工業(yè)機(jī)器人鋁合金大活塞鑄造系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

潘廣堂

【摘 要】針對(duì)目前鋁合金大活塞鑄造工藝中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)開發(fā)工業(yè)機(jī)器人鋁合金大活塞鑄造系統(tǒng)，重點(diǎn)開發(fā)了驅(qū)動(dòng)澆包單元與取件單元的第七軸伺服機(jī)構(gòu)；特別加強(qiáng)了操作人員安全防護(hù)方面的研究，采用軟硬件雙重保護(hù)；優(yōu)化澆注工藝流程，使機(jī)器人完成兩臺(tái)活塞鑄造機(jī)的澆鑄、取件、鑄淬等工作。

【關(guān)鍵詞】O型圈；非線性；密封；有限元

0 前言

近年來(lái)鋁合金鑄造產(chǎn)品市場(chǎng)需求高漲，歐、美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家轉(zhuǎn)而向發(fā)展中國(guó)家采購(gòu)鑄件。鋁合金活塞主要采用重力鑄造，傳統(tǒng)的作業(yè)模式是人工勺取鋁液澆鑄，環(huán)境溫度高，搬運(yùn)強(qiáng)度大，尤其是大鑄件（鑄件質(zhì)量大于30kg）需要兩次舀取鋁液澆注，不但工人體力難以承擔(dān)，而且鑄件品質(zhì)難以保證。鑄件容易產(chǎn)生縮松、縮孔等缺陷，成型過(guò)程中造成晶粒尺寸不均勻等缺陷，這些缺陷影響了活塞的壽命[1]。工業(yè)機(jī)器人作為集多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要自動(dòng)化裝備，以其高度的柔性化在現(xiàn)代鑄造產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用日趨廣泛。使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行澆鑄，免除了大鑄件二次澆鑄產(chǎn)生的鑄件缺陷，極大地提高了鑄件質(zhì)量，解放了工人勞動(dòng)力[2-9]。

1 系統(tǒng)概述

工業(yè)機(jī)器人鋁合金大活塞鑄造系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“鑄造系統(tǒng)”）采用ABB公司的IRB6620型鑄造機(jī)器人，末端搭載根據(jù)大活塞鑄造工藝特征自主研發(fā)的機(jī)器人第7軸附加軸式澆包單元及機(jī)械手取件單元，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)鑄造機(jī)的全自動(dòng)澆鑄、吹氧化皮、取件、鑄淬等工藝目的。

鑄造系統(tǒng)采用圖1所示布局方式，澆鑄鋁液最重為35kg設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的鋁液澆鑄及取件由鑄造機(jī)器人自動(dòng)完成。第七軸采用ABB原廠伺服馬達(dá)及驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了該第七軸的編程方式和機(jī)器人的編程在同一平臺(tái)編程。澆包及取件采用機(jī)器人附加軸第7軸伺服機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)鋁液的精確定量和定速舀取及精確取件。每臺(tái)機(jī)器人搭配2臺(tái)鑄造機(jī)相向布置方式。通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各臺(tái)鑄造機(jī)的工作工藝。本系統(tǒng)特別加強(qiáng)了操作人員安全防護(hù)方面的設(shè)計(jì)，采用軟硬件雙重保護(hù)，達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN954-1最高安全等級(jí)4級(jí)。

2 IRB6620鑄造機(jī)器人

ABB公司的IRB6620機(jī)器人融合了直線軸機(jī)器人和多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的各種優(yōu)點(diǎn)，增添了緊湊性、敏捷性等多種特色。是一款載荷150kg的6軸機(jī)器人，并具有ABB多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的高運(yùn)動(dòng)范圍和內(nèi)在柔韌性特點(diǎn)。該型機(jī)器人在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了高性能和高可靠性，能夠提高產(chǎn)量和利用率。6620的設(shè)計(jì)舍棄了平衡汽缸，使得機(jī)器人更緊湊更敏捷。內(nèi)置式服務(wù)信息系統(tǒng)（SIS）可監(jiān)控動(dòng)作、機(jī)械上料及優(yōu)化服務(wù)需求。載荷和可達(dá)距離：150kg and 2.2m。IRB 6620不僅可抓取較重、較大工件，更適合處理更大轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的工件。

