工業機器人在鑄造熔煉與澆注工序的應用

■董春潮，章旭霞

一、概述

鑄造是獲得機械產品毛坯的主要方法之一，是機械工業重要的基礎工藝。鋁合金鑄造中關鍵的兩道工序是鋁錠的熔煉轉運與鋁液的澆注成形，其中對于鋁錠的熔煉轉運目前傳統工藝是人工將鋁錠、料頭定期搬運到上料小車上，再人工啟動按鈕確認后進行投料作業。在鋁錠的熔煉轉運過程中，目前有兩種方式：第一種是連續式熔煉爐，即熔煉爐與保溫爐為一體式，采用在線連續式精煉除氣作業（但沒有實現在線測氫作業），這類熔煉方式在大型零件如摩輪、汽輪行業的重力鑄造中比較多；第二種方式是集中式熔化，采用橋式起重機或者叉車將中轉包轉運到保溫爐區，鋁液精煉分為在線精煉與精煉后再倒入保溫爐中兩種方式。

對于澆注工序，目前較多的企業采用了工業機器人或者多軸機械手來代替人工進行澆注作業，雖然從一定程度上減輕了人工的勞動強度，但對于復雜類零件，人工還需要負責對模具進行下芯與清模作業，對于較重的零件，則需要雙人協助才能進行取件，勞動強度較大，危險性也較高。

綜上所述，熔煉與澆注雖然實現了局部的自動化，但仍存在著大量的人工作業工序，且信息化、物聯網等新興的技術基本沒有得到有效的應用，與工業4.0的新興工業模式存在著很大的差距。

我公司自2005年研發第一代澆注機器人以來，憑借自身豐富的鑄造經驗和國內鑄造設備的領先技術，經過多年自動化項目的經驗累積，在鑄造領域的深度開發，研制了集多項功能于一體的新型澆注系統。

二、現代熔煉技術的應用與發展

目前，在鑄造領域較為常見的兩種熔煉方式為連續式熔煉與集中式熔煉，其中連續式熔煉方式常見于自動化的澆注系統中，工業機器人或人工直接從保溫爐的爐口中進行取鋁液，然后進行澆注作業。該方式的優勢是無需人工進行鋁液的轉運，但仍需定期進行加料與鋁液測氫兩道工序，為完善這兩個人工工序，目前已經成功開發了自動送料機構與在線測氫工藝。

自動送料機構的前提條件是需要將鋁錠或料頭先按設定的重量進行分批放置在輸送線上，輸送線的傳遞形式為間歇式傳動，并與熔煉爐的投料系統互感控制，按設定時間輸送線自動步進一個工位，然后通過推進器將輸送線上的鋁錠推入到投料系統的小車內，從而實現熔煉爐中的自動投料作業。

對于鋁液的測氫工藝，傳統的是采樣測量，非自動在線測氫，故需要安排專門的工作人員來負責此事項，由于是人工參與并進行數據記錄，因此很容易存在誤測誤輸的事件發生。目前較為先進的是自動在線測氫工藝，該工藝檢測時利用一小股純凈氮氣經雙孔陶瓷探頭注入鋁熔液中，金屬中的氫將擴散進入氮氣泡中，儀器中的循環系統將促使該股氮氣在儀器與鋁熔液間不斷循環流動，儀器能連續測量氣體的組成成分并顯示出達到平衡的含量。該工藝實現了鋁液的在線實時監測與記錄，達到了無人化系統自控的水平。

集中式熔煉常見于低壓鑄造領域，從集中爐子轉運到單機臺的保溫爐中，基本是采用橋式起重機或叉車轉移，都需要人工進行參與作業，由于該工序涉及到高溫作業，故存在一定的安全隱患。為改善這一傳統轉移方式，目前較為先進的是采用AGV小車進行轉移（最先進的方式是采用高溫管道輸送），小車上配置一定容量的中轉包，轉包采用電驅動翻轉模式，熔煉爐可以實現自動定量放鋁液，AGV小車根據保溫爐所給信號自動運行到所需爐區，運行到位后可以與爐子處感應器互感定位，最后自動向敞開式爐口傾倒鋁液，可以實現鋁液的無人化轉移。缺點是對現場的環境要求比較高，需要潔凈式工廠模式才能符合要求。

