一、前言

      我國的鑄件年產(chǎn)量現(xiàn)己位居世界第一。但是我國所生產(chǎn)的鑄件總體上講在質(zhì)量上與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還存在相當(dāng)?shù)牟罹唷Ｆ渲饕蛑痪褪俏覈T造行業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化水平低，所采用的技術(shù)裝備落后。與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國鑄造裝備制造行業(yè)也存在巨大差距。其突出的弱點(diǎn)是研發(fā)能力差，缺乏創(chuàng)新性，迄今仍基本上靠測繪樣機(jī)或憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比設(shè)計(jì)。這種狀態(tài)對我國鑄造行業(yè)的技術(shù)改造和技術(shù)進(jìn)步，逐步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化己經(jīng)產(chǎn)生相當(dāng)大的制約作用。我們需要加緊工作，努力改變這種落后狀況。

     本文僅從造型設(shè)備，砂處理設(shè)備，澆注設(shè)備，機(jī)器人應(yīng)用等方面來簡述鑄造設(shè)備的某些發(fā)展趨勢。

二、造型設(shè)備

      垂直分型無箱射壓造型機(jī)的設(shè)計(jì)構(gòu)思是上世紀(jì)五十年代由時(shí)任丹麥科技大學(xué)教授的V.A.Jeppesen提出的。他在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，特別是對濕型粘土砂的射砂過程進(jìn)行了深入的研究。隨后他研制成一臺樣機(jī)，并于1957年利用這臺樣機(jī)在丹麥的兩家鑄造廠中進(jìn)行生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)。1959年 Jeppesen教授獲得了垂直分型無箱射壓造型機(jī)的專利。

     1961年丹麥工業(yè)辛迪加（即DISA）購買了上述專利，并由6名工程師組成的技術(shù)團(tuán)隊(duì)在其基礎(chǔ)上開發(fā)了第一臺生產(chǎn)用的造型機(jī)。后者于1962年夏展出于德國杜塞爾多夫的世界鑄造博覽會（即GIFA）上。1964年初首臺生產(chǎn)率為240型/小時(shí)的垂直分型無箱射壓造型機(jī)（即DISAMATIC）發(fā)送到用戶丹麥一鑄鐵廠并投產(chǎn)。目前，世界各國共約有超過1000家鑄造廠采用這種造型方法生產(chǎn)鑄件。

      近年來國外有的鑄造設(shè)備制造廠推出了經(jīng)過改進(jìn)的側(cè)吹水平分型無箱吹壓造型機(jī)。這種造型機(jī)在造型時(shí)，即吹砂及高壓壓實(shí)時(shí)，是將型板及造型室旋轉(zhuǎn)90°使其處于垂直狀態(tài)下進(jìn)行的。然后使它們轉(zhuǎn)回到水平位置，進(jìn)行起模、下芯、合箱、頂出造型室等等。

     日本新東工業(yè)珠式會社所生產(chǎn)的水平分型無箱射壓造型機(jī)采用0.1MPa的低射砂壓力，同時(shí)開發(fā)了“壓力控制”方法來控制造型室的排氣，這樣使型砂能充填到模樣上的小吊砂內(nèi)（圖1）。所謂“壓力控制”就是在射砂開始階段將造型室側(cè)壁上的排氣塞堵死，使空氣/砂流流向模樣上的小吊砂（其底部有排氣塞）內(nèi)。隨后再開啟造型室側(cè)壁上的排氣塞，使型砂能將整個(gè)造型室充填滿。

     該公司在上世紀(jì)80年代推出氣流－高壓壓實(shí)造型機(jī)即“靜壓造型機(jī)”的基礎(chǔ)上，于上世紀(jì)末又開發(fā)出低壓射砂——雙面壓實(shí)造型（即ACE造型機(jī)）如圖2所示。

三、型砂處理設(shè)備

      對濕型粘土砂的控制包含以下兩方面的內(nèi)容：

（1）獲得優(yōu)化的型砂性能；（2）維持優(yōu)化的性能。為實(shí)現(xiàn)前者，要選擇各種有效的型砂測試儀器，以便對型砂性能進(jìn)行經(jīng)常和有效的監(jiān)控。為實(shí)現(xiàn)后者，要采用預(yù)防性控制方來保持型砂系統(tǒng)的總量平衡。

     由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得在鑄造廠中實(shí)施預(yù)防性型砂質(zhì)量控制方法得到推廣應(yīng)用。

