實(shí)時(shí)測(cè)量和自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)在桁架機(jī)械手上的應(yīng)用

（格勞博機(jī)床（大連）有限公司 研發(fā)設(shè)計(jì)部，大連 116600）

0 引言

隨著中國(guó)汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)被越來越多的客戶接受，而在自動(dòng)化生產(chǎn)線中，桁架機(jī)械手扮演著非常重要的角色。桁架機(jī)械手與機(jī)床組成的自動(dòng)加工生產(chǎn)線，可以實(shí)現(xiàn)所有工藝過程的工件自動(dòng)抓取、上料、下料、裝卡、工件移位翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序加工等，能夠極大的節(jié)約人工成本，提高生產(chǎn)效率，特別適用于大批量、小型零部件的加工[1]。自動(dòng)化生產(chǎn)線的應(yīng)用被越來越多的客戶接受，其特點(diǎn)是自動(dòng)化程度高，操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，生產(chǎn)率節(jié)拍降低，產(chǎn)量大大增加，保證了客戶對(duì)產(chǎn)品的年產(chǎn)量要求，幾萬到幾十萬。而在這其中，桁架機(jī)械手取代了傳統(tǒng)的人工上下工件，大大提高了工作效率和降低了人為誤操作。然而由于自動(dòng)化生產(chǎn)線桁架機(jī)械手跨距較大，一般會(huì)達(dá)到10m～20m，甚至更長(zhǎng)，因?yàn)樗枰?fù)責(zé)若干個(gè)加工工位，中間清洗工位，檢測(cè)工位以及上料和下料工位的工件輸送任務(wù)，由于廠房空間大，即使有的廠房有空調(diào)條件，廠房溫度變化還是較大，而因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生的熱脹冷縮效應(yīng)，在桁架機(jī)械手上體現(xiàn)的十分明顯，一般情況下，鋼鐵隨溫度的變化為1m溫升1℃變形量為0.01mm，如果廠房溫度溫差在10℃左右，20m長(zhǎng)的桁架就會(huì)有2mm的變化量，對(duì)于利用桁架機(jī)械手向機(jī)床內(nèi)部精確裝料和卸料就會(huì)影響很大，甚至?xí)霈F(xiàn)碰撞的可能，本文介紹的利用Baluff感應(yīng)式距離傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量距離并利用西門子系統(tǒng)反饋給輸送軸進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)償，而桁架機(jī)械手采用一端立柱固定，其余立柱自由浮動(dòng)的整體結(jié)構(gòu)形式，從而解決了上述問題，使得桁架機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)充分展示，利于生產(chǎn)管理、控制質(zhì)量、壓縮人員成本、綜合提升工廠能力，為用戶提供高質(zhì)量、高效率、高柔性的生產(chǎn)單元或生產(chǎn)線[2]。

1 自動(dòng)線桁架機(jī)械手的布局

圖1 桁架機(jī)械手布局簡(jiǎn)圖

桁架機(jī)械手按抓取工件數(shù)量可分為單臂機(jī)械手多臂機(jī)械手，按機(jī)械手結(jié)構(gòu)可分為直臂機(jī)械手和曲臂機(jī)械手，桁架機(jī)械手的布局按位置分為設(shè)備單側(cè)布局和設(shè)備雙側(cè)布局。按工件的傳送順序分為間接輸送桁架機(jī)械手和直接輸送桁架機(jī)械手，這里介紹的是雙臂直臂式且間接輸送的桁架機(jī)械手，如圖1所示，桁架機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。桁架機(jī)械手的布局是根據(jù)全線的工藝流程以及結(jié)合客戶關(guān)于設(shè)備布局綜合考慮制定的，所以桁架機(jī)械手首先要考慮整條生產(chǎn)線的工藝要求和節(jié)拍優(yōu)化。自動(dòng)生產(chǎn)線一般包括包括上料工位，下料工位，加工工位，檢測(cè)工位以及清洗工位等，上料工位一般帶有工件識(shí)別功能，在桁架機(jī)械手加工件放入上料倉(cāng)時(shí)，整條生產(chǎn)線會(huì)通過上料工位的工件識(shí)別功能選擇全線的加工程序和檢測(cè)程序，實(shí)現(xiàn)多品種工件混線加工的可能性。對(duì)于加工工位，檢測(cè)工位以及清洗工位的布局一般取決于客戶對(duì)于生產(chǎn)線的區(qū)域要求以及設(shè)備管理要求，如通用公司大多采用單側(cè)布置設(shè)備，而大眾公司大多采用雙側(cè)布置設(shè)備。一條完整的自動(dòng)生產(chǎn)線可能有一條桁架機(jī)械手或若干條桁架機(jī)械手的。一條桁架機(jī)械手要負(fù)責(zé)若干加工工位，檢測(cè)工位和清洗工位等，原則是綜合考慮工件節(jié)拍，即桁架機(jī)械手所負(fù)責(zé)的所有工位的工件輸送與加工工位的加工節(jié)拍和清洗工位的節(jié)拍等平衡。而桁架機(jī)械手的長(zhǎng)度一般考慮客戶對(duì)設(shè)備布局的要求，而桁架機(jī)械手的立柱布置一般考慮不要布置在廠房地面地塊與地塊之間的接縫處。