圖1 機器人澆注

圖2 低壓鑄造

三、現代澆注技術的應用與發展

1. 工業機器人在有色合金澆注環節的應用現狀

（1）重力鑄造領域 目前，主要是利用工業機器人替代人工進行重力鑄造過程中鋁合金液的搬運與澆注作業（見圖1）。由于在重力鑄造中澆注是一個關鍵環節，其工作質量的高低直接決定著產品質量，傳統的人工澆注由于操作工更替頻繁及受操作工體能的限制，造成澆注工藝穩定性差，鑄造產品質量時有波動，而使用機器人澆注后，由機器人澆注管理軟件可自動控制機器人按鑄造工藝進行澆注，產品重復性一致，大大提高了產品質量，解放了勞動力。同時可與爐內的鋁液檢測系統進行關聯，實現對鋁液的實時監控，從而保證澆注鋁液的質量符合工藝要求。

（2）低壓鑄造領域 目前，已經有工業機器人用以取件作業，模式有1對1、1對2（見圖2）、或1對4這三種模式，作業的模式相對簡單，工序中所需的放過濾網、放置砂芯、打鋼號、去飛翅等工作，基本需要人工參與。

2. 工業機器人在有色合金澆注環節的發展趨勢

（1）重力鑄造領域 較第一代工業機器人澆注系統而言（僅執行澆注工序），經過近10年的不斷創新積累，目前新一代的機器人自動化澆注系統基本實現了集下芯、清模、澆注、取件四大功能于一體的模式（見圖3）。該類新模式可以采用1+2島式生產模式或1+4直線型生產模式。在島式生產模式中，機器人通過自動切換工裝的模式實現取件與澆注雙重功能，因鑄造節拍與機器人工作節拍的匹配要求，該類方式基本采用1+2模式，可以實現真正的無人化作業要求。在直線型生產模式中，通常采用滑移式機器人進行澆注作業，同時另外配置桁架機器人或機械手進行下砂芯、取件與清模作業，人工主要負責系統的監管即可，勞動強度較低，同時采用直線型布置，物流比較順暢，只要在桁架的一端負責上下件即可。隨著人口紅利的消失，在“國家工業2025”的大背景下，新一代的澆注模式將會越來越被推廣。

（2）低壓鑄造領域 隨著新生代勞動力對工作環境的要求提高，企業自身對設備自動化要求的改進，單一的機械手自動取件功能已經滿足不了企業對通過技改達到減員增效的目的。我公司結合多年的自動化設計經驗，目前已經在輪轂低壓鑄造機領域實現了利用六軸工業機器人放置過濾網、打鋼號、取件三大功能，使得一個操作工可以輕松地監管6～8臺低壓鑄造機，較目前傳統的1人2機模式，人工效率提高了3倍，且勞動強度大幅度降低。在其他低壓鑄造領域，現也實現了工業機器人自動進行下砂芯、自動抓取產品進行打標、震砂等輔助作業，使人工的勞動強度由傳統的鑄造工變成了如今的設備工藝監管員。

圖3 重力鑄造生產線：機器人下芯、清模、澆注、取件

四、結語

當今社會，工業4.0模式已經在工業界被廣泛流轉，如何抓住機遇，在新一輪工業革命中通過技術創新、發展自我已成為眾多自動化制造商共同的課題。鑄造行業作為國家的支柱產業，一直存在著高能耗、高污染、高粉塵等問題，將傳統鑄造發展成為綠色鑄造、清潔化生產、低耗高產模式是我們這一代人所要面臨的任務。

“機器換人”的全面推廣，“智慧工廠”的破土而出，使得工業機器人在鑄造生產中的各個環節中有了更大的用武之地。因此提高鑄造業自動化水平，加強工業機器人在鑄造業中的深層次應用，從而降低生產成本，增大企業效益，促進經濟和社會的和諧發展，已成為我們的重要使命。