工業機器人鋁合金大活塞鑄造系統設計與研究

潘廣堂

【摘 要】針對目前鋁合金大活塞鑄造工藝中存在的問題，設計開發工業機器人鋁合金大活塞鑄造系統，重點開發了驅動澆包單元與取件單元的第七軸伺服機構；特別加強了操作人員安全防護方面的研究，采用軟硬件雙重保護；優化澆注工藝流程，使機器人完成兩臺活塞鑄造機的澆鑄、取件、鑄淬等工作。

【關鍵詞】O型圈；非線性；密封；有限元

0 前言

近年來鋁合金鑄造產品市場需求高漲，歐、美等工業發達國家轉而向發展中國家采購鑄件。鋁合金活塞主要采用重力鑄造，傳統的作業模式是人工勺取鋁液澆鑄，環境溫度高，搬運強度大，尤其是大鑄件（鑄件質量大于30kg）需要兩次舀取鋁液澆注，不但工人體力難以承擔，而且鑄件品質難以保證。鑄件容易產生縮松、縮孔等缺陷，成型過程中造成晶粒尺寸不均勻等缺陷，這些缺陷影響了活塞的壽命[1]。工業機器人作為集多學科先進技術于一體的現代制造業重要自動化裝備，以其高度的柔性化在現代鑄造產業中應用日趨廣泛。使用工業機器人進行澆鑄，免除了大鑄件二次澆鑄產生的鑄件缺陷，極大地提高了鑄件質量，解放了工人勞動力[2-9]。

1 系統概述

工業機器人鋁合金大活塞鑄造系統（以下簡稱“鑄造系統”）采用ABB公司的IRB6620型鑄造機器人，末端搭載根據大活塞鑄造工藝特征自主研發的機器人第7軸附加軸式澆包單元及機械手取件單元，實現2臺鑄造機的全自動澆鑄、吹氧化皮、取件、鑄淬等工藝目的。

鑄造系統采用圖1所示布局方式，澆鑄鋁液最重為35kg設計，該系統的鋁液澆鑄及取件由鑄造機器人自動完成。第七軸采用ABB原廠伺服馬達及驅動，實現了該第七軸的編程方式和機器人的編程在同一平臺編程。澆包及取件采用機器人附加軸第7軸伺服機構，可以實現鋁液的精確定量和定速舀取及精確取件。每臺機器人搭配2臺鑄造機相向布置方式。通過機器人的運動實現各臺鑄造機的工作工藝。本系統特別加強了操作人員安全防護方面的設計，采用軟硬件雙重保護，達到歐洲標準EN954-1最高安全等級4級。

2 IRB6620鑄造機器人

ABB公司的IRB6620機器人融合了直線軸機器人和多關節型機器人的各種優點，增添了緊湊性、敏捷性等多種特色。是一款載荷150kg的6軸機器人，并具有ABB多關節型機器人的高運動范圍和內在柔韌性特點。該型機器人在設計上實現了高性能和高可靠性，能夠提高產量和利用率。6620的設計舍棄了平衡汽缸，使得機器人更緊湊更敏捷。內置式服務信息系統（SIS）可監控動作、機械上料及優化服務需求。載荷和可達距離：150kg and 2.2m。IRB 6620不僅可抓取較重、較大工件，更適合處理更大轉動慣性的工件。

3 第七軸

澆包單元與取件機械手通過快換裝置采用同一伺服馬達控制，快捷更換，節省成本，控制精確。將伺服澆包的驅動作為機器人的附加軸來控制，第七軸與機器人其它六軸完美配合，運動流暢、自然，在舀取和澆注過程中都保持平穩姿態，防止鋁液濺出。當機器人腕部（第六軸）的機器人快換裝置與澆包單元的機器人快換裝置精確結合時，通過牙嵌式離合動力傳遞機構，將伺服馬達的動力傳動到澆包單元。第七軸澆包與鑄造機傾轉軸同步隨動，在鑄造機傾轉軸安裝編碼器，機器人讀取編碼器信號測知回轉速度。第七軸電機及驅動器采用ABB原廠產品，配合ABB機器人第七軸驅動軟件包，可以控制澆包與鑄造機澆鑄口始終處于同一相對位置，不論鑄造機以什么速度回轉，都能實現鋁液的完美澆鑄，提高成品率并有效防止事故發生。

4 安全系統

本系統特別加強了操作人員安全防護方面的設計，采用軟硬件雙重保護。安全部件均采用世界一流品牌產品，達到歐洲標準EN954-1最高安全等級4級。如圖 2，操作安全門、維修安全門、安全光柵、安全門鎖、急停開關等共同構成了安全防護系統。這套系統由2路操作安全門鎖、2路維修安全門鎖、2路安全光柵、1路急停系統等構成7路安全回路，通過安全繼電器進行相應操作，確保操作人員在工作過程中不會受到機器傷害。在鑄造機操作面板、操作安全門操作面板、安全圍欄等處均設有緊急停止按鈕開關，可保證在問題狀態時隨時停止機器工作。

5 工作流程

機器人處于帶澆勺預熱狀態，當某臺鑄造機A合模后，機器人收到信號，下移，伺服澆包避開液面表層的氧化層在其下面按設定舀取定量鋁液，然后移動至鑄造機A待澆位置，等待確認澆鑄信號，當操作工人鑲環完畢并退到安全區域，確認后給出鑄造機A允許澆鑄的信號，機器人進行自動澆鑄（可按工藝設定澆鑄角度及速度，可實現在線修改）。鑄造機A澆鑄完成后，將澆包進行吹氧化皮處理。機器人進入下一步工序。若此時鑄造機B開模，則機器人將澆包放回保溫處并更換取件機械手，迅速將其鑄件取出送至淬水箱（如果配備鑄件輸送機，則機器人在取出剛剛鑄就的工件前，先將淬水箱中的鑄件取出置于鑄件輸送機上）；若鑄造機B合模，則機器人返回帶澆勺預熱狀態，為鑄造機B的澆鑄工作做準備；若鑄造機B既不開模也不合模，則機器人待機。

6 結語

本文介紹了工業機器人鋁合金大活塞鑄造系統。該鑄造系統采用第七軸伺服驅動機構完成活塞的澆鑄與取件作業。鑄造系統采用軟硬件雙重保護，特別加強了操作人員安全防護工作。該鑄造系統還著重優化活塞鑄造生產工藝流程，使機器人完成兩臺活塞鑄造機的澆鑄、取件、鑄淬、去皮、澆包預熱等工作。

【參考文獻】

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[責任編輯：王偉平]