2 桁架機(jī)械手的設(shè)計(jì)原則，固定端和自由端

桁架機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，采用多立柱支撐，如圖2所示，初始端立柱為三角形立柱，為固定端，其余立柱為直立式立柱，為浮動(dòng)，即桁架機(jī)械手在往復(fù)工作一段時(shí)間后，由于溫升導(dǎo)致的橫梁熱膨脹變形，從而使得橫梁變長(zhǎng)，而初始端的立柱因?yàn)槿切谓Y(jié)構(gòu)，所以即使沿橫梁方向受力也不會(huì)有變形，而其余立柱會(huì)因?yàn)闄M梁的變長(zhǎng)依次向左彎曲變形變形。

圖2 桁架機(jī)械手立柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

拼接式橫梁的直線度通過每根立柱下端如圖3立柱底部結(jié)構(gòu)圖所示，基板由四根螺釘固定在地面上，基板上面是4個(gè)墊塊，通過螺栓與立柱的底板螺紋連接，實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)械手的高度調(diào)整，而4個(gè)墊塊可以在基板上滑動(dòng)，保證可以調(diào)整整條桁架機(jī)械手的直線度在0.1mm以內(nèi)，然后將立柱下端的高度調(diào)節(jié)螺栓鎖緊，用固定螺栓和壓塊將立柱固定在基板上。

圖3 立柱底部結(jié)構(gòu)圖

桁架機(jī)械手的橫梁上安裝斜齒條，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸上安裝斜齒輪，通過齒輪齒條嚙合傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的橫向移動(dòng)，即X軸方向移動(dòng)。對(duì)于齒條之間的接縫，要嚴(yán)格安裝裝配標(biāo)準(zhǔn)，保證齒距，通過測(cè)試伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流變化，考察齒條安裝是否合格，只有保證安裝精度，才能使桁架機(jī)械手達(dá)到360m/min的運(yùn)行速度。同樣原理實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下移動(dòng)，即Z軸方向移動(dòng)。

3 實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 測(cè)試單元的原理及精度

Baluff位移傳感器又稱為線性傳感器，它分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，位移傳感器超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。距離傳感器BAW MKK-050.19-S4，屬于電感式位移傳感器，接通電源后，在開關(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來完成無接觸檢測(cè)物體的目的。測(cè)量范圍0～50mm，測(cè)量精度±15μm。

3.2 測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

被測(cè)試單元安裝在桁架的末端上，如圖4測(cè)量系統(tǒng)工作原理圖，圖上方部分為被測(cè)試單位，一塊可固定在桁架上的3mm厚的金屬板，而測(cè)試單元為圖下方部分，安裝在整條生產(chǎn)線的末端，如下料工位上。而測(cè)量距離的變化會(huì)體現(xiàn)在被測(cè)試單元的位移變化值上，而生產(chǎn)線控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)位移值的變化，線性地補(bǔ)償?shù)礁鱾€(gè)工位的上下料位置，比如說，測(cè)試單元測(cè)量原始測(cè)量值為25mm（即測(cè)試單元與金屬板之間的規(guī)定距離），工作一段時(shí)間測(cè)量值為27mm，變化量為增加了2mm，那么對(duì)于一個(gè)20m長(zhǎng)的桁架來說，就是每米的變化量為0.1mm，桁架的總長(zhǎng)度達(dá)到20.002m，設(shè)定補(bǔ)償原則為線性變化原則，如果在5m處有上下料工位的話，那么就應(yīng)該補(bǔ)償0.5mm，即在5.0005m處，而在10m處有加工工位的話，那么就應(yīng)該補(bǔ)償1mm，即在10.001m。控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)測(cè)量及反饋，這樣就能夠保證整條桁架在所有上下料工位上的位置實(shí)時(shí)得到補(bǔ)償，保障了上下料位置的精確性。

4 結(jié)束語

圖4 測(cè)量系統(tǒng)工作原理圖

1）由于整條生產(chǎn)線采用了測(cè)量和自動(dòng)補(bǔ)償裝置，使得桁架機(jī)械手裝卸料位置更加準(zhǔn)確，保證了機(jī)械手的安全運(yùn)行，而且由于有了自動(dòng)補(bǔ)償裝置，所以對(duì)于廠房的溫度變化以及由于桁架機(jī)械手的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生的溫升起到了有效的校核作用，目前整條測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于濰柴4缸缸體項(xiàng)目以及眾泰4缸缸體等項(xiàng)目上，整條系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；

2）由于整套測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行改造升級(jí)。