一種多維砂箱定位機構在造型線上的應用

趙林棟，朱 亮，李 峰，俄立業，張友亮，趙 鵬，王愛峰

（國機鑄鍛機械有限公司，山東 濟南 250306）

靜壓造型技術具有工藝優良、適用范圍廣、綜合性能強等優點[1]。針對復雜的鑄件，靜壓造型機只能對上箱和下箱分別進行造型并得到一定形狀的型腔，但是中間需要芯子進行填補才能組成一個合格的鑄件。砂芯主要的作用是形成鑄件的內腔、孔及鑄件外形不易起模的部分。砂芯的位置是否正確直接影響鑄件毛坯的尺寸精度和產品性能[2]。

針對一些生產率高，芯子重量比較大的造型線來說，人工下芯既影響生產線效率也會對砂型造成一定的破壞。所以自動生產線上一般會配備下芯設備，以實現自動下芯功能。

1 下芯機下芯方案

如圖1 所示，下芯機通過定位銷跟被下芯的下箱進行定位，下芯機的機械手可以在一定范圍內擺動，當定位銷進入定位套時，機械手跟下箱之間的位置偏差通過定位銷和定位套進行調整。所以這種下芯方式對砂箱的定位精度要求不嚴格，一般只需要有砂箱定位缸即可。

圖1 下芯機

2 下芯機器人下芯方案

相對于下芯機的方案，下芯機器人（圖2）在靜壓線上的使用使得下芯的精度及速度得到了提高，占地面積也隨之減少，可以提供更多的人工位置。在設備商的設計制造上也做到了簡單易用，只需要選擇合適的受力和臂展的機器人就可以替換原來龐大的機械結構。同時機器人就位沒有非常嚴格的尺寸要求，只要在臂展范圍內即可滿足使用，而老式的下芯機卻需要在就位時進行設備的精確定位，時間久了后還需要再次定位以恢復下芯精度。同時下芯機器人是完全的電能控制，替代了原來還需要液壓系統的情況。

圖2 下芯機器人

在機器人的手腕上設計好夾具，機器人就可以自動的抓取芯子，并跟造型線聯動進行下芯工作，對一些特殊的有較大立面的芯子還能進行傾斜放入，再垂直就位。雖然機器人往復精度很高，甚至遠遠大于下芯本身需要的0.5 mm 的精度要求，但是砂箱的重復定位精度卻影響下芯機器人的定位精度。針對這一情況，我們研發了專門對砂箱的多維度定位裝置。

3 砂箱的多維定位機構概述

砂箱下芯需要的多維度定位裝置如圖3 所示，通過升降的滾道支架，使砂箱與臺車脫離，并通過插入定位銷、夾緊輪抱緊以及限位裝置機械限位等實現對砂箱的X、Y、Z 軸三個方向的精確定位。

圖3 砂箱的多維定位機構

這種砂箱的多維定位機構，它包括底座架，且在底座架上設置有方軌支架、升降油缸，升降油缸的活塞桿頂在升降支架下方；同時設置四組導向桿導向套組，四組導向桿頂部與升降支架下方連接固定，四組導向桿裝置起導向作用，確保升降具有良好的穩定性；還包括限位裝置、升降支架。在升降支架上固定設置有兩個定位缸機構、四個夾緊輪機構以及砂箱滾道。方軌支架上設置兩根方軌、四組限位擋板以及四組鎖緊輪，方軌與在線臺車軌道對接，砂箱臺車被推送至下芯位后，四組鎖緊輪通過橡膠扭簧彈簧力將臺車車輪鎖住，從而實現臺車的推送方向上的預定位。

定位缸機構由定位油缸、定位銷、定位導向套等組成，定位油缸驅動定位銷通過導向套導向插入砂箱銷套，實現砂箱輸送方向即X 軸方向的定位。所述夾緊輪機構由夾緊油缸、支撐座、曲柄、夾緊滾輪等組成，夾緊油缸驅動曲柄帶動滾輪以滾動摩擦方式夾緊砂箱側面，從而實現砂箱推送垂直方向即Y 軸方向的定位。

限位裝置，包括限位支架、限位頂絲，調整限位頂絲位置，當砂箱隨滾輪支架上升時，四根限位頂絲頂住砂箱上面，通過機械硬限位方式實現砂箱上下方向即Z 軸方向的定位。

當砂箱臺車被推送至下芯位時，通過上面描述的四組鎖緊輪將臺車車輪鎖住，由升降油缸驅動升降支架帶動砂箱升降，砂箱還未完全脫離臺車定位銷時，定位油缸驅動定位銷插入砂箱銷套，四組夾緊滾輪抱緊砂箱側面，四根限位頂絲頂住砂箱上面，通過機械硬限位方式實現砂箱上下方向即Z 軸方向的定位，從而完成砂箱的X、Y、Z 軸三個方向的精確定位，大幅度提高了砂箱的在線定位精度，滿足砂箱下芯定位精度要求。