3 第七軸

澆包單元與取件機(jī)械手通過(guò)快換裝置采用同一伺服馬達(dá)控制，快捷更換，節(jié)省成本，控制精確。將伺服澆包的驅(qū)動(dòng)作為機(jī)器人的附加軸來(lái)控制，第七軸與機(jī)器人其它六軸完美配合，運(yùn)動(dòng)流暢、自然，在舀取和澆注過(guò)程中都保持平穩(wěn)姿態(tài)，防止鋁液濺出。當(dāng)機(jī)器人腕部（第六軸）的機(jī)器人快換裝置與澆包單元的機(jī)器人快換裝置精確結(jié)合時(shí)，通過(guò)牙嵌式離合動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，將伺服馬達(dá)的動(dòng)力傳動(dòng)到澆包單元。第七軸澆包與鑄造機(jī)傾轉(zhuǎn)軸同步隨動(dòng)，在鑄造機(jī)傾轉(zhuǎn)軸安裝編碼器，機(jī)器人讀取編碼器信號(hào)測(cè)知回轉(zhuǎn)速度。第七軸電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器采用ABB原廠產(chǎn)品，配合ABB機(jī)器人第七軸驅(qū)動(dòng)軟件包，可以控制澆包與鑄造機(jī)澆鑄口始終處于同一相對(duì)位置，不論鑄造機(jī)以什么速度回轉(zhuǎn)，都能實(shí)現(xiàn)鋁液的完美澆鑄，提高成品率并有效防止事故發(fā)生。

4 安全系統(tǒng)

本系統(tǒng)特別加強(qiáng)了操作人員安全防護(hù)方面的設(shè)計(jì)，采用軟硬件雙重保護(hù)。安全部件均采用世界一流品牌產(chǎn)品，達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN954-1最高安全等級(jí)4級(jí)。如圖 2，操作安全門、維修安全門、安全光柵、安全門鎖、急停開關(guān)等共同構(gòu)成了安全防護(hù)系統(tǒng)。這套系統(tǒng)由2路操作安全門鎖、2路維修安全門鎖、2路安全光柵、1路急停系統(tǒng)等構(gòu)成7路安全回路，通過(guò)安全繼電器進(jìn)行相應(yīng)操作，確保操作人員在工作過(guò)程中不會(huì)受到機(jī)器傷害。在鑄造機(jī)操作面板、操作安全門操作面板、安全圍欄等處均設(shè)有緊急停止按鈕開關(guān)，可保證在問(wèn)題狀態(tài)時(shí)隨時(shí)停止機(jī)器工作。

5 工作流程

機(jī)器人處于帶澆勺預(yù)熱狀態(tài)，當(dāng)某臺(tái)鑄造機(jī)A合模后，機(jī)器人收到信號(hào)，下移，伺服澆包避開液面表層的氧化層在其下面按設(shè)定舀取定量鋁液，然后移動(dòng)至鑄造機(jī)A待澆位置，等待確認(rèn)澆鑄信號(hào)，當(dāng)操作工人鑲環(huán)完畢并退到安全區(qū)域，確認(rèn)后給出鑄造機(jī)A允許澆鑄的信號(hào)，機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)澆鑄（可按工藝設(shè)定澆鑄角度及速度，可實(shí)現(xiàn)在線修改）。鑄造機(jī)A澆鑄完成后，將澆包進(jìn)行吹氧化皮處理。機(jī)器人進(jìn)入下一步工序。若此時(shí)鑄造機(jī)B開模，則機(jī)器人將澆包放回保溫處并更換取件機(jī)械手，迅速將其鑄件取出送至淬水箱（如果配備鑄件輸送機(jī)，則機(jī)器人在取出剛剛鑄就的工件前，先將淬水箱中的鑄件取出置于鑄件輸送機(jī)上）；若鑄造機(jī)B合模，則機(jī)器人返回帶澆勺預(yù)熱狀態(tài)，為鑄造機(jī)B的澆鑄工作做準(zhǔn)備；若鑄造機(jī)B既不開模也不合模，則機(jī)器人待機(jī)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了工業(yè)機(jī)器人鋁合金大活塞鑄造系統(tǒng)。該鑄造系統(tǒng)采用第七軸伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成活塞的澆鑄與取件作業(yè)。鑄造系統(tǒng)采用軟硬件雙重保護(hù)，特別加強(qiáng)了操作人員安全防護(hù)工作。該鑄造系統(tǒng)還著重優(yōu)化活塞鑄造生產(chǎn)工藝流程，使機(jī)器人完成兩臺(tái)活塞鑄造機(jī)的澆鑄、取件、鑄淬、去皮、澆包預(yù)熱等工作。

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