CN109562441B - 用于生产铸造用砂模的自动化组装单元和组装线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于砂模生产的模具组装单元，其包括转盘，其中，通过相对于转盘位于近距离关系的可编程机器人以及芯射出机遵循顺次预先编程的计划自动且逐步地组装砂芯和其它模具部分(它们一起合作限定砂模的铸造腔)。组装转盘顺时针或逆时针旋转，以准许将逐渐更加成品的模具组件放置在至少三个组装站中的每一个中，从而允许机器人根据所述预先编程的组装计划针对同时安置模具的砂芯和其它部分以不同的角度触及正在组装的模具。本发明还公开一种模具组装线，其包括多个前述组装单元，以便以更大的灵活性、效率和生产率形成用于铸造诸如铝发动机缸体和气缸盖等的复杂几何形状的铝零件的砂模。

Description

用于生产铸造用砂模的自动化组装单元和组装线

技术领域

本发明涉及铸造车间和铸造操作领域，更具体地涉及用于组装砂芯以形成用于铸造复杂几何形状的铝零件(如，发动机缸体和气缸盖)的砂模的方法和系统，与当前使用的方法、工具和模具组装线相比，本发明的方法和系统具有更高的灵活性、效率和生产率。

背景技术

对于由诸如铝等轻金属制成的发动机缸体以及其它汽车和航空部件的大批量铸造而言，汽车工业中广泛使用的铸造工艺是精密砂型铸造。将铸件形成为砂模，通常用树脂粘合而成。砂模借助一组砂芯限定复杂的铸造几何形状，其中，该组砂芯被以预先限定的顺序以高精度顺次地组装并形成模芯组件。铸造之后，将模具加热并将用于固定芯砂的树脂燃烧，随之而来的是砂的松动，然后将这些松动的砂从凝固的铸件中取出，从而在铸造发动机缸体内形成设计错综复杂的通道。为了高效地形成模具组件(mold package)，必须通过工业机器人在组装线上接触模具组件将模具组件以预先限定的顺序组装。

用于发动机缸体的砂模具组件例如包括：基芯、曲轴箱芯、左侧芯和右侧芯、前芯和后芯、桶形板坯芯以及顶芯；内部通道也用芯(例如，主油道芯、排油芯、水套等等)制成。当前使用的用于组装芯组件的方法利用具有机械传送器的组装线，机械传送器将砂模移动通过若干组装站，在这些组装站由操作员和/或机器人将芯定位，由此逐步地装配出所述模具，也称为模具组件。对机器人进行编程以抓取砂芯并根据发动机设计将砂芯放在它们相应的位置，从初期(即，还不是成品)模具组件进展到最终形成成品模具组件。

当前使用的在使用传送器的基础上的模具组装线在模具组件的形成期间存在许多缺点。例如，如果其中一个机器人出现故障，或者其中一个芯的供应被延迟或中断，则整个组装线停止。由于芯组装操作具有预定顺序，所以没有办法使一部分半成品组件绕过非工作站前进到下一组装站。

基于传送器的组装线的布局需要占据铸造车间中的大面积，并且每次产品运行必须只生产一种模具设计，而没有任何灵活性来同时组装不同设计的模具组件。

基于传送器的组装线的另一缺陷是需要大量机器人，因为模具组件的移动路径是线性的，所以只能在每个组装站处放置仅两个机器人。

本发明通过提供部分地或完全地形成模具的模具组装单元以及通过多个所述组装单元形成的模块化组装线克服了上述缺点。模具组装单元包括用于支撑基部的转盘状结构，由机器人将芯安置在该基部上，机器人例如为笛卡尔式机器人并以预先编程的顺序顺次地定位和组装芯。组装转盘优选地成形为将三个芯组件保持成按照组装程序的要求顺时针或逆时针地循环旋转，从而将所述模具组件定位在至少三个组装站中。机器人围绕转盘结构设置，使得它们以预先编程的角度接触模具组件并且能够触及要求的模具组件点以安置芯并装配出铸模。

组装机器人设有合适的抓取器和操纵工具，以从相邻的芯库存货架或拾取台拾取芯并将它们释放在它们在模具组件中的确切位置。本发明提供了机器人对芯组件以及还对制作芯的芯射出机进行的同时接触。

通常，芯被处理为成对地进行组装，例如：左侧和右侧，前侧和后侧，等等。由于转盘结构的能力，例如在顺时针和逆时针两个方向上的旋转的能力、还有使每个模具组件绕着各自的竖直轴线旋转的能力以及因此围绕转盘的所有机器人可以触及每个模具组件的能力，所以组装单元提供了容易改变将要制造的模具类型的独特的优点。