4 下芯定位機構分解詳述

如圖4 所示，砂箱的多維定位機構包括底座架1 和設置在底座架1 上的方軌支架4、四組導向套6，升降支架2 上設置兩組滾道支架3，兩組滾道支架3 上各設置四組滾道滾輪13，上升時通過滾道滾輪13 托起砂箱20。方軌支架4 上設置兩根方軌14，方軌14 與在線臺車軌道對接。方軌支架4 上還設置四組鎖緊輪15。鎖緊輪15 通過橡膠扭簧16 彈簧力將臺車滾輪26 輪沿抱住。

圖4 砂箱的多維定位機構三維圖

如圖5 所示，升降油缸8 固定在底座架1 上，升降油缸8 的活塞桿頂在升降支架2 下方，四只導向桿7 頂部連接固定在升降支架2 的下方，與四組導向套6 配合導向，升降支架2 為框架式結構，以確保升降具有良好的穩定性。

圖5 多維定位機構主視圖

如圖6 所示，限位擋板17 設置在方軌支架4上，限位擋板17 與臺車滾輪26 留3～5 mm 間隙，防止砂箱上升時帶起臺車。限位支架5 固定，當砂箱22 隨滾道支架上升時，調整四根限位頂絲21高度，四根限位頂絲21 頂住砂箱上面。通過機械硬限位方式實現砂箱22 Z 軸方向的定位。

圖6 右視圖

如圖7 所示，定位銷19 與定位油缸18 桿端螺紋連接，并通過定位導向套20 導向。設置在滾道支架3 上的定位缸機構隨升降支架2 平穩上升，滾道滾輪13 托起砂箱22 箱帶下面時，圖中所示的定位油缸18 驅動定位銷19 通過定位導向套20 導向，插入相配合的砂箱定位銷套24 中。

圖7 定位缸機構的剖視放大圖

如圖8、圖9 所示，夾緊油缸9 缸尾耳環鉸接方式連接在升降支架2 耳環支座上，兩組曲柄11中間以銷軸鉸接方式與支撐座10 連接，一端連接夾緊滾輪12，另一端與夾緊油缸9 連接，夾緊油缸9 驅動曲柄11 帶動滾輪12 以滾動摩擦方式夾緊砂箱22 側面。

圖8 夾緊輪機構的局部放大圖

圖9 曲柄的局部剖視圖

進一步地，砂箱22 在線下芯定位時，動作過程如下：臺車23 載砂箱22 被推送至與在線臺車軌道對接的設置在方軌支架4 的方軌14 上時，設置在方軌支架4 上的四組鎖緊輪15 通過橡膠扭簧16 彈簧力將臺車滾輪26 鎖住，升降油缸8 驅動，四組導向桿7 導向套6 配合導向，設置在滾道支架3 上的滾道滾輪13 隨升降支架2 平穩上升，滾道滾輪13 托起砂箱22 箱帶下面，圖中所示的定位油缸18 驅動定位銷19 通過定位導向套20導向，插入相配合的砂箱定位銷套24 中，實現X軸方向的定位，圖中所示的夾緊油缸9 驅動曲柄11，曲柄11 帶動夾緊滾輪12，抱緊砂箱22 側面，實現Y 軸方向的定位。為防止砂箱22 帶起臺車23，在方軌支架4 上設置限位擋板17，限位擋板17 與臺車滾輪26 留2～4 mm 間隙，可有效防止臺車23 脫軌。砂箱22 脫離臺車定位銷25 到位后，設置在限位支架5 上的四根限位頂絲21 頂住砂箱22 箱帶上面，通過機械硬限位方式實現砂箱22 Z 軸方向的定位。完成砂箱22 的X、Y、Z 軸三個方向的精確定位后，再由機器人或下芯機完成下砂芯工作。

5 總結

下芯機器人在造型線上的應用，有效解決了下芯機在造型線上占地面積大、液壓系統復雜、夾具投資大的問題，同時針對較小的芯子和部分組合芯子機器人都能有效的替代人工，填補了下芯機的工作空白區。如果配上激光掃描系統和砂芯輸送系統就可以實現機器人無人化下芯，芯子從芯庫被取出后通過輸送系統到達造型線，機器人通過激光掃描可以對砂芯進行定位，然后自動抓取，自動下芯。因為機器人可以使用加持或者漲塞式夾具，對芯子的兼容性更好，減小了夾具投資。本文描述的多維砂箱定位機構為下芯機器人的應用提供了更好的條件。