摘 要：為解決水冷機殼低壓鑄造過程中，工人勞動強度大、生產效率低以及高溫作業存在安全隱患等問題，擬采用機器人完成下芯及后續的取件工作，因此需重新設計水冷機殼低壓鑄造生產工藝并進行時序優化。根據新的生產工藝，設計工具快換臺及其他輔助裝置，并對系統各組成設備進行重新布局；采用PLC作為控制核心，對系統各組成部分實現精確聯動控制，實現下芯動作與取件動作之間快速、準確的切換，提高水冷機殼低壓鑄造的自動化水平。

水冷機殼作為電動汽車關鍵零部件，其生產效率、產品合格率是制約電動汽車大批量生產的主要因素。目前水冷機殼采用低壓鑄造工藝生產，砂芯用酚醛樹脂覆膜砂技術固化形成，強度低，容易損傷且形狀復雜，因此采用人工下芯，但是效率低且定位精度依賴人工經驗，難以保證；鑄件的取出采用人工鉗夾方式，高溫作業具有一定的安全隱患。為了解決這一難問題，一般采用兩臺機器人分別完成下芯及取件的動作，然而由于低壓鑄造機設備周圍空間的限制、機器人成本、設備之間聯動協調性等問題，使得該方法的經濟效益太低，不符合要求。本課題重新設計并優化生產工藝，利用工具快換臺等輔助設備，實現一臺機器人完成下芯及取件的動作，替代人工操作環節，減少高溫作業帶來的安全隱患，提高生產節拍。采用PLC作為控制核心，設計水冷機殼低壓鑄造自動化控制系統，實現系統各組成部件精確聯動控制，提高產品合格率。

1、工藝流程設計及系統主要組成

1.1 工藝流程設計

水冷機殼低壓鑄造過程中，砂芯和鑄件的特征差異性大，無法采用同一個夾持器完成下芯及取件的動作且這兩個動作均屬于高溫情況下的連續作業，具有一定的危險性；另一方面，低壓鑄造設備屬于四立柱立式設備，模具結構復雜，設備空間有限，同時考慮到成本的問題，又不便設置兩臺機器人分別完成下芯及取件的動作。水冷機殼低壓鑄造自動化系統工藝擬采用一臺機器人實現下芯和取件動作，夾持器的更換通過工具快換盤實現；為了保證下芯的準確度，設計帶定位功能的鎖芯傳送帶對砂芯進行初步定位；設計PLC集中控制系統，實現機器人、低壓鑄造機、鎖芯傳送帶以及鑄件傳送帶等部件的聯動控制，提高自動化水平，當出現問題時，能夠及時停止鑄造過程，保證系統的安全性，并根據出現故障的部位，給出不同的報警信號，提升排除故障的效率。根據新的工藝流程進行合理布局，見圖1。

圖1 整體規劃圖

（1）夾持器及工具快換盤工作臺設計  根據砂芯的形狀特征，設計專用夾持器，并在夾持器與砂芯接觸面包裹一層TPE材料，采用夾持芯頭的方式，保證砂芯的完整性。根據鑄件的形狀設計鑄件夾持器，采用鉗夾的方式夾持鑄件。砂芯的下芯及鑄件的取出動作擬用一臺機器人完成，因此需要設計工具快換臺，快速更換夾持器，見圖2，砂芯夾持器與鑄件夾持器在工具快換臺上通過定位銷實現定位。

圖2 工具快換臺

（2）鎖芯傳送帶設計  鎖芯傳送帶用于輸送形成水冷機殼內部螺旋水道所需的砂芯。通過在托盤上設置與芯頭形狀特征吻合的凹槽，對砂芯進行初步定位，保證機器人能夠在同一位置夾取砂芯。托盤在環形軌道上循環運行，通過接近開關檢查落料位置上是否放置了砂芯，見圖3。

圖3 鎖芯傳送帶

2、系統時序圖及效率優化

在低壓鑄造生產控制方案設計之前，首先要明確各設備的時序控制及配合。在生產過程中，為了保證系統的安全性，一般在機器人回到零點之后，才發出信號控制低壓鑄造機開始工作；當低壓鑄造機完成開模動作后才發出信號，機器人接收到信號后從零點位置出發，移動至指定的位置取出鑄件。優化前后的時序圖見圖4。從圖4a可知，水冷機殼低壓鑄造過程的生產周期T=t1+t2+t8+t9+t10+t11+t12+t7。

