一、前言

      我國的鑄件年產量現己位居世界第一。但是我國所生產的鑄件總體上講在質量上與工業發達國家相比還存在相當的差距。其主要原因之一就是我國鑄造行業的機械化、自動化、信息化水平低，所采用的技術裝備落后。與工業發達國家相比，我國鑄造裝備制造行業也存在巨大差距。其突出的弱點是研發能力差，缺乏創新性，迄今仍基本上靠測繪樣機或憑經驗進行類比設計。這種狀態對我國鑄造行業的技術改造和技術進步，逐步實現現代化己經產生相當大的制約作用。我們需要加緊工作，努力改變這種落后狀況。

     本文僅從造型設備，砂處理設備，澆注設備，機器人應用等方面來簡述鑄造設備的某些發展趨勢。

二、造型設備

      垂直分型無箱射壓造型機的設計構思是上世紀五十年代由時任丹麥科技大學教授的V.A.Jeppesen提出的。他在實驗室內進行了大量的試驗研究，特別是對濕型粘土砂的射砂過程進行了深入的研究。隨后他研制成一臺樣機，并于1957年利用這臺樣機在丹麥的兩家鑄造廠中進行生產性實驗。1959年 Jeppesen教授獲得了垂直分型無箱射壓造型機的專利。

     1961年丹麥工業辛迪加（即DISA）購買了上述專利，并由6名工程師組成的技術團隊在其基礎上開發了第一臺生產用的造型機。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年初首臺生產率為240型/小時的垂直分型無箱射壓造型機（即DISAMATIC）發送到用戶丹麥一鑄鐵廠并投產。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鑄件。

      近年來國外有的鑄造設備制造廠推出了經過改進的側吹水平分型無箱吹壓造型機。這種造型機在造型時，即吹砂及高壓壓實時，是將型板及造型室旋轉90°使其處于垂直狀態下進行的。然后使它們轉回到水平位置，進行起模、下芯、合箱、頂出造型室等等。

     日本新東工業珠式會社所生產的水平分型無箱射壓造型機采用0.1MPa的低射砂壓力，同時開發了“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（圖1）。所謂“壓力控制”就是在射砂開始階段將造型室側壁上的排氣塞堵死，使空氣/砂流流向模樣上的小吊砂（其底部有排氣塞）內。隨后再開啟造型室側壁上的排氣塞，使型砂能將整個造型室充填滿。

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

三、型砂處理設備

      對濕型粘土砂的控制包含以下兩方面的內容：

（1）獲得優化的型砂性能；（2）維持優化的性能。為實現前者，要選擇各種有效的型砂測試儀器，以便對型砂性能進行經常和有效的監控。為實現后者，要采用預防性控制方來保持型砂系統的總量平衡。

     由于計算機技術的迅速發展，使得在鑄造廠中實施預防性型砂質量控制方法得到推廣應用。

      圖3a為清華大學所開發的一套砂處理質量管理系統的硬件組成示意圖，砂處理質量管理系統的核心是其軟(圖3b)。其中的物料補加模塊就是按照預防性控制方法，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加量。后者可根據實時性能檢測結果即有關的生產統計數據進行及時的修正。

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

四、自動澆注設備

     鑄型的澆鑄是鑄造生產中勞動強度大、工作環境差，同時對鑄件質量具有重大影響。澆現代化的自動澆注機的控制主要有下述兩大類。

1.采用視頻攝像技術的控制系統

澆注工澆注一個鑄型時，他的眼睛看著澆口杯而他的手開始傾轉澆包。他觀察著鐵水澆到澆口杯的同時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。當液面到達要求的高度時他即停止澆注。澆注工的手、眼睛和大腦一起構成了一個基本的閉環自適應控制系統。在生產率低的鑄造廠中人工澆注可以解決問題。但是在現代化的生產率很高的情況下這種傳統的工人澆注法就無法適從了。

      視頻攝像控制就是設計來再現澆注工的眼手協調的一種系統。澆注工的眼睛為一攝像機所取代，他的思考過程為一臺計算機及一套復雜的軟件包所取代，而他的手則為一伺服驅動機構所取代。視頻攝像控制提供了一個可滿足每小時澆注超過500鑄型的閉環自適應控制系統。

