基于信息化的缸蓋制芯中心建設

王志鋒

（廣西玉柴新能源有限公司，廣西玉林 537005）

0 引言

目前，我國大多數發動機企業缸體鑄造生產流程都能實現全線自動化，但缸蓋由于其復雜性，所組成的砂芯品種多且不規則，制芯工部只能實現半自動化，搬運、組芯、浸涂以及輸送等都靠手工操作；過程數據基本由人工采集，沒有形成系統化，生產效率低下，產品質量不受控。而國外的知名鑄造公司如沃爾沃、庫爾茲等缸蓋鑄造已實現中央控制全線自動化，甚至實現遠程監控生產流程。

廣西玉柴缸蓋鑄造車間基于信息化建成后可適應10 種以上不同機型缸蓋生產。車間生產流程全部實現自動化，尤其是制芯中心所有工序在輥道線體上完成砂芯組裝、涂膠、浸涂、鉆孔、刻鑄號、下芯等，實現流水線自動化作業。制芯中心應用PROFINET 技術將制芯機、機器人、輸送輥道組成一個信息網絡，使用RFID 為信息載體，采用35臺機器人，實現砂芯信息自動識別、設備工藝智能切換、組芯判別糾錯、凸臺高度檢測等信息化作業。

本文以玉柴缸蓋制芯中心為例介紹信息化鑄造車間的構成以及信息化的實現過程。

1 工藝流程及設備布置

制芯中心采用冷芯盒制芯工藝，砂芯采用框式結構工藝及疊放式組裝工藝，一箱多件側澆布置。一個缸蓋砂芯分別由底盤芯、下水套芯、進氣道芯、排氣道芯、上水套芯及蓋盤芯組成。除進氣道芯和排氣道芯外，其余砂芯外框均為方形結構，只需改變砂芯內腔結構就能生產不同型號的缸蓋。采用該工藝后，砂芯夾具采用外框式夾取設計，一套夾具就能夠夾取、搬運以及定位10 種以上不同機型的砂芯，實現了通用化、柔性化生產。框式結構夾具3D 外形如圖1 所示。

圖1 框式結構夾具3D 圖

生產工藝流程如圖2 所示，下水套芯、進/排氣道芯與上水套芯在線上依次組裝到底盤芯上，經過浸涂、表干、鉆孔以及刻字后，再按一定順序與蓋盤芯組合成芯組送到造型下芯。

圖2 適應于10 種以上不同機型缸蓋鑄件的柔性工藝

根據工藝流程和產能需要，制芯中心有2 條組芯線、1 條表干線、4 條儲存線、1 條合芯線以及1 條送芯線組成。其中單條組芯線按順序依次布置5 臺冷芯盒射芯機、5 臺搬運機器人、2 臺注膠機器人、1 臺組芯機器人、1 臺打釘機器人以及1臺檢測機器人組成。組芯線和表干線之間由2 臺浸涂機器人完成砂芯轉運，表干后由4 臺鉆孔機器人完成砂芯6 個面排氣孔鉆取后放置到儲存線上，合芯線由1 臺刻鑄號機器人和2 臺合芯機器人將砂芯組成芯組，送芯線由穿螺桿及搬運機器人將芯組固定后送至造型，下芯機器人完成下芯。圖3 為制芯中心平面布置示意圖，圖中“”表示機器人。

圖3 制芯中心平面布置示意圖

2 制芯中心信息化網絡構成

整個制芯中心的主要生產設備采用PROFINET 方式組成一個信息網絡。該組網方式在設備采購之初技術交流時就對所有廠家提出約定，要求各設備都配置PROFINET 接口，并規定所需傳遞的信息具體內容。制芯中心PROFINET 網絡構成如圖4 所示。

圖4 制芯中心PROFINET 網絡構成

組成網絡后，每個制芯單元只需在第一臺制芯機設定生產機型及數量，其他幾臺制芯機相應會自動調出同種機型的參數進行生產，達到數量后停機并提示更換配套模具；取芯/組芯機器人、涂膠機器人、鉆孔機器人以及浸涂機械手也相應會自動調整程序執行該機型所需的工藝動作。

3 RFID 和機器人技術應用

3.1 RFID 技術應用

制芯機將砂芯的生產信息通過PROFINET 傳遞給輸送輥道，而輸送輥道上砂芯的輸送托板是非連續的，如果僅依靠程序記憶每塊托板的位置及其砂芯信息，不僅需要系統具有很大的儲存容量，且程序可能因突然停電或其他原因導致信息丟失或錯亂。本制芯中心應用RFID 技術做為砂芯識別跟蹤系統。

RFID 是一種射頻識別技術，它使用射頻電磁波通過空間耦合（交變磁場或電磁場）在閱讀器和進行識別、分類和跟蹤的移動物品（物品上附著有RFID 標簽）之間實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的。

輸送輥道上的每塊托板上都安裝有RFID 標簽，可以儲存鑄件機型、編號、生產日期/班組以及凸臺檢測高度，在需要讀取或寫入信息的位置安裝讀寫裝置，實現砂芯的識別跟蹤，如圖5 所示。

圖5 砂芯識別跟蹤系統

3.2 機器人技術應用

缸蓋采用砂芯全包圍方式成型工藝設計，本制芯中心共采用35 臺機器人實現砂芯搬運/組芯/注膠/上螺釘/浸涂/鉆孔/合芯/下芯等，以減少人工對質量的影響因素。下面將按照砂芯的生產流程按單元依次介紹。

