工业机器人在活塞浇铸过程中的应用

赵淑国，董 旭，刘雨奇，王巨果

（山东双港活塞股份有限公司，山东日照 276800）

·铸造设备·

工业机器人在活塞浇铸过程中的应用

赵淑国，董 旭，刘雨奇，王巨果

（山东双港活塞股份有限公司，山东日照 276800）

为满足高度复杂的活塞浇铸工艺，加强活塞浇铸过程控制，以六轴关节机器人及活塞重力浇铸为基础，结合高档活塞浇铸工艺，将工业机器人与第七轴进行系统集成，成功实现一台关节机器人完成三台铸造机的浇铸工作，有效提高了产品质量，保证了产品的一致性、稳定性，降低了生产成本，解放了劳动力，提升了企业市场竞争力。

活塞浇铸；工业机器人；自动化

随着新型汽车节能高效的发展需求，汽车制造商对活塞的性能也提出更高的要求。目前活塞已经发展成为集轻质高强度材料、异型外圆复合型面、异型销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品，不仅对活塞的内、外在质量有更高的标准，还对产品质量的一致性、高精度性等标准有更高的要求。为满足汽车发动机国五、国六排放标准和汽车活塞行业提出的产品高度一致性的要求，活塞企业迫切需要以丰富的生产经验为基础，深入开展智能化铸造技术的应用研究。采用先进适用的铸造新技术，提高铸造装备智能化，特别是符合活塞技术需求的工业机器人技术的应用，是铸造企业实施绿色铸造生产，实现可持续发展的重要举措[1]。

1 活塞铸造现状分析

长期以来，活塞铸造行业属于高危险、高污染的基础性产业。目前，我国活塞铸造行业多数的生产过程都采用传统的人工浇铸或者半自动浇铸，整个生产过程中，有大量的工作需要人工完成，危险性大，工人劳动强度高，能耗高、铝水利用率低，生产效率低，产品质量的一致性及稳定性无法进行有效控制。同时，由于活塞铸造行业产生的有害气体、烟尘、噪声、高温、振动等问题，对员工身心健康也产生严重的影响。

2 工业机器人发展应用趋势

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。工业机器人具有工作效率高、稳定可靠、重复精度高、能在高危环境下作业等优势，在传统制造业中，特别是劳动密集型产业的转型升级中可发挥重要作用。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。随着我国提出“中国制造2025”战略目标的提出，工业机器人性价比逐渐提升，国产机器人在工业生产中得到更广泛应用，尤其是在工艺控制复杂的活塞铸造现场[2]。

3 工业机器人在活塞浇铸过程中的应用

3.1 设计思路

目前我国绝大部分活塞生产企业，在活塞浇铸过程都采用传统的人工浇铸或半自动浇铸工艺，随着活塞配套厂家对高档活塞性能指标要求的提高，原有的人工及半自动浇铸工艺无法满足要求。我公司结合六轴工业机器人性能以及活塞生产工艺，自主开发了机器人自动浇铸控制系统来实现机器人与第七轴的同步控制。将工业机器人与第七轴进行系统集成，并通过人机交互界面进行控制、显示以及报警输出。在整个控制过程中，操作人员只需要按下自动按钮即可实现全自动循环，效率高，易操

作[3]。

我公司在原有生产工艺基础上进行工艺改善，经过工艺改善专家委员会论证，制定出高档活塞铸造工艺。在试验过程中，反复浇铸试验和验证，确保浇铸后的活塞达到最佳理化性能。对浇铸完成的活塞进行检验、试验，确保各项性能指标达到国家要求。

3.2 工艺流程

自动启动→机器人原位待命→1号、2号、3号铸造机发出准备浇铸信号→关节机器人取铝液→1号、2号、3号铸造机发出允许浇铸信号→关节机器人开始浇铸→关节机器人发出浇铸完成信号→机器人回到原点等待（铸造机自动冷却）→冷却完成信号→铸造机开模信号→取件机械手自动抓取活塞→淬火→铸造机合模→铸造机发出准备浇铸信号。