2.采用激光技術的控制系統

a.點激光控制技術

點激光控制技術利用目前在航天、軍工中廣泛運用的激光測距技術，采用光學三角測量法，能夠精確地測量距離。點激光控制技術的核心是點激光裝置（圖5），它是由以下幾個主要部分組成：

（1）光電非接觸式探測器——它被封裝在一水冷套中并進一步為一空氣清掃系統所保護。

（2）激光澆注控制器——它包括硬件和軟件系統。

（3）塞桿執行機構——它有一套高性能的伺服電動機。

（4）操作臺——操作者可進行編程及選擇理想的澆注曲線和其它澆注參數。

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

（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，都將導致被聚焦在探測器上的光點位置的變化。

這一測量原理稱為應用激光的光三角形（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——皆被從光學上或電子學上過濾掉，而不會影響測量。

因為激光反射的強度在射線平面和特定的砂型表面之間的夾角上急劇下降，在安裝點激光裝置時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尾槽以便激光束射到鐵水表面。

b.線激光控制技術

線激光控制技術也就是三維激光技術。

線激光系統由一線激光發生器和一線激光接受器構成。當砂型上的澆口杯直接位于澆注包出鐵口下方時，安裝在澆注包一側的線激光發生器（圖7）發射出一條橫切澆口杯的激光線（圖8）。安裝在澆注包另一側的激光接受器也對準著澆口杯。應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。

線激光控制技術由于產生一具有較大探測面積的信號因而為建立響應提供了更多的信息。其控制的基礎是測量線上的象素數，后者是隨長度變化而變化的。這種技術除了具備點激光技術的優點外，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，因而節約了鐵水。由于它不受鐵水散流的影響，因而更加可靠。

五、機器人在鑄造廠中的應用

     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。鑄造廠中的勞動環境和繁重的體力勞動早已將實現自動化生產提到了議事日程上。而采用機器人則是一個重要的解決途徑。

1.在制芯過程中的應用

對于一些復雜的鑄件如汽車發動機缸體來說，其砂芯被裝配到一起時就會變得非常沉重，可達50kg以上。而且由于各種化學粘結劑、脫模劑的使用，會產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大量的如此沉重的零件，工人的勞動強度將會很高。但機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，只需加上防護罩即可。它可以不知疲倦地工作．同時還能保證很高時精確度。

（一）下面以德國Eisenwerk Bruehl鑄造廠為例，介紹機器人在鑄造廠中應用的一些實例。

德國布留爾鑄造廠（Einsenwerk Bruehl）是目前世界上最大的專業化鑄造廠之一，年產灰鑄件200000噸，主要生產各種不同類型的汽車發動機缸體。在該廠的制芯車間內，有許多獨立的制芯生產單元，它們的生產任務也各不相同。

圖 9為一個制芯生產單元，它的主要任務是生產用于汽車發動機缸體的組合芯子。該單元的主要設備包括一臺射芯機、一大一小兩個機器人和兩個中轉工作臺。大的機器人的夾具是一氣動夾具，小的機器人的夾具是一自動射釘機。該單元一次可以生產一組芯子，其中包括兩個水套心和兩個機座芯，并由機器人把它們裝配成為完整的發動機缸體組合芯。砂芯是由一臺采用冷芯盒工藝方法生產的射芯機來制造的，射芯機的生產率為每40秒一組。

     首先，射芯機將射好的一組芯子自動送出機器，然后由大的機器人將整個一組芯子從射芯機中取出，并用塑料做的刷子將砂芯上的毛刺刷于凈，隨后，大機器人在一個中轉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。然后該機器人即離開這組芯子。這時，裝備有自動射釘機的小機器人就會用螺釘將芯子固定在一起。在小機器人固定芯子的時候，大機器人移動到另一個中轉工作臺，將已經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涂料池內，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，轉入下一生產單元。

     這個機器人生產單元可以完成清除毛刺裝配、上涂料和堆放芯子的任務，并且有很高的生產率。一小時之內可以生產180套發動機缸體的芯子，每天工作16小時的產量為3880套，一年按250天計算，則年產量為720000套。另外，這個生產單元同時具有柔性化的生產特征。如果需要更換芯子種類時，只需更換芯盒和機器人的夾具即可。這些工作可以在很短的時間內完成，從而保證了生產的持續性和高效率。同時，由于發動機水套芯的壁厚非常小，砂芯剛從射芯機中取出時，強度并不是很高，如果用人工或其它方法搬運時，很容易造成破損，但采用機器人來處理時，機器人可以保證搬運過程的穩定性，從而大大降低由于搬運而產生的廢品率。