      圖3a為清華大學(xué)所開發(fā)的一套砂處理質(zhì)量管理系統(tǒng)的硬件組成示意圖，砂處理質(zhì)量管理系統(tǒng)的核心是其軟(圖3b)。其中的物料補(bǔ)加模塊就是按照預(yù)防性控制方法，綜合考慮鐵砂比、型砂中物料燒損、舊芯砂混入、除塵等影響因素，所建立的各種物料的補(bǔ)加量。后者可根據(jù)實(shí)時(shí)性能檢測結(jié)果即有關(guān)的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的修正。

      圖4所示為德國Eirich公司為砂處理工部提供的成套設(shè)備示意圖。它包括混砂機(jī)和定量裝置，還有型砂性能在線控制裝置和有關(guān)的型砂質(zhì)量控制軟件。

四、自動(dòng)澆注設(shè)備

     鑄型的澆鑄是鑄造生產(chǎn)中勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差，同時(shí)對鑄件質(zhì)量具有重大影響。澆現(xiàn)代化的自動(dòng)澆注機(jī)的控制主要有下述兩大類。

1.采用視頻攝像技術(shù)的控制系統(tǒng)

澆注工澆注一個(gè)鑄型時(shí)，他的眼睛看著澆口杯而他的手開始傾轉(zhuǎn)澆包。他觀察著鐵水澆到澆口杯的同時(shí)在頭腦中不停地考慮著鐵水澆注速率和澆口杯中的液面高度。當(dāng)液面到達(dá)要求的高度時(shí)他即停止?jié)沧ⅰ沧⒐さ氖帧⒀劬痛竽X一起構(gòu)成了一個(gè)基本的閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。在生產(chǎn)率低的鑄造廠中人工澆注可以解決問題。但是在現(xiàn)代化的生產(chǎn)率很高的情況下這種傳統(tǒng)的工人澆注法就無法適從了。

      視頻攝像控制就是設(shè)計(jì)來再現(xiàn)澆注工的眼手協(xié)調(diào)的一種系統(tǒng)。澆注工的眼睛為一攝像機(jī)所取代，他的思考過程為一臺計(jì)算機(jī)及一套復(fù)雜的軟件包所取代，而他的手則為一伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所取代。視頻攝像控制提供了一個(gè)可滿足每小時(shí)澆注超過500鑄型的閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

2.采用激光技術(shù)的控制系統(tǒng)

a.點(diǎn)激光控制技術(shù)

點(diǎn)激光控制技術(shù)利用目前在航天、軍工中廣泛運(yùn)用的激光測距技術(shù)，采用光學(xué)三角測量法，能夠精確地測量距離。點(diǎn)激光控制技術(shù)的核心是點(diǎn)激光裝置（圖5），它是由以下幾個(gè)主要部分組成：

（1）光電非接觸式探測器——它被封裝在一水冷套中并進(jìn)一步為一空氣清掃系統(tǒng)所保護(hù)。

（2）激光澆注控制器——它包括硬件和軟件系統(tǒng)。

（3）塞桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)——它有一套高性能的伺服電動(dòng)機(jī)。

（4）操作臺——操作者可進(jìn)行編程及選擇理想的澆注曲線和其它澆注參數(shù)。

      激光探測器是一種利用激光及簡單幾何原理的非接觸式探測器，它由下述幾部分構(gòu)成：

（1）光源——它具有一激光二極管及一套將激光束聚焦到所測量的液體金屬表面上。

（2）照相機(jī)——它從被測量的表面上聚焦一小部分散射的激光（如同一個(gè)圖像被聚焦到人眼眼底的視網(wǎng)膜上那樣）。

（3）集成的探測器微電子處理器。

光電探測器在探測器上提供一給出圖像位置的信號。信號處理電子線路將此信號轉(zhuǎn)換為至被測表面的距離。到被測表面距離的任何變化，例如液面的波動(dòng)，都將導(dǎo)致被聚焦在探測器上的光點(diǎn)位置的變化。

這一測量原理稱為應(yīng)用激光的光三角形（圖6）被證明能很好地適用于液體金屬液面位置的監(jiān)控。一切來自液體金屬的外界的光源——可視光或紅外光——皆被從光學(xué)上或電子學(xué)上過濾掉，而不會影響測量。

