Комплектация роботами конвейерных и роторно-конвейерных линий литейного производства

Дорошенко В.С.

Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины

       Литейное производство служит одним из лучших примеров ресурсоэффективности, поскольку отливки практически полностью доступны для переработки. По окончании «жизненного» цикла отливки переплавляют для производства новых, ежегодно закупая миллионы тонн металлолома. Кроме того, современные системы позволяют регенерировать до 95% песка для производства форм. Отсюда, литейная промышленность заслуживает особого уважения в том, что касается переработки. Многие литейные заводы вкладывают средства в технологию, атоматизацию и сокращают потребление ресурсов на постоянной основе. Среди особенностей сегодняшнего процесса и движущей силой являются оцифровка при моделировании производства, включая 3D-печать, которая позволяют не только лить очень сложные детали, но и заменить энерго-, ресурсо- и трудоемкий метод проб и ошибок, что повышает не только конкурентные позиции литейных цехов, но и позволяет реализацию устойчивых стратегий [1].

       В плане исследовательской работы «Научные и технологические основы создания высокопроизводительных литейных процессов получения литых конструкций из железоуглеродистых и цветных сплавов и разработка концепции литейных роторно-конвейерных комплексов (РКК)» провели обзор тенденции расширения применения роботов и робототехнических конвейерных линий [2] в литейном производстве. Робот представляет собой автоматическую машину для воспроизведения двигательных и интеллектуальных функций человека. Манипуляционный робот для выполнения работ универсального характера имеет исполнительные устройства - манипуляторы (механические руки).

       Среди различных видов роботов самыми востребованными являются автоматические манипуляционные работы, в частности, промышленные роботы. На сегодняшний день промышленные роботы и подобное им оборудование является практически единственным средством автоматизации мелкосерийного производства с сочетанием в едином цикле как транспортных, так и основных технологических операций, что позволяет создать на базе универсального оборудования гибкие автоматизированные производства. В то же время роботы имеют значительный потенциал для автоматической перестановки (погрузочно-разгрузочных операций) материалов и продукции с ротора на ротор в системе РКК.

       Инженеры и ученые совершенствуют роботы по 6-ти направлениям [3]:

       - 1) мощные роботизированные руки (есть примеры грузоподъемностью 2,3 т);

       - 2) мобильные коботы - роботы, которые работают вместе с людьми;

       - 3) датчики для гигантских роботов для большей безопасности людей;

      - 4) рост числа роботов для работы в опасной (в т.ч. «горячей») среде;

      - 5) «мягкие» роботы (см. пример на рис.1);

      - 6) роботизированные экзоскелеты, носимые людьми.

    Рис. 1. Пример мягкой руки робота (https://www.therobotreport.com/97810-2/).

        Кинематическую схему работа в угловой системе координат [4] показано на рис. 2, а блок-схему управления роботом фирмы Kuka - на рис. 3. Роботизированный участок нанесения слоев жидких и сыпучих компонентов при изготовлении песчаной оболочки с выплавляемым моделям компании Vulcan Engineering Co. показан на рис. 4 [5].

       Рис. 2. Кинематическая схема работа в угловой системе координат.

                          Рис. 3. Блок-схема управления роботом.

Рис. 4. Роботизированный участок изготовления песчаных оболочек по выплавляемым моделям.

       Примеры применения роботов на литейных участках показаны на рис. 5, иллюстрации взяты из открытых источников Интернета. На рис. 5 а на участке литья по выплавляемым моделям (lost wax / investment casting process) на заднем плане за манипулятором фирмы АВВ видно поворотный барабан для нанесения сухого компонента на модельные кусты (кластеры) путем вращении роботом модельных кустов в полости барабана, а слева видно два (нижний и верхний) конвееры сушила, на которые робот подвешивает кусты для сушки [6]. Технология литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) с использованием робота (рис. 5 г) подробнее описана в работе [7].

                             а                                                        б

                     в                                         г                                    д

Рис. 5. Примеры применения роботов на литейных участках: а - нанесение жидкого покрытия на разовые модели; б - вращение модельных кустов во избежание подтеков; в - заливка металлом керамических оболочковых форм; г - заливка форм по ЛГМ-процессу; д - удаление заусенцев на отливках.

       Термическая печь с вращающимся подом компании CAN-ENG Furnaces International Limited, США (http://www.can-eng.com) и загрузка роботом такой печи отливками в 3 ряда показаны на рис. 6. Хотя применение таких трехрядных печей описано на сайте этой компании для термообработки литейных алюминиевых сплавов обычно с нагревом не выше 500-550 °С, такие печи практически пригодны и для изотермической выдержки отливок из железоуглеродистых сплавов в пределах температур 350-450 °С. Для этой цели термическая печь с вращающимся подом как роторный модуль показана в схеме комплектации с литейным РКК в работе [8].

