論電液控?fù)Q向閥閥芯自動(dòng)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

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（北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 101300）

國家《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030 年）》中提出“2030 年實(shí)現(xiàn)智能化開采，重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無人化”，液壓支架電液控制系統(tǒng)作為煤礦無人化開采技術(shù)的核心系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)該計(jì)劃提供了有力技術(shù)支持。但作為智能開采高端裝備關(guān)鍵控制核心元部件的電液控?fù)Q向閥閥芯，目前裝配工藝方法主要為人工組裝、專機(jī)設(shè)備輔助，此裝配方法存在裝配質(zhì)量不穩(wěn)定、勞動(dòng)強(qiáng)度大、裝配成本高、信息化程度低等傳統(tǒng)組裝工藝存在的缺點(diǎn)，生產(chǎn)制造水平與世界先進(jìn)水平存在一定差距，急需從裝配自動(dòng)化上開展研究。本文通過對產(chǎn)品裝配過程自動(dòng)化升級，設(shè)計(jì)了一條全自動(dòng)裝配生產(chǎn)線，不僅達(dá)到了提高產(chǎn)能、改進(jìn)裝配質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的要求，并且通過提升智能開采高端裝備關(guān)鍵控制元部件生產(chǎn)制造水平對行業(yè)發(fā)展起到了重要作用和意義。

1 裝配工藝及技術(shù)要求

1.1 產(chǎn)品工藝分析

電液控?fù)Q向閥閥芯主要由進(jìn)液套、回液螺套、進(jìn)液閥芯、回液閥芯、彈簧、閥座以及內(nèi)外密封O 圈等組成。主要金屬部件材料為馬氏體不銹鋼，產(chǎn)品總重量為364g。

為適應(yīng)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線的需要，對現(xiàn)有的產(chǎn)品工藝進(jìn)行研究，調(diào)整了部分工藝順序及工藝要求，最終形成滿足自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)的工藝路線如圖1 所示。

圖1 電液控?fù)Q向閥閥芯裝配工藝

1.2 生產(chǎn)線技術(shù)要求

電液控?fù)Q向閥閥芯裝配生產(chǎn)線在提質(zhì)增效降成本的前提下，從設(shè)計(jì)角度分析主要滿足以下幾個(gè)方面的要求：（1）生產(chǎn)線節(jié)拍在26s 以內(nèi)（含26s）；（2）生產(chǎn)線生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)無人操作；（3）生產(chǎn)線智能識別功能應(yīng)包括來料型號、形位識別，裝配定位識別，裝配質(zhì)量識別；（4）利用傳感器識別系統(tǒng)自動(dòng)判別有無漏裝項(xiàng)；（5）實(shí)現(xiàn)缺料自動(dòng)報(bào)警；（6）生產(chǎn)線工序之間等待時(shí)間小于節(jié)拍時(shí)間的10%；（7）整條裝配線占地空間不超過14m×4m×3m。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電液控?fù)Q向閥閥芯裝配生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)液壓閥芯的無人自動(dòng)化組裝及在線檢測，共包括11 個(gè)工位，可以保證在準(zhǔn)備好物料料垛及各工位夾具的情況下，能按照預(yù)定的程序自動(dòng)完成拆垛、定位、上料、夾緊、裝配、下料全過程，設(shè)備同時(shí)具有手動(dòng)控制運(yùn)行功能，任何工位停止工作，人工均可替代。設(shè)備總體布局圖如圖2 所示。

裝配線總體采用工位式裝配結(jié)構(gòu)，主體采用分層單倍速鏈輸送線，驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過鏈輪帶動(dòng)托盤前進(jìn)，循環(huán)方式為水平循環(huán)，完成裝配件由第一工位到最后一工位的輸送工作，輸送線兩端配有托盤升降機(jī)構(gòu)，通過該機(jī)構(gòu)托盤可在上層裝配線與下層返盤線之間循環(huán)切換。各裝配工位配有相應(yīng)料垛，提供裝配線一定時(shí)間的生產(chǎn)需求，工人需定期為料垛填換物料，進(jìn)液套、回液螺套和組裝完成后的閥芯采用機(jī)器人搬運(yùn)，裝配線上每個(gè)工位配有擋停、舉升、定位、夾緊、物料檢測等裝置。

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 生產(chǎn)線夾具設(shè)計(jì)