因?yàn)榧す夥瓷涞膹?qiáng)度在射線平面和特定的砂型表面之間的夾角上急劇下降，在安裝點(diǎn)激光裝置時(shí)它與垂直線之間的夾角不能大于30°。為此通常要在澆口杯上做一個(gè)尾槽以便激光束射到鐵水表面。

b.線激光控制技術(shù)

線激光控制技術(shù)也就是三維激光技術(shù)。

線激光系統(tǒng)由一線激光發(fā)生器和一線激光接受器構(gòu)成。當(dāng)砂型上的澆口杯直接位于澆注包出鐵口下方時(shí)，安裝在澆注包一側(cè)的線激光發(fā)生器（圖7）發(fā)射出一條橫切澆口杯的激光線（圖8）。安裝在澆注包另一側(cè)的激光接受器也對準(zhǔn)著澆口杯。應(yīng)用三角測量法可確定澆口杯中鐵水液面位置。它利用一條激光線直接測量砂型表面和澆口杯中鐵水液面的位置，而兩者的差值就是鐵水液面高度。

線激光控制技術(shù)由于產(chǎn)生一具有較大探測面積的信號因而為建立響應(yīng)提供了更多的信息。其控制的基礎(chǔ)是測量線上的象素?cái)?shù)，后者是隨長度變化而變化的。這種技術(shù)除了具備點(diǎn)激光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)外，又不需要前面所述的尾槽，可以適用于較小的澆口杯情況下，因而節(jié)約了鐵水。由于它不受鐵水散流的影響，因而更加可靠。

五、機(jī)器人在鑄造廠中的應(yīng)用

     直到目前為止，鑄造廠中仍然有許多繁重的工作由人力來完成。鑄造廠中的勞動(dòng)環(huán)境和繁重的體力勞動(dòng)早已將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)提到了議事日程上。而采用機(jī)器人則是一個(gè)重要的解決途徑。

1.在制芯過程中的應(yīng)用

對于一些復(fù)雜的鑄件如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體來說，其砂芯被裝配到一起時(shí)就會變得非常沉重，可達(dá)50kg以上。而且由于各種化學(xué)粘結(jié)劑、脫模劑的使用，會產(chǎn)生大量的灰塵以及有刺激性的氣體．從而使裝配工作的條件變得非常令人難以忍受。如果每天用手工來搬運(yùn)大量的如此沉重的零件，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度將會很高。但機(jī)器人可以在有灰塵及有刺激性氣體的條件下得到很好的保護(hù)，只需加上防護(hù)罩即可。它可以不知疲倦地工作．同時(shí)還能保證很高時(shí)精確度。

（一）下面以德國Eisenwerk Bruehl鑄造廠為例，介紹機(jī)器人在鑄造廠中應(yīng)用的一些實(shí)例。

德國布留爾鑄造廠（Einsenwerk Bruehl）是目前世界上最大的專業(yè)化鑄造廠之一，年產(chǎn)灰鑄件200000噸，主要生產(chǎn)各種不同類型的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。在該廠的制芯車間內(nèi)，有許多獨(dú)立的制芯生產(chǎn)單元，它們的生產(chǎn)任務(wù)也各不相同。

圖 9為一個(gè)制芯生產(chǎn)單元，它的主要任務(wù)是生產(chǎn)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的組合芯子。該單元的主要設(shè)備包括一臺射芯機(jī)、一大一小兩個(gè)機(jī)器人和兩個(gè)中轉(zhuǎn)工作臺。大的機(jī)器人的夾具是一氣動(dòng)夾具，小的機(jī)器人的夾具是一自動(dòng)射釘機(jī)。該單元一次可以生產(chǎn)一組芯子，其中包括兩個(gè)水套心和兩個(gè)機(jī)座芯，并由機(jī)器人把它們裝配成為完整的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體組合芯。砂芯是由一臺采用冷芯盒工藝方法生產(chǎn)的射芯機(jī)來制造的，射芯機(jī)的生產(chǎn)率為每40秒一組。

