低壓鑄造自動放過濾網技術的開發與應用

摘要：對低壓鑄造自動放過濾網技術進行開發與應用，即通過自主開發控制程序與鑄造系統集成融合，取消了原先人工放網的過程，增加了放網機器人及輔助置網輪盤，實現了鑄造過程從開模—放網—合模注鋁水—保壓開啟冷卻系統—開模—毛坯脫模—毛坯轉移的區域全自動化生產。鋁合金車輪鑄造過程的全自動化，推動了鋁合金車輪全流程智能制造的發展。

關鍵詞：過濾網；自動化；置網輪盤；機械手；生產節拍

0 前言

《中國制造2025》提出：“以提高制造業創新能力和基礎能力為重點，推進信息技術與制造技術深度融合，促進制造業朝高端、智能、綠色服務方向發展，培育制造業競爭新優勢。加快發展新型制造業，實施高端裝備創新發展工程，明顯提升自主設計水平和系統集成能力。培育推廣新型智能制造模式，推動生產方式向柔性化、智能化、精細化轉變。”通過低壓鑄造自動放過濾網技術的開發應用，實現全自動化鋁合金車輪鑄造過程，提升產品質量，促進產業升級，為企業實現智能化制造奠定基礎。

1 自動放過濾網技術的開發

1. 1 鋁合金車輪低壓鑄造自動放過濾網硬件系統建設

低壓鑄造自動放過濾網系統主要由機械手、旋轉伺服機構、伸縮伺服機構、機架調整機構、置網輪盤、電控柜及控制系統等單元組成，整體效果如圖1所示。鋁合金輪轂低壓鑄造機的過濾網為自動上料與放置。置網輪盤機構配置如圖2 所示。操作人員負責將濾網規整并擺放在置網輪盤內，然后利用自動機械手進行放網，確保放網符合工藝要求。相較于人工放網，放網機可以避免人員進入危害人身安全的活動空間，極大地保護了操作人員的人身安全。對企業而言，放網機的使用減少了勞動力，可以明顯提高經濟效益，為其穩定高效運行提供有力保障。

1. 2 自動放過濾網總線通信與控制

建立可靠、安全的通信機制，可以為機械手、置網輪盤和低壓鑄造機之間的良好協作提供保障。該自動放過濾網系統各單元與可編程邏輯控制器（PLC）間采用過程現場總線（PROFIBUS）通信模式連接［1-2］。在硬件方面，通過屏蔽電纜將機械手、置網輪盤和低壓鑄造機之間相應的輸入與開發輸出裝點進行連接。在軟件方面，通過SIMATICSTEP7 專用軟件編寫機器人的控制程序，同時主站PLC 通過接口采集機臺和機器人當前狀態并進行反饋，最終實現鑄造機臺與機器人的安全通信［3］。重點需要處置緊急停止信號、 數控機床準備完成信號、安全門信號等。

1. 3 自動放過濾網工作流程

通過對低壓鑄造自動放過濾網技術自動生產線的布局分析，確定自動放過濾網機的工作流程為： ① 置網輪盤進行自動上料；② 光電開關檢測到有料信號后，置網輪盤停止工作；③ 在放網機和置網輪盤同步動作到取網位后，放網機伸縮臂機架運行設定取網距離；④ 擺臂手爪動作，抓取濾網；⑤ 放網機伸縮伺服電機運行到伸縮檢測位；⑥ 放網伸縮伺服電機回到待機位；⑦ 擺臂伺服電機運行到對中位；⑧ 伸縮臂伸出到對中位，對中氣閥動作；⑨ 對中完成后氣閥釋放伸縮臂縮回，機械手運行到待機位置，等待鑄造機托盤到位和托盤有料信號；⑩ 擺臂伺服電機運行到設定放網位；? 機架運行至設定位置，放網機伸縮伺服電機運行至設定放網位置；? 定位氣缸開啟定位工作；? 伸縮臂縮回到待機位，機架回到待機位后，擺臂伺服電機開始回取網位，得到供料盤有料信號后完成預定動作。至此，以上程序進入依次循環階段［4］。

2 自動放過濾網技術創新性研究

2. 1 基于計算機輔助工程（CAE）技術研究鑄造節拍穩定性對鑄造毛坯質量的影響規律

通過CAE 過程模擬方法，控制鑄造周期內模具初始溫度參數。通過模擬出的不同初始模具溫度，研究鑄造毛坯質量的理論質量狀態，分析鑄造節拍穩定性對鑄造毛坯質量狀態的影響，確保生產系統處于穩定狀態、過程質量處于可控狀態，進一步保證產品質量的穩定性。