在本发明的另一方面，多个组装单元可以成群定位，以形成如下组装线：可以有利地制造具有不同设计的若干类型的模具，而不会与其他单元发生干涉，并且还提供了在其中一个组装单元由于某些机械故障或由于需要维护而停止工作中的情况下继续进行组装操作的灵活性。组装单元群可以由以任何期望的布局布置(例如，布置为线性布置或圆形或任何其它布置)的多个组装单元构成。

本发明的申请人发现了与本发明有关的以下现有技术：

美国专利No.3,802,487公开了一种使用转盘生产铸造车间用模具的设备，其中使用具有多个工作站的机器。然而该专利没有使用在机器人的同时辅助下自动地组装复杂几何形状模具的机器人。

美国专利No.6,725,903描述了一种自动化铸造系统，其中机器人装置使铸造钢包(casting ladle)循环地移动以从熔炉收集熔融金属并将其浇注到铸模中。在该专利的图3中，系统包括设有四个臂的转盘，每个臂具有用于收纳铸件的盘。转盘在每个循环中旋转90°。使用机器人来操纵铸件，但是该专利中没有关于使用具有能够同时使用多个机器人来组装砂芯并生产模具组件的三个或更多工作站的转盘的教导或暗示。

美国专利No.6,920,909描述了一种芯组装设备，其包括具有用于组装芯的多个固定装置的旋转台。然而该专利没有教导或暗示使用机器人进行自动操作。模具由位于旋转台的工作站之一的操作员来组装。该芯组装系统未提供同时并自动组装模具中的若干芯的灵活性。该系统未提供本发明的如下生产率：其中，机器人围绕转盘，转盘成形为以独特的布局更好地容纳机器人，并准许机器人在若干工作站同时操作。

美国专利No.7,588,070描述了一种用于在连续循环中生产铸造零件的生产线和方法，包括芯生产单元，芯生产单元使用了形成矩形的传送器。在传送器的各侧设有用于接管芯的若干机器人以及用于将芯组装成模具的其它机器人。该专利的系统具有许多缺点，如需要大量机器人。还有，由于模具组件是遵循单个线性路径组装的，所以不可能将模具返回到先前的组装位置，并且没有关于布置若干组装单元以形成模具组装线的教导或暗示。该模具组装单元未提供即使由于任何机械问题或为了维护而必须关闭传送器也能继续组装模具的灵活性。

本申请要求2017年5月20日提交的美国临时申请No.62/339798的优先权，该申请的说明书和附图通过引用全部并入本文。

发明目的

因此，本发明的一个目的是提供用于以较高效率以及较低资本和运作成本制造用于铸造复杂几何形状的铸件的砂模具组件的设备和方法。

本发明的另一目的是提供可用于任何设计的铸造件、具有较高灵活性以及较低安装成本和时间的用于铸造车间的砂芯模具组件组装单元。

本发明的其它目的对于本领域技术人员来说将是显而易见的，或者将结合本发明的一些优选实施例的描述来指出。

发明内容

本发明的上述目的大体通过提供如下一种模具组件组装单元来实现，该模具组件组装单元包括：转盘，其具有用于保持正在组装的砂芯组件的至少三个工作点；以及至少一个机器人，其将砂芯以预先编程的顺序放置在模具组件中的相应位置中；该模具组件组装单元的特征在于，所述转盘能够绕中心轴线旋转以将所述模具组件定位在至少三个组装站中的不同组装阶段，并且使得至少一个机器人操纵砂芯并将所述砂芯在模具组件内安置在其限定位置。旋转台具有这样的形状：绕旋转台的外周包括至少一个凹部，以允许所述至少一个机器人触及模具组件中的安置芯以装配出所述模具组件的位置。为了增加关于安置芯的经过编程的顺序的灵活性，旋转台可以在顺时针和逆时针两个方向上旋转。在本发明的另一方面，多个模具组件组装单元形成组装线，提供了如下协同优点：生产不同设计的模具组件，和/或当单元出现操作问题或被关闭以进行维护时通过将部分组装的模具组件从组装线的一个单元传递到另一单元来提高模具组件制造操作的生产率。

