摘 要：为解决水冷机壳低压铸造过程中，工人劳动强度大、生产效率低以及高温作业存在安全隐患等问题，拟采用机器人完成下芯及后续的取件工作，因此需重新设计水冷机壳低压铸造生产工艺并进行时序优化。根据新的生产工艺，设计工具快换台及其他辅助装置，并对系统各组成设备进行重新布局；采用PLC作为控制核心，对系统各组成部分实现精确联动控制，实现下芯动作与取件动作之间快速、准确的切换，提高水冷机壳低压铸造的自动化水平。

水冷机壳作为电动汽车关键零部件，其生产效率、产品合格率是制约电动汽车大批量生产的主要因素。目前水冷机壳采用低压铸造工艺生产，砂芯用酚醛树脂覆膜砂技术固化形成，强度低，容易损伤且形状复杂，因此采用人工下芯，但是效率低且定位精度依赖人工经验，难以保证；铸件的取出采用人工钳夹方式，高温作业具有一定的安全隐患。为了解决这一难问题，一般采用两台机器人分别完成下芯及取件的动作，然而由于低压铸造机设备周围空间的限制、机器人成本、设备之间联动协调性等问题，使得该方法的经济效益太低，不符合要求。本课题重新设计并优化生产工艺，利用工具快换台等辅助设备，实现一台机器人完成下芯及取件的动作，替代人工操作环节，减少高温作业带来的安全隐患，提高生产节拍。采用PLC作为控制核心，设计水冷机壳低压铸造自动化控制系统，实现系统各组成部件精确联动控制，提高产品合格率。

1、工艺流程设计及系统主要组成

1.1 工艺流程设计

水冷机壳低压铸造过程中，砂芯和铸件的特征差异性大，无法采用同一个夹持器完成下芯及取件的动作且这两个动作均属于高温情况下的连续作业，具有一定的危险性；另一方面，低压铸造设备属于四立柱立式设备，模具结构复杂，设备空间有限，同时考虑到成本的问题，又不便设置两台机器人分别完成下芯及取件的动作。水冷机壳低压铸造自动化系统工艺拟采用一台机器人实现下芯和取件动作，夹持器的更换通过工具快换盘实现；为了保证下芯的准确度，设计带定位功能的锁芯传送带对砂芯进行初步定位；设计PLC集中控制系统，实现机器人、低压铸造机、锁芯传送带以及铸件传送带等部件的联动控制，提高自动化水平，当出现问题时，能够及时停止铸造过程，保证系统的安全性，并根据出现故障的部位，给出不同的报警信号，提升排除故障的效率。根据新的工艺流程进行合理布局，见图1。

图1 整体规划图

（1）夹持器及工具快换盘工作台设计  根据砂芯的形状特征，设计专用夹持器，并在夹持器与砂芯接触面包裹一层TPE材料，采用夹持芯头的方式，保证砂芯的完整性。根据铸件的形状设计铸件夹持器，采用钳夹的方式夹持铸件。砂芯的下芯及铸件的取出动作拟用一台机器人完成，因此需要设计工具快换台，快速更换夹持器，见图2，砂芯夹持器与铸件夹持器在工具快换台上通过定位销实现定位。

图2 工具快换台

（2）锁芯传送带设计  锁芯传送带用于输送形成水冷机壳内部螺旋水道所需的砂芯。通过在托盘上设置与芯头形状特征吻合的凹槽，对砂芯进行初步定位，保证机器人能够在同一位置夹取砂芯。托盘在环形轨道上循环运行，通过接近开关检查落料位置上是否放置了砂芯，见图3。

图3 锁芯传送带

2、系统时序图及效率优化

在低压铸造生产控制方案设计之前，首先要明确各设备的时序控制及配合。在生产过程中，为了保证系统的安全性，一般在机器人回到零点之后，才发出信号控制低压铸造机开始工作；当低压铸造机完成开模动作后才发出信号，机器人接收到信号后从零点位置出发，移动至指定的位置取出铸件。优化前后的时序图见图4。从图4a可知，水冷机壳低压铸造过程的生产周期T=t1+t2+t8+t9+t10+t11+t12+t7。