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

中國萬豐科技公司在工業機器人自動組芯研發上已成功與多家客戶展開合作，經驗豐富，產品成熟，在工業機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”生產轎車鋁合金缸體和缸蓋，年生產能力為2000000件。該廠有數條“精確砂型”生產線，每條生產線由順序排列著的8臺射芯機及數臺機器所組成（圖11）。其砂芯的組裝是利用芯盒的定位裝置來進行（圖12），因此是十分精確的；而且砂芯組裝是靠芯頭的構造和尺寸配合來實現，并不需要進行粘合或用螺栓連接。

2.在澆注過程中的應用

采用機器人來進行鑄型的澆注對于提高鑄件質量和生產率、改善勞動條件來講是一條可行的途徑。目前它已經成功地應用于鋁合金及銅合金小鑄件的金屬型鑄造中。

英國VAW West Yorkshire鑄造廠中生產鋁合金汽車發動機缸體和缸蓋。圖13為該廠的一臺6工位金屬型轉盤鑄造機上一臺機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研制的工業機器人澆注單元已大量應用于汽車、摩托車零部件鑄造生產，在大幅減少用工的同時，生產效率成倍提升。圖14為另一種用于澆注鋁合金的機器人。其澆注軸最大可支承100kg的液體金屬。它由一臺工業機器人、一套伺服驅動機構及一臺工業PC所組成。

3.在清理過程中的作用

近年來在工業發達國家的鑄造廠中機器人在清理工部中的應用正在增加，機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。

（一）自動化清整單元

1.由機器人夾持工具

圖15所示為一機器人進行鑄件清整過程的工作地布置。鑄件的裝卸可由人工進行而其運輸則由一裝有兩套夾具的轉盤來進行。機器人自動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。其優點是：

（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部表面

其主要限制是：

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

（2）機器人的標定工作速率是磨削機的一半

（3）機器人的程序主要是在線編制而需停止生產

（4）鑄件最大尺寸受到機器人工作范圍的限制

2.由機器人夾持鑄件

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

這種方案適合于中小型鑄件（≤200kg）的清整。其優點是：

（1）可以跟隨很復雜的幾何形狀

（2）在磨削后可將鑄件直接放到發貨架上

其主要限制是：

（1）由于機器人腕部的震動只能提供低的速率和力量

（2）對于每種鑄件要有相應的手抓

（3）對于每種新的鑄件各需要待機來編程

（4）鑄件重量的增加將使機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動機進氣管鑄件清理的生產線。在該線上可對4種不同類型的進氣管進行排出芯砂、去除澆冒口、去除毛刺等工序。由圖可見，該線裝有兩臺機器人，一臺用于運輸、一臺用于去除毛刺。

國內由萬豐科技研制的工業機器人高壓鑄件清理單元，由二臺工業機器人以及相關的清理專用設備構成，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用。

六、結束語

1.我國鑄造行業技術改造的任務是緊迫而繁重的，這就為我國鑄造機械行業帶來了很大的機遇。同時，我國鑄造機械行業已經并還將遇到國外廠商的挑戰，所面臨的形勢十分嚴峻。

2.我國鑄造機械行業首先應努力提高研發能力，根據國內市場的需求，開發先進的、適用的、具有自主知識產權的各類鑄造設備。必須大力提高我國鑄造機械產品的質量，發展其品種，加強配套能力。

3.在研究、開發工作中，鑄造設備制造廠要充分利用我國大學和研究機構在科技上的優勢，加強合作，取長補短，協同作戰。這是縮短將研究成果轉化為現實生產力的重要途徑。

4.鑄造設備首先是為實現某工藝過程服務的。鑄造設備制造廠應對其所生產設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（包括銷售前的技術座談、銷售后的技術服務等）。

5.現代化的鑄造設備無一不是機電一體化產品，信息技術已越來越多地得到應用。因此，我們要充分發揮我國的人才優勢，抓緊將計算機技術、網絡技術、傳感技術、自動控制技術等高新技術應用到鑄造設備和系統中去，提高其技術含量。