圖4 低壓鑄造過程優化前后時序圖

考慮到水冷機殼低壓鑄造過程的特殊性，合模時先讓金屬型芯下移，再左右合模，因此，當機器人放置好砂芯時，就可以發出信號執行模具合模操作，合模時間足夠機器人離開低壓鑄造區域，保證系統的安全；當鑄件凝固后，左右模塊開模限位，就可以發信號啟動機器人程序，機器人移動到夾取位置，等待金屬型芯離開鑄件（在金屬型芯上設置感應器），再執行夾緊鑄件及取出的操作；通過匹配時間，在模具涂料即將完成的時候，啟動機器人程序，機器人將砂芯夾持到靠近低壓鑄造機的地方，等待模具涂料完成信號，再執行下芯動作。優化后的系統時序圖見圖4b，可知每個生產周期，能夠節約時間Δt，提高了生產效率。

3、系統動作流程圖設計

根據優化后的時序圖，以PLC作為控制核心，合理控制水冷機殼鑄造過程中各個設備的先后順序及啟動時間，保證在最優參數下進行生產，工作流程見圖5。

圖5 動作流程圖

（1）砂芯傳送帶及鑄件傳送帶  系統啟動后，砂芯傳送帶在電機的帶動下運行，當接近開關檢測到上料位置安放了砂芯之后，砂芯傳送帶暫停；若一段時間內，接近開關一直沒檢測到砂芯，報警提醒在砂芯傳送帶上放置砂芯；系統啟動后，鑄件傳送帶一直運行，機器人取件之前，先檢測機器人放置鑄件位置是否有鑄件，若有，則機器人暫停取件動作并報警，提醒鑄件傳送帶上鑄件已滿。

（2）下芯及更換鑄件夾持器 接收到信號5并且檢測到上料位置有砂芯存放后，機器人從零點出發，夾持砂芯后靠近低壓鑄造機位置A等待，接收到信號6夾取砂芯并放置在型腔內，發出信號1，機器人離開低壓鑄造機區域并移動到工具快換盤工作臺上，更換鑄件夾持器并返回零點等待。

（3）低壓鑄造 低壓鑄造機接收到信號1后，金屬型芯下移到下限位，左右模塊合模，等待模具達到預設溫度后充型、保壓。鑄件凝固后開模，當左右模塊開模限位后，發信號2；當金屬型芯脫離鑄件后，發信號3 。

（4）取件及更換砂芯夾持器 當接收到信號2后，機器人從零點出發，在靠近低壓鑄造機的B位置暫停；當接收到信號3后，機器人繼續移動到夾鑄件位置，夾取鑄件離開低壓鑄造機區域并發信號4；機器人將鑄件運送到鑄件傳送帶之后，繼續移動到工具快換盤工作臺上，更換砂芯夾持器并返回零點等待；

（5）模具清理及涂料 低壓鑄造機接收到信號4后，開始進行清理模具及涂料工作，即將完成時，發送信號5；涂料工作完成后，發送信號6 。

（6）下芯準備工作 機器人接收到信號5后，夾取砂芯并運行到靠近低壓鑄造機的B位置并等待，當接收到信號6后，開始下芯動作。

4、觸摸屏控制設計

觸摸屏相比傳統的控制臺，它能夠實時修改參數，從而更好地滿足系統不同階段的要求。采用觸摸屏控制，能夠擴展PLC的功能，減少傳統的操作按鈕，避免普通操作面板接觸點老化的問題。以機器人更換鑄件夾持器為例，觸摸屏顯示界面見圖6。

圖6 觸摸屏界面

5、結語

通過研究水冷機殼現有低壓鑄造生產技術，設計機器人運動軌跡完成下芯及取件操作，提高了砂芯的安裝效率及準確率，避免了人工高溫作業存在的安全隱患；設計工具快換臺，實現了下芯及取件動作由同一臺機器人完成的目標，減少了成本的投入；優化了生產過程控制方案，提高了生產節拍；采用PLC集中控制，對系統各組成部件實現精確聯動控制，實現水冷機殼低壓鑄造的自動化，為電動汽車水冷機殼低壓鑄造生產效率低、產品合格率低的問題提供了一種解決方案。

作者：

劉楚生 張建強 童洲
華南理工大學廣州學院機械工程學院

張矯陽
惠州市威盛工業有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第03期