附图说明

图1示意性地示出用来生产用于铸造发动机缸体的模具组件的芯组装的一个示例性顺序。

图2是本发明一个方面的示意性平面图，示出了砂芯组装单元的部件和布局以及本发明的关于用来形成铸造模具组件的多个经过编程的组装操作的优点。

图3是图2所示的模具组装单元的示意性侧视图。

图4是本发明的第二方面的示意性设备图，示出了由多个本发明的组装单元形成的模具组装线。

具体实施方式

在高生产率和高精度的约束下制造用于批量生产复杂几何形状的汽车或航空轻金属铸造零件(如，发动机缸体和缸盖)的砂模具组件需要将机床和人类操作员协调来生产形成用于铸造所述零件的模腔的多个芯。

将参考附图1至4中示出的用于形成发动机缸体模具的本发明的示例性实施例来描述本发明的优点，在附图中，为了易于阅读并理解本发明，在不同的图中使用了相同的附图标记来表示相同或相似的元件。

参见图1，准备用于铸造发动机缸体的成品模具组件10是通过从芯基部12开始逐步地将芯和铸件的部件顺次地组装起来而形成的，其中，各种砂芯14和16以及其它模具部件18(例如金属筒状衬里)被安置在其适当的位置，从而逐步地形成了子组件20、22、24、26和28，直到最终形成成品模具组件10并用熔融金属填充该成品模具组件10。

作为实例，模具组装开始于芯基部12，并且在一些设计中将一些砂芯成对地(例如，前/后板坯、衬里、筒状桶等等)放置，以对于高生产率的模具组装系统进行高效且快速的模具组装，期望至少两个机器人接触芯基部并且能够将两个或更多个芯同时放置在单个组装位置。

砂芯由合适的抓取机构从芯射出机82或芯货架保持并由经过编程的机器人输送(通常成对地)，以组装到先前输送并安置的芯上的初期模具组件上；使得随着每个下一组装步骤，在一个或多个附加组装站处如图中22、24、26和28所示顺次地形成模具组件，并且最终产生了准备用熔融金属填充的成品模具组件10。

图2和图3示出了根据本发明的一个示例性且非限制性的实施例设计并操作的模具组装单元90的示意性平面图和侧视图。模具组装单元90包括转盘50，转盘50将初期模具组件定位在三个或更多个组装站处，这三个或更多个组装站用于顺次地接收模具的砂芯和其它部件以装配出所述模具。组装站60、62和64在所述模具组装单元90内、在近距离内且在能够由多个机器人触及的距离内沿着圆形路径布置。在本发明的示例性实施例中，在如图2所示的模具组装单元90中，模具组件的组装从芯基部12开始进行。通过顺次添加其它芯和部件进行的该装配用附图标记54、56和58示出，这些附图标记54、56和58代表包括芯基部的初期模具组件和/或在组装和/或成品模具的不同阶段的模具组件。将这些模具组件放置在转盘50上，转盘50具有至少三个循环组装位置60、62和64并且具有合适的形状，以允许组装机器人66、68和72围绕转盘同步移动并将砂芯安置在所述三个芯基部中以装配出模具组件。在与预先编程的组装顺序对应地将芯安置在每个组装站处之后，转盘旋转120°并在转盘50的新组装位置组装后续的芯。

位于转盘50上的模具组件保持装置60、62和64能够随着转盘围绕其竖轴52(基本上垂直于所述转盘的表面)而旋转。这种能力增加了模具组装单元的灵活性，因为模具组件可以围绕其各自的轴线旋转并且以该方式可以定位在经过编程的机器人所能触及的范围内。

为了增加用于生产具有可变数量的芯和部件的不同模具的模具组装单元的编程灵活性，转盘50可以根据经过编程的芯组装顺序顺时针或逆时针旋转，使得在经过编程的顺序组装步骤中，预定模具组件被定位在机器人的可触范围内。

具有用虚线示出的圆形触及区域74、76、78和80的多个组装机器人66、68、70和72围绕转盘50安装，用于将来自芯形成机82的砂芯操控并定位到组装站60、62和64中的至少一个处，并将用于来自芯射出机82的初期模具组件的芯和部件拾取到所述组装站中的任何一个组装站处。

树脂粘合的砂芯可以使用任何传统芯制造工艺来生产，如酚醛聚氨酯冷箱(phenolic urethane cold box)或呋喃热箱(furane hot box)，通过将砂和粘合剂吹到芯形成箱中，并在芯形成箱中用催化剂气体或用加热进行固化。铸造用砂可以根据需要包括二氧化硅、锆石和其它材料。

机器人66和68优选地相对于转盘50的操作位置60、62和64对称地定位在模具组装单元中，使得机器人可以接触位于组装站60、62或64中的初期砂模具组件54、56和/或58的前部部分和后部部分以及在另一组装站中的模具组件的侧部。