自動(dòng)裝配生產(chǎn)線主輸送線采用可積放倍速線，為保證各工位的裝配精度，設(shè)計(jì)物料托盤及夾具如圖3 所示。物料托盤主體為鋁制載體，盤面下部配置有四個(gè)定位銷孔，底部采用POM 材料耐磨條，前后端配置有托盤防撞塊及擋停防撞塊。托盤上安裝有兩套夾具，通過彈簧鎖緊機(jī)構(gòu)保證零部件的鎖緊和中心定位，物料在輸送線上運(yùn)行時(shí)始終保持機(jī)械鎖緊狀態(tài)，當(dāng)托盤到達(dá)某個(gè)裝配工位時(shí)，通過生產(chǎn)線外解鎖氣缸實(shí)現(xiàn)夾具解鎖。該托盤可以滿足產(chǎn)品裝配最高重復(fù)定位精度±0.08mm的要求。

圖2 電液控?fù)Q向閥閥芯裝配生產(chǎn)線布局圖

圖3 生產(chǎn)線托盤夾具

3.2 生產(chǎn)線物料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該生產(chǎn)線共設(shè)計(jì)有3 種不同類型的物料系統(tǒng)：托盤上料系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)分度頂升上料系統(tǒng)、振動(dòng)上料系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹為滿足高效和高精度需求而設(shè)計(jì)的如圖4 所示的旋轉(zhuǎn)分度頂升上料系統(tǒng)。

旋轉(zhuǎn)分度頂升上料系統(tǒng)主要用于回液閥芯的上料，主要分為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)（由凸輪分割器、旋轉(zhuǎn)盤、物料載體等組成）、頂升系統(tǒng)（由下限位傳感器、頂升電缸、定位傳感器等組成）和上料系統(tǒng)（主要由平移氣缸和夾取系統(tǒng)等組成），當(dāng)需要裝配回液閥芯時(shí)，分割器旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位，頂升氣缸將工件向上移動(dòng)一個(gè)位置，上料系統(tǒng)夾取工件裝入組件。

3.3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 旋轉(zhuǎn)分度頂升上料系統(tǒng)

生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用分布式控制拓?fù)溥壿嫞鐖D5 所示，主要由主站西門子S7-1500 系列PLC 和若干遠(yuǎn)程ET200 SP 功能站站以及現(xiàn)場I/O 組成，CPU 與遠(yuǎn)程功能站、觸摸屏之間采用PROFINET 進(jìn)行通訊，I/O 點(diǎn)的設(shè)計(jì)考慮10%～15%的冗余。主站PLC 通過以太網(wǎng)與公司計(jì)算機(jī)服務(wù)器相連，現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)與SCADA 系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)施采集、存儲(chǔ)和分析。

圖5 電控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

4 實(shí)際應(yīng)用效果

生產(chǎn)線于2018 年7 月正式投入車間批量生產(chǎn)（圖6），實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品從零件到成品的自動(dòng)化裝配，并打通了PLM產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)、SAP 系統(tǒng)、MES 系統(tǒng)和SACDA系統(tǒng)之間的信息化通道。生產(chǎn)線的建成不僅使產(chǎn)品生產(chǎn)效率提高了28%，節(jié)約4 名操作員工，并且作為主要設(shè)備之一助力公司在2018 年獲批北京市智能制造標(biāo)桿企業(yè)（數(shù)字化車間）稱號，在煤機(jī)裝備制造行業(yè)處于領(lǐng)先水平。

圖6 電液控?fù)Q向閥閥芯自動(dòng)裝配生產(chǎn)線

5 結(jié)語

智能制造是裝備制造業(yè)的重要發(fā)展方向，高質(zhì)量的基礎(chǔ)原部件已經(jīng)成為制約我國發(fā)展的卡脖子難題，因此堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)化基礎(chǔ)原部件制造能力、發(fā)展智能制造已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展的重要手段。本文通過產(chǎn)品工藝分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成閥芯自動(dòng)裝配生產(chǎn)線，解決了作為智能開采高端裝備關(guān)鍵控制的核心元部件的電液控?fù)Q向閥閥芯自動(dòng)裝配的難題，不僅推動(dòng)了煤機(jī)裝備制造行業(yè)的自動(dòng)化水平，并且助力中國制造2025 在煤機(jī)制造行業(yè)的推進(jìn)實(shí)施。