2. 2 基于紅外線識別技術的機械手放網過程監控方法

低壓鑄造自動放過濾網技術主體設備采用機器人與置網輪盤。通過控制紅外感應裝置，檢驗過濾網待取準備及機械手取網狀態。隨著置網輪盤順時針轉動，紅外線會照射到置網輪盤的置網圓孔座中。當置網圓孔座中有過濾網時，紅外線照射到過濾網上，感應裝置就會向控制系統反饋信號，在過濾網準備正常后置網輪盤停止轉動，過濾網待取準備工作即完成。當紅外線當前照射到的置網圓孔座中無過濾網時，置網輪盤則會繼續轉動，直至紅外線信號感應到過濾網的存在，置網輪盤才會停止轉動，并完成過濾網待取準備工作。過濾網待取準備工作完成后，機械手自動夾取置網圓孔座中的過濾網，并吸附至前端，按照設定的路徑運動到置網輪盤指定位置。隨后紅外線感應裝置會根據過濾網是否穩定吸附在機械手前端的指定位置進行監測，并將感應信號反饋給控制系統。若過濾網穩定吸附，機械手將按照設定路徑運動到指定位置，進入放網準備狀態；若過濾網在機械手運動過程中掉落，則機械手重新執行取網程序，直到過濾網穩定吸附，進入放網準備狀態為止。

2. 3 基于DMU 軟件對放網機械手和置網輪盤過程動作路徑的模擬

放網機械手和置網輪盤過程動作路徑的研究是基于DMU 軟件的過程模擬。根據原始鑄造設備布局圖，參照原始鑄造設備布局周邊數據，由放網機械手和置網輪盤最外端經過的路徑形成運動包絡體，包絡體的建立應遵循不干涉原則。隨后建立放網機械手和置網輪盤建模的初始坐標系，并以初始坐標系為基點，結合人機工程應用DMU 軟件，初步設定放網機械手和置網輪盤的初始理論模擬動作路徑［5］。

3 自動放過濾網技術應用成果

3. 1 實現鋁合金車輪鑄造生產過程自動化

低壓鑄造自動放過濾網技術的開發與應用，取消了原有人工放網過程，實現了鑄造過程從開模—放網—合模注鋁水—保壓開啟冷卻系統—開模—毛坯脫模—毛坯轉移的區域全自動化生產。操作人員只需要在控制系統界面完成相應的參數調整即可，操作簡單、容易上手，為鋁合金車輪鑄造生產過程智能化奠定基礎，大幅提高了鑄造生產效率。

3. 2 穩定鑄造生產節拍并提升生產效率

鋁合金車輪鑄造過程對鑄造模具的溫度要求非常嚴格。在開模、合模、充型、冷卻系統開啟等工藝的執行過程中，為了使鑄造模具各個部分的溫度維持在一定的范圍內有序波動，鑄造過程需要保持穩定連續，同時確保下一鑄造周期模具的初始溫度始終恒定在一定范圍內。在其他工藝參數穩定的狀態下，若模具開模時間過長，會導致模具熱量大量流失，模具溫度下降，直接影響到鑄造毛坯的質量，容易形成縮孔、縮松等缺陷。

過濾網放置時間是否準確會直接影響到開模成功率。傳統鑄造工藝采用人工放過濾網的方式，放過濾網的時間因人而異，放置時間的準確性不可控；鑄造過程中，模具溫度波動較大，容易造成鑄造毛坯質量參差不齊。低壓鑄造自動放過濾網技術采用機器人與置網輪盤相結合的方式，主輔程序集成控制，保證了放網過程時間的一致性，也保證了相鄰鑄造周期鑄造模具溫度過程變量的一致性（其中合模時間、保壓時間、冷卻開啟時間等參數由系統設定參數控制），保證了鋁合金車輪鑄造過程中溫度的穩定性［6］。從統計過程控制（SPC）角度分析，生產系統處于可控狀態，可以提高過程質量的可控性，避免了人為因素對系統的干擾，降低了鑄造生產過程的差錯率，保證了產品質量的穩定性。

3. 3 降低成本并減輕勞動強度

低壓鑄造自動放過濾網技術的研發與應用，使自動化放網技術代替原有人工放網過程，實現了少人化、機械化和自動化。使用自動放過濾網設備能將員工從部分體力勞動中解脫出來，既提高了生產效率，又保障了員工自身的安全，降低了人工成本與勞動生產強度。

4 結語

低壓鑄造自動放過濾網技術應用紅外線識別技術和控制系統實現了鋁合金車輪鑄造過程的全自動化。采用該技術一方面提升了鑄造效率及穩定性，改善了鑄造毛坯的質量，提升了鑄造毛坯的合格率；另一方面穩定了生產節拍，減輕了員工勞動強度，實現一人多機操作，為鑄造車間生產自動化邁出了堅實的一步，為企業標準化作業的精細化管理夯實了基礎。

參考文獻

［ 1 ］ 章旭霞，袁亮亮，趙志剛，等. 低壓鑄造熱加工車間智能化生產技術[J]. 金屬加工（熱加工），2023（1）：15-18，25.

［ 2 ］ 朱劍英. 智能制造的意義、技術與實現[J]. 機械制造與自動化，2013，42（3）：1-6，10.

［ 3 ］ 趙麗紅，畢濤. 提高低壓鑄造鋁合金車輪金屬利用率的研究[J]. 特種鑄造及有色合金，2022，42（2）：235-238.

［ 4 ］ 劉春，楊浩然，薛允成. 基于機器人的自動取件系統的布局設計與優化[J]. 機械工程師，2019（1）：12-13，20.

［ 5 ］ 鄒天佑. 淺析汽車自動化技術[J]. 中國戰略新興產業，2019（8）：172-173.

［ 6 ］ 劉松辰. 汽車自動化控制系統的應用及發展方向分析[J]. 專用汽車，2022（10）：11-13.