图示实施例中的转盘50的外周具有多个切口部84、86和88，以便于机器人根据需要接触模具组件，从而以经过编程的角度触及芯的所有位置。

在本发明的示例性实施例中，模具组装单元包括四个机器人66、68、70和72。这些机器人相对于三角形转盘50的尖部对称地定位，且具有用虚线74、76、78和80指示的圆形触及区域。

模具组装单元还可以包括用于制备和供应将要在转盘50中使用的砂芯或其它模具部件的其它辅助转盘91和92。为此，这些辅助转盘91和92设有保持装置94、96、98和100。操作员102和104可以使用这些辅助转盘91和92来检查和制备砂芯和模具部件，并将它们释放到机器人可根据模具组装计划来操纵它们的位置。

在组装单元的操作期间，例如，机器人66和72可以接触位于组装站60中的初期模具组件54，并且其它机器人68和70可以接触初期模具组件56，同时机器人70和72可以接触初期模具组件58。转盘位置60和62也可以充当相对于转盘50的芯装载位置，并且位置64也可以充当卸载位置，成品砂模具组件能够从该卸载位置被输送到铸造工艺中的下一阶段，通常是对砂模进行金属填充以生产出铸件。

设置了一个或多个龙门式机器人106，每个龙门式机器人106具有合适的抓取器或提升固定装置108，用于在沿着高架轨道110来回运行的同时保持砂芯模具组件，以便将砂模具组件如图2所示传送到存储货架112，或者如图4所示传送到砂模组装线120的多个组装单元中的至少另一组装单元，或者传送到铸造车间的金属浇注部门。

机器人以对称的角度定位，以接触一个操作位置中的前部或后部以及模具组件的侧部。顺序中的下一组装任务的攻角可以通过如下方式选择：将转盘50的旋转方向从顺时针变成逆时针方向，并将模具组件在组装站中定位成两个可能角度中的一个角度。

组装机器人相对于转盘50的操作位置的布局准许能够用相同的单元设备和工具来实现芯组装操作，而与将要组装的用于任何铸造产品的砂芯的具体设计和数量无关。

具有三个操作位置的旋转组装转盘与围绕转盘的机器人的这种新式组合允许生产具有任何可能的组装工艺顺序组合的砂芯模具组件，从而避免了如铸造车间当前需要的那样针对每个具体发动机缸体设计而对特定砂芯组装站进行冗长且昂贵的设置。

本发明的组装单元为铸造车间提供了许多优点，并且克服了当前用于砂模具组件形成的系统的很多缺陷。

参见图3，模具组件组装单元的示意性侧视图示出为包括转盘50，其中模具组件54和56正在由机器人66和72(为了简化附图，仅示出两个机器人)进行组装，并且龙门式机器人106用于拾取至少部分成品的模具组件10并将它们放置在货架112中。

在本发明的另一方面，砂模组装线通过将多个模具组装单元布置成群来铺设，该群可以是线性的、圆形的或者是最佳适配模具制造线可用空间的任何形状。

参见图4，砂模组装线120由线性成群地布置的多个模具组装单元122、124、126、128、130和132形成。新式的模具组装线在灵活性和生产率方面提供了优于利用通过一系列组装站的传送器的现有模具组装线的优点。

例如参见图4，上述单元128类似于图2所示的组装单元，但诸如单元130等的其它单元具有需要较少机器人的不同操作。

砂模组装线120具有显著更高的生产率，因为如果其中一个模具组装单元需要更换工具或重新编程或者需要关闭以进行维护活动，则其余组装单元可以继续组装模具组件。这种灵活性在基于传送器的模具组装线中是不可能的。

应当理解，如涉及到铝发动机缸体的铸造时，上述描述是出于说明的目的而进行的，但是可以有利地使用本发明来制造用于铸造其它轻金属产品的砂模。

Claims (16)

1.一种砂模组装单元，用于从砂芯和其它模具部件制备用于金属铸造的模具，其特征在于，所述砂模组装单元包括：

转盘，其构造成能够相对于至少三个模具组装站循环地定位；

可编程转盘机器人，其在所述模具组装站之中的至少一个模具组装站中，用于通过将所述模具的多个砂芯和/或其它模具部件固定至初期模具组件而逐步地组装所述模具，

其中，所述模具组装站在所述砂模组装单元内且在所述可编程转盘机器人的触及距离内沿着圆形路径布置，

所述转盘能够沿顺时针方向或逆时针方向旋转，所述可编程转盘机器人被定位成用于在所述模具组装站处以预定组装顺序将所述砂芯和/或其它模具部件操控并定位到所述初期模具组件中；以及

