陽
惠州市威盛工業(yè)有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第03期