3.3 应用优势

3.3.1 柔性化定量浇铸

传统的人工浇铸方式，不能对较少铝液进行定量控制，因此所浇铸形成的活塞不能保证产品的一致性；本项目铸造过程中通过高分辨率伺服定位来精准控制铝液量，并对浇铸过程进行多段速控制，对整个浇铸过程速度以及速度切换点进行柔性化控制，可以满足日益复杂的活塞浇铸工艺，提高活塞成品率[4]。

3.3.2 人机交互高灵活性

图1 人机操作界面

图2 活塞浇铸过程

图3 取料过程

图4 浇铸完成

图5 待机位

为解决六轴机器人不能直接应用在活塞铸造行业的难题，我公司在现有六轴机器人的基础上进行升级改造，研制出七轴机器人用于活塞浇注。并通过实时通讯技术实现了铸造机与七轴机器人之间数据传送，实现数据实时批量传送，具有信号传输快、信号传输稳定等优点。七轴机器人不仅能实现六轴机器人的快速、准确、平缓移动，还能通过控制系统参数修改来实现浇铸过程高度可调性。

3.3.3 实时控制技术

生产线采用全自动封闭控制，实现了全过程自动监控系统，浇铸机器人通过与铸造机进行实时通讯，在整个浇铸过程中，系统根据设定的工艺参数进行自动控制，并且还通过温度、时间控制来对过程进行实时调整。

3.3.4 在线检测

实现了全自动浇铸，通过在线检测铝液温度、模具温度、活塞淬火时间、冷却时间、各工艺点的时间节拍、铝液浇铸速度、开合模延时等，确保浇铸完成的活塞在抗拉强度、硬度、体积稳定性、金相组织、线膨胀系数等理化性能，都能符合国家标准，能保证产品的稳定性和一致性，使毛坯的一致性达到0个PPM.

3.3.5 自动报警系统

对设备运行过程中出现的故障和异常进行自动报警，并实时显示故障原因，方便故障及时排除。

3.3.6 高安全性

安全防护采用了光栅控制和远红外感应安全控制系统，确保了人身和设备运行安全。

4 总结

该系统水平目前处于同行业应用先进水平，其采用一台关节机器人完成三台铸造机的浇铸工作，远远高于传统的人工浇铸，以及普遍应用的桁架式自动浇铸。采用机器人作为整个控制系统的核心，能极大提高设备的可靠性、稳定性、降低员工的劳动强度、提高工作效率和产品质量，保证产品的一致性和稳定性，提高产品的成品率。项目技术应用后，使职工摆脱高温超高强度的作业现场，保证了职工的健康。同时，解放了劳动生产力，有助于解决劳动力短缺问题。自动化装备水平的提高可以增强我国铝合金活塞铸造综合能力，缩小与国际先进水平的差距，提升未来更加激烈的市场竞争力，满足用户多样化需求的主要途径。而活塞铸造技术的结构调整和技术改造，提高治理环境污染的水平，符合国家节能减排政策，并对当地的产业政策实施具有支撑和推动作用。

［1］ 章旭霞.工业机器人在铸造行业中的应用［J］.金属加工（热加工），2014（15）：18-21.

［2］ 计时鸣，黄希欢.工业机器人技术的发展与应用综述［J］.机电工程，2015，32（1）：1-13.

［3］ 潘广堂.工业机器人铝合金大活塞铸造系统设计与研究［J］.科技视界，2016（24）：94.

［4］ 江玉华.铝合金铸造行业机器人代替人工进行浇注作业的可行性研究［J］.铸造设备与工艺，2009（1）：28-30.

Application of Industrial Robot in Piston Casting Process

ZHAO Shu-guo，Dong Xu，LIU Yu-qi，WANG Ju-guo
（Shandong Shuanggang Piston CO.，LTD.，Rizhao Shandong 276800，China)

In order to meet the highly complex piston casting process，strengthen the control of the piston casting process，based on six-axis joint robot and piston gravity casting，combined with high-grade piston casting process，our company integrated industrial robots with the seventh axis，which made one joint robot complete three casting machine work，improved the product quality，ensured the consistency and stability of the products，reduced the production cost，liberated the labor force，and enhanced the market competition ability in the future.

piston casting，industrial robot，automation

TG248，TP242.2

A

1674-6694（2017）04-0001-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.04.001

2017-04-25

赵淑国（1989-），男，工程师，主要从事自动化项目研发，特别是自动化控制系统设计、开发、应用。