用于从所述砂模组装单元中取出所述初期模具组件或成品模具组件的装置，以便进行进一步处理。

2.根据权利要求1所述的砂模组装单元，其特征进一步在于，所述进一步处理包括在另一砂模组装单元中继续进行组装或执行所述金属铸造。

3.根据权利要求1所述的砂模组装单元，其特征进一步在于，所述转盘包括能够绕竖轴旋转的表面，所述表面在所述模具组装站处的三个操作位置处停止旋转，从而所述可编程转盘机器人定位成将所述砂芯和/或其它模具部件安置在正在组装的所述初期模具组件中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的砂模组装单元，其特征进一步在于，所述转盘具有三角形形状。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的砂模组装单元，其特征进一步在于，所述转盘在所述转盘的三角形形状的侧边中具有朝向所述转盘的中心的切口部，以便于所述可编程转盘机器人或操作员接触所述初期模具组件。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的砂模组装单元，其特征进一步在于，所述砂模组装单元中的至少一个辅助转盘用于制备砂芯或其它模具部件并将所述砂芯或其它模具部件供应至所述转盘。

7.一种包括多个砂模组装单元的砂模组装线，其特征在于，所述砂模组装线具有：

砂模组装单元，其位于包括根据权利要求1至4中任一项所述的砂模组装单元的所述砂模组装线中；以及

龙门式机器人，

所述砂模组装单元在空间上布置成使得所述砂模组装单元能够被所述龙门式机器人触及，所述龙门式机器人能够根据预先编程的模具组装顺序或者当单元出现操作问题或被关闭以进行维护时将初期模具组件从所述砂模组装线中的一个砂模组装单元传送到另一砂模组装单元。

8.根据权利要求7所述的砂模组装线，其特征进一步在于，所述砂模组装单元线性成群地布置。

9.根据权利要求7所述的砂模组装线，其特征进一步在于，所述砂模组装单元以非线性成群地布置。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的砂模组装线，其特征进一步在于，每个所述砂模组装单元各包括预定数量的组装机器人，所述数量能在所述砂模组装线的其它砂模组装单元中根据为每个这样的其它砂模组装单元编程的各自的组装操作而不同。

11.根据权利要求7至9中任一项所述的砂模组装线，其特征进一步在于，所述龙门式机器人具有高架轨道，所述高架轨道能够使所述龙门式机器人将砂模具组件传送到存储货架，或者传送到另一砂模组装单元。

12.根据权利要求7至9中任一项所述的砂模组装线，其特征进一步在于，沿着所述砂模组装线定位的存储货架足够靠近所述砂模组装单元和所述龙门式机器人，使得所述龙门式机器人和每个所述砂模组装单元中的至少可编程转盘机器人能够使初期模具组件或成品模具组件在所述砂模组装单元与所述龙门式机器人之间来回运行。

13.根据权利要求10所述的砂模组装线，其特征进一步在于，所述龙门式机器人具有高架轨道，所述高架轨道能够使所述龙门式机器人将砂模具组件传送到存储货架，或者传送到另一砂模组装单元。

14.根据权利要求10所述的砂模组装线，其特征进一步在于，沿着所述砂模组装线定位的存储货架足够靠近所述砂模组装单元和所述龙门式机器人，使得所述龙门式机器人和每个所述砂模组装单元中的至少可编程转盘机器人能够使初期模具组件或成品模具组件在所述砂模组装单元与所述龙门式机器人之间来回运行。

15.根据权利要求10所述的砂模组装线，其特征进一步在于，所述龙门式机器人具有高架轨道，所述高架轨道能够使所述龙门式机器人将砂模具组件传送到存储货架，或者传送到另一砂模组装单元，并且

沿着所述砂模组装线定位的所述存储货架足够靠近所述砂模组装单元和所述龙门式机器人，使得所述龙门式机器人和每个所述砂模组装单元中的至少可编程转盘机器人能够使初期模具组件或成品模具组件在所述砂模组装单元与所述龙门式机器人之间来回运行。

16.根据权利要求11所述的砂模组装线，其特征进一步在于，沿着所述砂模组装线定位的所述存储货架足够靠近所述砂模组装单元和所述龙门式机器人，使得所述龙门式机器人和每个所述砂模组装单元中的至少可编程转盘机器人能够使初期模具组件或成品模具组件在所述砂模组装单元与所述龙门式机器人之间来回运行。

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