3.2.1 制芯單元

制芯單元由5 臺制芯機、修芯輥道及工作臺、機器人以及組芯輥道組成，如圖6 所示。

圖6 制芯單元示意圖

砂芯在輸送輥道上流向為從左到右。最左邊的兩臺制芯機分別射制底盤芯和蓋盤芯，取芯機器人從制芯機中取出砂芯后放在修芯工作臺上，經人工修芯后再放置到輸送輥道托板上（底盤芯和蓋盤芯各1 個托板），并將該砂芯的相關信息寫入托板RFID 芯片內；底盤芯輸送到第三臺制芯機位置時由注膠機器人識別砂芯信息并按照配套程序注膠，取芯機器人抓取已修整的下水套芯并對比該砂芯機型是否與輥道上底盤芯機型一致，一致則執行組芯程序，不一致則報警；同樣過程，進/排氣道芯和上水套芯完成與底盤芯組裝。

3.2.2 浸涂單元

浸涂單元有機器人、浸涂機械手、組芯輥道與表干爐進口輥道組成，如圖7 所示。

圖7 浸涂單元示意圖

為滿足產能需要，制芯中心有2 套制芯單元，所以浸涂單元布置2 臺機器人各對應一套制芯單元的組芯輥道。機器人從組芯輥道上抓取砂芯后放置到浸涂機械手上，浸涂機械手翻轉180°，并下降將砂芯浸入涂料池中完成浸涂，機器人再將浸涂后的砂芯抓起放置到表干爐進口輥道上，并將相關信息從組芯輥道托板上讀取后寫入到表干爐進口輥道托板上。

3.2.3 鉆孔單元

該鉆孔單元可實現砂芯6 個面排氣孔的鉆取，主要由4 臺機器人、鉆孔機和鉆孔臺組成，如圖8 所示。

圖8 鉆孔單元示意圖

砂芯經表干爐后流轉到鉆孔單元，由2 臺搬運機器人分別抓取底盤砂芯和蓋盤砂芯并翻轉后，移動至固定式鉆孔機上，利用機器人上下移動完成砂芯上表面鉆孔，然后將砂芯翻轉回原位放到鉆孔工作臺上，由2 臺輔助機器人分別完成砂芯四周平面鉆孔，再由搬運機器人放置到對應的轉運輥道上。

3.2.4 合芯單元

合芯單元實現將底盤芯和蓋盤芯按照一定順序組合成砂芯組，由刻字機器人、合芯機器人，以及穿螺桿搬運機器人和上螺母機器人組成，如圖9 所示。

圖9 合芯單元示意圖

砂芯從儲存輥道流轉到合芯單元后，底盤芯組和蓋盤芯分開由兩條輥道送到機器人取芯工位，兩臺合芯機器人分別抓取后依次疊放到合芯輥道上送至穿螺桿工位，機器人完成螺桿緊固后搬運至下芯輥道送至造型下芯。

4 建設過程的問題及建議

缸蓋制芯中心在建設之時，工藝采用框式結構組合實現一箱多件，并大量應用機器人作業，在國內同行業內玉柴應屬于先例，在很多方面沒有可參考的樣板，在建設過程中或多或少會存在一些問題。

4.1 工藝優化及車間布局

原設計砂芯之間采用螺釘和熱熔膠方式連接，但后期發現表干爐與鉆孔單元之間的輥道距離較短，熱熔膠經過表干爐烘烤后熔化還來不及固化，鉆孔機器人抓取后造成砂芯分離。工藝上不得不在制芯單元中增加冷膠工序以避免砂芯分離。如砂芯采用粘膠固定，應充分考慮其特性，留有足夠的固化時間后再搬運。

在車間布局上空間略顯緊湊，尤其是表干爐長度比較長，除去必要的通道基本與車間長度相同。所以在車間廠房設計之前應先確認車間內較大、較長設備的布置，再以此擴展。

4.2 虛擬仿真技術的應用

玉柴缸蓋制芯中心采用了大量的機器人以及不同制造商設備聯動相互配合，在后期調試中存在某個工位機器人節拍達不到要求或設備之間存在干涉問題（如機器人夾具與托板）等，如在項目實施之初利用虛擬仿真技術對機器人的動作以及設備聯動進行仿真提前發現問題所在，就能快速改進避免問題發生。

4.3 新工藝試驗的必要性

玉柴缸蓋制芯中心應用了一些新工藝，但這些新工藝在前期驗證不足或沒有實物驗證，只有等設備調試后產出砂芯才能驗證，同樣造成調試周期長，不能很快轉入投產的問題。如果前期能利用快速成型技術做出砂芯來驗證工藝的合理性，后期的時間就會縮短，能更快的為企業帶來效益。

5 總結

玉柴缸蓋制芯中心應用了一些較為先進的設備工藝，不僅實現了自動化，而且實現信息化作業，但我們與國外先進鑄造企業相比還有較大差距，如沃爾沃已實現中央控制視頻監控。未來鑄造設備將走向智能化趨勢，如視覺系統智能判斷砂芯質量、與ERP 訂單系統對接智能生產、智能監控設備故障等。