机器人与铸造熔炼与浇注工序

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摘要：在铸造行业，由于高温高粉尘的恶劣环境，铸造自动化被越来越多的企业所重视和推行，突显了对工业机器人的需求。自动化(包括工业机器人)在铸造领域中的应用，已经由目前的单一浇注、搬运延伸到了取件、下芯、清理、码垛等工位。

　　一、概述

　　铸造是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是机械工业重要的基础工艺。铝合金铸造中关键的两道工序是铝锭的熔炼转运与铝液的浇注成形，其中对于铝锭的熔炼转运目前传统工艺是人工将铝锭、料头定期搬运到上料小车上，再人工按按钮确认后进行投料作业。在铝锭的熔化转运过程中，目前有两种方式：第一种是连续式熔化炉，即熔化炉与保持炉为一体式，采用在线连续式精炼除气作业(但没有实现在线测氢作业)，这类熔炼方式在大型零件如摩轮、汽轮行业的重力铸造中比较多;第二种方式是集中式熔化，采用桥式起重机或者叉车将中转包转运到保温炉区，铝液精炼分为在线精炼与精炼后再倒入保温炉中两种方式。

　　对于浇注工序，目前较多的企业采用了工业机器人或者多轴机械手来代替人工进行浇注作业，虽然从一定程度上减轻了人工的劳动强度，但对于复杂类零件，人工还需要负责对模具进行下芯与清模作业，对于较重的零件，则需要双人协助才能进行取件，劳动强度较大，危险性也较高。

　　综上所述，熔炼与浇注虽然实现了局部的自动化，但仍存在着大量的人工作业工序，且信息化、物联网等新兴的技术基本没有得到有效的应用，与工业4.0的新兴工业模式存在着很大的差距。

　　二、现代熔炼技术的应用与发展

　　目前，在铸造领域较为常见的两种熔炼方式为连续式熔炼与集中式熔炼，其中连续式熔炼方式常见于自动化的浇注系统中，工业机器人或人工直接从保持炉的炉口中进行取铝液，然后对铸造设备进行浇注作业。该方式的优势是无需人工进行铝液的转运，但仍需定期进行加料与铝液测氢两道工序，为解决这两个人工工序，目前已经成功开发了自动送料机构与在线测氢工艺。

　　自动送料机构的前提条件是需要将铝锭或料头先按设定的重量进行分批放置在输送线上，输送线的传递形式为间歇式传动，并与熔炼炉的投料系统互感控制，按设定时间输送线自动步进一个工位，然后通过推进器将输送线上的铝锭推入到投料系统的小车内，从而实现熔炼炉中的自动投料作业。

　　对于铝液的测氢工艺，传统的是采样测量，非自动在线测氢，故需要安排专门的工作人员来负责此事项，由于是人工参与并进行数据记录，故很容易存在误测误输的事件发生。目前较为先进的是自动在线测氢工艺，该工艺检测时利用一小股纯净氮气经双孔陶瓷探头注入铝熔液中，金属中的氢将扩散进入氮气泡中，仪器中的循环系统将促使该股氮气在仪器与铝熔液间不断循环流动，仪器能连续测量气体的组成成分并显示出达到平衡的含量。该工艺实现了铝液的在线实时监测与记录，达到了无人化系统自控的水平。

　　集中式熔炼常见于低压铸造领域，从集中炉子转运到单机台的保温炉中，基本是采用桥式起重机转移或者叉车转移，都需要人工进行参与作业，由于该工序涉及到高温作业，故存在一定的安全隐患。为改善这一传统转移方式，目前较为先进的是采用AGV小车进行转移(最先进的方式是采用高温管道输送)，小车上配置一定容量的中转包，转包采用电驱动翻转模式，熔炼炉可以实现自动定量放铝液，AGV小车根据保温炉所给信号自动运行到所需炉区，运行到位后可以与炉子处感应器互感定位，最后自动向敞开式炉口倾倒铝液，可以实现铝液的无人化转移。缺点是对现场的环境要求比较高，需要洁净式工厂模式才能符合要求。

　　三、现代浇注技术的应用与发展

　　1.工业机器人在有色合金浇注环节的应用现状

　　(1)重力铸造领域 目前，主要是利用工业机器人替代人工进行重力铸造过程中铝合金液的搬运与浇注作业(见图1)，由于在重力铸造中浇注是一个关键环节，其工作质量的高低直接决定着产品质量，传统的人工浇注由于操作工更替频繁及受操作工体能的限制，造成浇注工艺稳定性差，铸造产品质量时有波动，而使用机器人浇注后，由机器人浇注管理软件可自动控制机器人按铸造工艺进行浇注，产品重复性一致，大大提高了产品质量，解放了劳动力。同时可与炉内的铝液检测系统进行关联，实现对铝液的实时监控，从而保证浇注铝液的质量符合工艺要求。

　　(2)低压铸造领域 目前，已经有工业机器人用以取件作业，模式有1对1、1对2、或1对4这三种模式，作业的模式相对简单，工序中所需的放过滤网、放置砂芯、打钢号、去飞翅等工作，基本需要人工参与。

　　2.工业机器人在有色合金浇注环节的发展趋势

　　(1)重力铸造领域　 较第一代工业机器人浇注系统而言(仅执行浇注工序)，经过近10年的不断创新积累，目前新一代的机器人自动化浇注系统基本实现了集下芯、清模、浇注、取件四大功能于一体的模式。该类新模式可以采用1+2岛式生产模式或1+4直线型生产模式。在岛式生产模式中，机器人通过自动切换工装的模式实现取件与浇注双重功能，因铸造节拍与机器人工作节拍的匹配要求，该类方式基本采用1+2模式，可以实现真正的无人化作业要求。在直线型生产模式中，通常采用滑移式机器人进行浇注作业，同时另外配置桁架机器人或机械手进行下砂芯、取件与清模作业，人工主要负责系统的监管即可，劳动强度较低，同时采用直线型布置，物流比较顺畅，只要在桁架的一端负责上下件即可。随着人口红利的消失，在“国家工业2025”的大背景下，新一代的浇注模式将会越来越被推广。

　　(2)低压铸造领域 随着新生代劳动力对工作环境的要求提高，企业自身对设备自动化要求的改进，单一的机械手自动取件功能已经满足不了企业对通过技改达到减员增效的目的。我公司结合多年的自动化设计经验，目前已经在轮毂低压机领域实现了利用六轴工业机器人放置滤网、打钢号、取件三大功能，使得一个操作工可以轻松地监管6～8台低压铸造机，较目前传统的1人2机模式，人工效率提高了3倍，且劳动强度大幅度降低。在其他低压铸造领域，现也实现了工业机器人自动进行下砂芯、自动抓取产品进行打标、震砂等辅助作业，使人工的劳动强度由传统的铸造工变成了如今的设备工艺监管员。

　　四、结语

　　当今社会，工业4.0模式已经在工业界被广泛流转，如何抓住机遇，在新一轮工业革命中通过技术创新、发展自我已成为众多自动化制造商共同的课题。铸造行业作为国家的支柱产业，一直存在着高能耗、高污染、高粉尘等问题，将传统铸造发展成为绿色铸造、清洁化生产、低耗高产模式是我们这一代人所要面临的任务。

　　“机器换人”的全面推广，“智慧工厂”的破土而出，使得工业机器人在铸造生产中的各个环节中有了更大的用武之地。因此提高铸造业自动化水平，加强工业机器人在铸造业中的深层次应用，从而降低生产成本，增大企业效益，促进经济和社会的和谐发展，已成为我们的重要使命。