Рис.6.Термическая печь с вращающимся подом и загрузка роботом такой печи отливками в 3 ряда.

       Современные литейные заводы постоянно ищут способы повышения эффективности, гибкости и безопасности на рабочем месте. Использование роботов в этих целях значительно упрощает достижение требуемой производительности в отрасли для поддержания конкурентного преимущества [9]. Рост рынка роботов для литья металла во многом зависит от роста автоматизации с применением роботов, которая помогает оптимизировать производительность литейно-металлургического производства. Повышение полезной нагрузки на роботов для литейных операций что облегчит оптимизацию время цикла по сравнению с традиционным методом литья, является основной движущей силой роста рынка литейных роботов. Прогресс в области технологических инноваций, направленных на сокращение времени интеграции робота в процесс литья и расширение возможностей применения, также является одним из ключевых факторов, который будет стимулировать рост спроса на такие роботы. Кроме того, ожидается, что роботизация таких функций, как, например, дегазирование расплава и удаление шлака, заливка расплавленного алюминия в формы, извлечение и выбивка отливок, также увеличат спрос на роботы в литейных цехах в ближайшие годы [9].

       Несмотря на многие движущие факторы, развитие рынка роботов для литья тормозится тем, что открытые приводы роботов трудно укрыть от пыли и жидкостей. Это служит сдерживающим фактором для роста использования роботов для литья метал. Хотя снижение производственных затрат и уровня брака, постоянное увеличение длительности эксплуатации и высокое качество - это лишь немногие из убедительных преимуществ роботов, и ожидается, что они станут ключевыми аргументами для роста рынка литейных роботов [9].

       В зависимости от типа отливки рынок литейных роботов обычно разделяют на четыре категории: литье в песчаные формы, литье под давлением, гравитационное литье и ЛГМ-процесс. А, основываясь на отрасли конечного использования, рынок роботов делят на пять сегментов в соответствии с видом промышленности: автомобильная, металлургическая, полупроводниковая, телекоммуникационная, аэрокосмическая и оборонная [9]. Значительное увеличение расходов на внедрение роботов для литья металла в таких странах, как Китай, Япония и Индия, стимулирует развитие рынка.

       По мнению специалистов в области робототехники, направление научных исследований и инженерных разработок должно быть нацелено на создание интеллектуальных роботов, что обеспечивает расширение их функциональных возможностей. Работы недалекого будущего позволят заменить человека в большинстве основных и вспомогательных операциях производственного цикла, что будет способствовать завершению комплексной автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности [4], в частности в литейно-металлургической отрасли с присущими ей ряда опасных и вредных производственных условий труда в горячих цехах.

Литература

1. Carina Hendricks. Tremendous potential – environmental, economic and social sustainability in foundries // GMTN 2019 – Specialist article no. 6 / January 2019. URL: www.gifa.com
2. Беляева С. Роторно - и робото-конвейерные линии. Опорный конспект лекций. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2013. 36 с. URL: https://pandia.ru/text/78/539/90284.php
3. Kayla Matthews. 6 Robotics Trends Taking Over Manufacturing // American Machinist. Mar 27, 2019. URL: https://www.americanmachinist.com/automation-and-robotics
4. Иванов А.А. Основы робототехники: учеб. пособие; НГТУ им. Р. Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2011. – 200 с.
5. Investment casting systems & equipment. Vulcan Engineering Co. URL: http://www.vulcangroup.com/products-2/foundry-engineering-systems/
6. Shell-O-Matic automates Franklin bronze foundry. URL: https://www.shellomatic.com/automates-franklin-bronze-foundry/
7. Дорошенко В.С. Литье по газифицируемым моделям с кристаллизацией металла под давлением // Литейное производство. – 2016. - № 1. - С. 25 - 28.
8. Дорошенко В.С. Концепция роторно-конвейерного комплекса для литья по газифицируемым моделям и термообработки отливок // Металл и литье Украины. - 2019. - № 1-2. - С. 31-40.
9. Metal Casting Robots Market - Global Industry Analysis, Size, Share, Growth, Trends, and Forecast 2018 - 2026. URL: https://www.transparencymarketresearch.com/metal-casting-robots-market.html

   Опубликовано: Литьё Украины, 2019, №6, с.10-14