     首先，射芯機(jī)將射好的一組芯子自動(dòng)送出機(jī)器，然后由大的機(jī)器人將整個(gè)一組芯子從射芯機(jī)中取出，并用塑料做的刷子將砂芯上的毛刺刷于凈，隨后，大機(jī)器人在一個(gè)中轉(zhuǎn)工作臺上將這一組芯子裝配到一起，但并沒有將其固定在一起。然后該機(jī)器人即離開這組芯子。這時(shí)，裝備有自動(dòng)射釘機(jī)的小機(jī)器人就會用螺釘將芯子固定在一起。在小機(jī)器人固定芯子的時(shí)候，大機(jī)器人移動(dòng)到另一個(gè)中轉(zhuǎn)工作臺，將已經(jīng)裝配并固定在一起的另一組芯子帶走，然后將這組芯子浸入到一個(gè)涂料池內(nèi)，使芯子能夠均均勻地沾滿涂料。最后將上好涂料的芯子放在傳送帶上，轉(zhuǎn)入下一生產(chǎn)單元。

     這個(gè)機(jī)器人生產(chǎn)單元可以完成清除毛刺裝配、上涂料和堆放芯子的任務(wù)，并且有很高的生產(chǎn)率。一小時(shí)之內(nèi)可以生產(chǎn)180套發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的芯子，每天工作16小時(shí)的產(chǎn)量為3880套，一年按250天計(jì)算，則年產(chǎn)量為720000套。另外，這個(gè)生產(chǎn)單元同時(shí)具有柔性化的生產(chǎn)特征。如果需要更換芯子種類時(shí)，只需更換芯盒和機(jī)器人的夾具即可。這些工作可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成，從而保證了生產(chǎn)的持續(xù)性和高效率。同時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)水套芯的壁厚非常小，砂芯剛從射芯機(jī)中取出時(shí)，強(qiáng)度并不是很高，如果用人工或其它方法搬運(yùn)時(shí)，很容易造成破損，但采用機(jī)器人來處理時(shí)，機(jī)器人可以保證搬運(yùn)過程的穩(wěn)定性，從而大大降低由于搬運(yùn)而產(chǎn)生的廢品率。

圖10a所示為美國印第安納波利斯鑄造公司為生產(chǎn)柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)V8汽缸體，于2001年建成的機(jī)器人制芯系統(tǒng)。該系統(tǒng)由3臺自動(dòng)化冷芯盒制芯機(jī)、11臺機(jī)器人及一條傳送帶所組成，每天生產(chǎn)1500套單重約205kg的砂芯組合（圖10b）。

中國萬豐科技公司在工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)組芯研發(fā)上已成功與多家客戶展開合作，經(jīng)驗(yàn)豐富，產(chǎn)品成熟，在工業(yè)機(jī)器人重卡缸體缸蓋組芯上得到客戶好評。

（二）位于德國西南部Dillingen的Alucast 鑄造廠采用由冷芯盒砂芯組成的“精確砂型”生產(chǎn)轎車鋁合金缸體和缸蓋，年生產(chǎn)能力為2000000件。該廠有數(shù)條“精確砂型”生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線由順序排列著的8臺射芯機(jī)及數(shù)臺機(jī)器所組成（圖11）。其砂芯的組裝是利用芯盒的定位裝置來進(jìn)行（圖12），因此是十分精確的；而且砂芯組裝是靠芯頭的構(gòu)造和尺寸配合來實(shí)現(xiàn)，并不需要進(jìn)行粘合或用螺栓連接。

2.在澆注過程中的應(yīng)用

采用機(jī)器人來進(jìn)行鑄型的澆注對于提高鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件來講是一條可行的途徑。目前它已經(jīng)成功地應(yīng)用于鋁合金及銅合金小鑄件的金屬型鑄造中。

英國VAW West Yorkshire鑄造廠中生產(chǎn)鋁合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋。圖13為該廠的一臺6工位金屬型轉(zhuǎn)盤鑄造機(jī)上一臺機(jī)器人從保溫爐中將澆包裝滿液體金屬后將其澆注到鑄型中。目前，中國萬豐科技公司開發(fā)研制的工業(yè)機(jī)器人澆注單元已大量應(yīng)用于汽車、摩托車零部件鑄造生產(chǎn)，在大幅減少用工的同時(shí)，生產(chǎn)效率成倍提升。圖14為另一種用于澆注鋁合金的機(jī)器人。其澆注軸最大可支承100kg的液體金屬。它由一臺工業(yè)機(jī)器人、一套伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及一臺工業(yè)PC所組成。

3.在清理過程中的作用

近年來在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的鑄造廠中機(jī)器人在清理工部中的應(yīng)用正在增加，機(jī)器人正在逐步取代鑄件清理過程（諸如去除澆冒口、去除毛邊飛刺、打磨）中的人工勞動(dòng)。