图4 低压铸造过程优化前后时序图

考虑到水冷机壳低压铸造过程的特殊性，合模时先让金属型芯下移，再左右合模，因此，当机器人放置好砂芯时，就可以发出信号执行模具合模操作，合模时间足够机器人离开低压铸造区域，保证系统的安全；当铸件凝固后，左右模块开模限位，就可以发信号启动机器人程序，机器人移动到夹取位置，等待金属型芯离开铸件（在金属型芯上设置感应器），再执行夹紧铸件及取出的操作；通过匹配时间，在模具涂料即将完成的时候，启动机器人程序，机器人将砂芯夹持到靠近低压铸造机的地方，等待模具涂料完成信号，再执行下芯动作。优化后的系统时序图见图4b，可知每个生产周期，能够节约时间Δt，提高了生产效率。

3、系统动作流程图设计

根据优化后的时序图，以PLC作为控制核心，合理控制水冷机壳铸造过程中各个设备的先后顺序及启动时间，保证在最优参数下进行生产，工作流程见图5。

图5 动作流程图

（1）砂芯传送带及铸件传送带  系统启动后，砂芯传送带在电机的带动下运行，当接近开关检测到上料位置安放了砂芯之后，砂芯传送带暂停；若一段时间内，接近开关一直没检测到砂芯，报警提醒在砂芯传送带上放置砂芯；系统启动后，铸件传送带一直运行，机器人取件之前，先检测机器人放置铸件位置是否有铸件，若有，则机器人暂停取件动作并报警，提醒铸件传送带上铸件已满。

（2）下芯及更换铸件夹持器 接收到信号5并且检测到上料位置有砂芯存放后，机器人从零点出发，夹持砂芯后靠近低压铸造机位置A等待，接收到信号6夹取砂芯并放置在型腔内，发出信号1，机器人离开低压铸造机区域并移动到工具快换盘工作台上，更换铸件夹持器并返回零点等待。

（3）低压铸造 低压铸造机接收到信号1后，金属型芯下移到下限位，左右模块合模，等待模具达到预设温度后充型、保压。铸件凝固后开模，当左右模块开模限位后，发信号2；当金属型芯脱离铸件后，发信号3 。

（4）取件及更换砂芯夹持器 当接收到信号2后，机器人从零点出发，在靠近低压铸造机的B位置暂停；当接收到信号3后，机器人继续移动到夹铸件位置，夹取铸件离开低压铸造机区域并发信号4；机器人将铸件运送到铸件传送带之后，继续移动到工具快换盘工作台上，更换砂芯夹持器并返回零点等待；

（5）模具清理及涂料 低压铸造机接收到信号4后，开始进行清理模具及涂料工作，即将完成时，发送信号5；涂料工作完成后，发送信号6 。

（6）下芯准备工作 机器人接收到信号5后，夹取砂芯并运行到靠近低压铸造机的B位置并等待，当接收到信号6后，开始下芯动作。

4、触摸屏控制设计

触摸屏相比传统的控制台，它能够实时修改参数，从而更好地满足系统不同阶段的要求。采用触摸屏控制，能够扩展PLC的功能，减少传统的操作按钮，避免普通操作面板接触点老化的问题。以机器人更换铸件夹持器为例，触摸屏显示界面见图6。

图6 触摸屏界面

5、结语

通过研究水冷机壳现有低压铸造生产技术，设计机器人运动轨迹完成下芯及取件操作，提高了砂芯的安装效率及准确率，避免了人工高温作业存在的安全隐患；设计工具快换台，实现了下芯及取件动作由同一台机器人完成的目标，减少了成本的投入；优化了生产过程控制方案，提高了生产节拍；采用PLC集中控制，对系统各组成部件实现精确联动控制，实现水冷机壳低压铸造的自动化，为电动汽车水冷机壳低压铸造生产效率低、产品合格率低的问题提供了一种解决方案。

作者：

刘楚生 张建强 童洲
华南理工大学广州学院机械工程学院

张矫阳
惠州市威盛工业有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志2021年第41卷第03期