（一）自動(dòng)化清整單元

1.由機(jī)器人夾持工具

圖15所示為一機(jī)器人進(jìn)行鑄件清整過程的工作地布置。鑄件的裝卸可由人工進(jìn)行而其運(yùn)輸則由一裝有兩套夾具的轉(zhuǎn)盤來進(jìn)行。機(jī)器人自動(dòng)地從工具架上更換所需的清整用工具。

這種方案適合于大中型鑄件清整。其優(yōu)點(diǎn)是：

（1）可以從工具庫中選擇所需的工具

（2）有可能磨削鑄件的內(nèi)部表面

其主要限制是：

（1）如果被磨削的鑄件表面質(zhì)量直接取決于工具的堅(jiān)硬程度，機(jī)器人的肘部是不允許使用堅(jiān)硬工具的。

（2）機(jī)器人的標(biāo)定工作速率是磨削機(jī)的一半

（3）機(jī)器人的程序主要是在線編制而需停止生產(chǎn)

（4）鑄件最大尺寸受到機(jī)器人工作范圍的限制

2.由機(jī)器人夾持鑄件

圖16是機(jī)器人的末端執(zhí)行器（手）夾持被清整的鑄件。通常是機(jī)器人從傳送裝置上抓取鑄件送到工具處進(jìn)行磨削。在該裝置的周圍有一或數(shù)臺工具。

這種方案適合于中小型鑄件（≤200kg）的清整。其優(yōu)點(diǎn)是：

（1）可以跟隨很復(fù)雜的幾何形狀

（2）在磨削后可將鑄件直接放到發(fā)貨架上

其主要限制是：

（1）由于機(jī)器人腕部的震動(dòng)只能提供低的速率和力量

（2）對于每種鑄件要有相應(yīng)的手抓

（3）對于每種新的鑄件各需要待機(jī)來編程

（4）鑄件重量的增加將使機(jī)器人的工作精度降低

（二）圖17為日本豐田汽車公司用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管鑄件清理的生產(chǎn)線。在該線上可對4種不同類型的進(jìn)氣管進(jìn)行排出芯砂、去除澆冒口、去除毛刺等工序。由圖可見，該線裝有兩臺機(jī)器人，一臺用于運(yùn)輸、一臺用于去除毛刺。

國內(nèi)由萬豐科技研制的工業(yè)機(jī)器人高壓鑄件清理單元，由二臺工業(yè)機(jī)器人以及相關(guān)的清理專用設(shè)備構(gòu)成，布局合理，工藝成熟，清理效率好，操作簡便，已在多家客戶得到批量應(yīng)用。

六、結(jié)束語

1.我國鑄造行業(yè)技術(shù)改造的任務(wù)是緊迫而繁重的，這就為我國鑄造機(jī)械行業(yè)帶來了很大的機(jī)遇。同時(shí)，我國鑄造機(jī)械行業(yè)已經(jīng)并還將遇到國外廠商的挑戰(zhàn)，所面臨的形勢十分嚴(yán)峻。

2.我國鑄造機(jī)械行業(yè)首先應(yīng)努力提高研發(fā)能力，根據(jù)國內(nèi)市場的需求，開發(fā)先進(jìn)的、適用的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的各類鑄造設(shè)備。必須大力提高我國鑄造機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量，發(fā)展其品種，加強(qiáng)配套能力。

3.在研究、開發(fā)工作中，鑄造設(shè)備制造廠要充分利用我國大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在科技上的優(yōu)勢，加強(qiáng)合作，取長補(bǔ)短，協(xié)同作戰(zhàn)。這是縮短將研究成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的重要途徑。

4.鑄造設(shè)備首先是為實(shí)現(xiàn)某工藝過程服務(wù)的。鑄造設(shè)備制造廠應(yīng)對其所生產(chǎn)設(shè)備的工藝性有深入的了解，并且能為其用戶提供這方面的服務(wù)（包括銷售前的技術(shù)座談、銷售后的技術(shù)服務(wù)等）。

5.現(xiàn)代化的鑄造設(shè)備無一不是機(jī)電一體化產(chǎn)品，信息技術(shù)已越來越多地得到應(yīng)用。因此，我們要充分發(fā)揮我國的人才優(yōu)勢，抓緊將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用到鑄造設(shè)備和系統(tǒng)中去，提高其技術(shù)含量。