一種制冷渦旋式壓縮機機器人翻轉設備的研制

李俊超 李小丹 許曉飛 陳建斌

（珠海凌達壓縮機有限公司 珠海 519100）

0 引言

近年來，隨著國內制冷壓縮機研究技術提升，壓縮機逐漸從小型化往大型化方向發展。同時，傳統的制造業需要升級，則必須引出“機器人換人”的概念，大力推動自動化設備，解放勞動力以及減小勞動強度。我司自主研發的制冷渦旋式壓縮機產品，從手工樣機切換成設備生產線生產過程中，秉承生產效率提升，以及我司自動化高效生產理念，需要對工件翻轉工序進行相關的設備研制，替代人力手工搬運翻轉的生產方式[1,2]。

1 產品及設備方案簡介

1.1 渦旋式壓縮機翻轉需求

一臺渦旋式壓縮機的重量至少達到了80 斤以上，目前采用傳統的人手搬運翻轉工件的話，會造成生產效率低、工人勞動強度大、產品質量不穩定、人工成本增加等問題。因此，結合圖1所示的制冷壓縮機翻轉需求，項目組評估研制出一種高效翻轉的設備，即可以解決人力手工翻轉的問題，同時也滿足整條裝配線的生產節拍要求[3]。下面對設備的總體方案進行詳細說明。

圖1 渦旋式壓縮機翻轉需求Fig.1 Rollover requirements for scroll compressors

1.2 設備的設計要求及總方案

關于設備的設計關鍵要求：（1）工件可實現自動翻轉；（2）節拍滿足整條裝配線70 秒/件的要求。根據該兩點核心要求，對設備進行立項研制，通過參考相關文獻及方案（見表1），提出文獻中的核心原文信息點，可得出工件翻轉的借鑒信息：采用機器人翻轉工件的方案可以加快設備對工件的加工節拍；參照我司現有的設備進行設計優化；可以通過多工位的轉臺實現工件暫存，人員裝配產品的相關零部件后，再旋轉到翻轉設備所等待的夾取位置，進行工件的二次翻轉。綜合以上借鑒信息，提出兩種設計方案。

表1 參考文獻的借鑒內容Table 1 Reference Content of Reference Literature

設計方案1 是采用氣缸結合夾爪的方式，對工件進行夾持，實現工件180°的翻轉。動作流程步驟：首先設備通過插接氣源，使得增壓儲氣罐中充滿氣體，用于供給升降氣缸以及旋轉氣缸。接著，連接升降氣缸的皮帶導軌則可以實現上下升降，同時對接氣缸的夾爪在夾取工件后，則可以完全實現工件升降、以及工件180°翻轉，翻轉到位后進行相關零部件的安裝[4-7]。詳見圖2 的設計方案示意圖。

圖2 方案1 翻轉設備結構示意圖Fig.2 Option 1 Schematic diagram of turnover equipment

方案2 則是研制出一種創新型的翻轉設備，結合技術文獻的借鑒項，采用機器人配合多工位分度盤的設計結構進行動作流程分析。工件到達流水線指定工位后，由機器人接收感應器的信號，接著前往夾取工件，并在移動至多工位分度盤的過程中，同步進行工件的180°翻轉。下一步，工件放置在多工位分度盤后，則旋轉至人工裝配油泵或者下支架零件的工位處，人員再進行零部件的裝配。零部件經過人工裝配后，再旋轉回機器人處，進行二次夾持翻轉下線[8,9]。詳見圖3 的設計方案示意圖。

圖3 方案2 翻轉設備結構示意圖Fig.3 Option 2 Schematic diagram of turnover equipment

2 方案確認及實施

2.1 方案確認

通過制作方案對比分析表，從設備結構安裝、功能及影響、研制投入成本三個維度進行方案分析確認。因方案2：創新研制一種機器人結合多工位分度盤高效翻轉設備，具備可以實現工件自動翻轉，以及設備節拍滿足整條裝配線70 秒/件的核心要求，最終鎖定該方案。

表2 設備總方案研制分析表Table 2 Development and analysis table of overall equipment plan

2.2 方案選型

本文僅對設備主體的核心結構進行選型說明，涉及設備的小型感應器選型、工作臺設計、以及防護欄等工裝備件，則不作詳細說明。

（1）機器人選型條件：①根據負載重量：工件+夾爪=50kg+25kg=75kg；②機器人擺放空間大小：2.5m*2.5m，機器人需要最小展臂距離約1.2m；機器人控制精度：③根據工裝定位精度核算，需求重復定位精度≤0.10mm。通過調查確認機器人ABB選型手冊，以及我司機器人庫存種類得出：評估選擇型號IRB-6700 的機器人。

表3 機器人參數表Table 3 A list of the parameters of the robot

（2）氣缸選型及夾爪設計：氣缸選型及夾爪設計需考慮成本、強度、精度等需求。因此，進行以下詳細計算選型，在保證強度滿足要求下，實現成本最小化。氣缸基本參數計算：單邊夾持力F=f/μ（壓縮機重量取50kg、摩擦力μ查找機械設計手冊：鋼-軟鋼：0.2），得出F=1250N。氣缸選型：My=F*d，預估空間取d=200mm，My=250Nm，氣缸選型≥PGN-plus 300/1，夾持力為2F=2500，氣缸選型≥PGN-plus 200/2。找到相關廠家提供的氣缸手冊，選擇氣缸為雄克PGN-plus 300/1。在夾爪設計方面，根據氣缸的定型方案，對夾爪進行有限元分析，計算出最大應力：最大應力2.044*108MPa≤2.206*108MPa，復核滿足強度要求。因此，評估挖空局部位置，可以減輕夾爪整體重量降低制造成本。

圖4 氣缸力矩示意圖Fig.4 Schematic diagram of cylinder moment

圖6 夾爪有限元受力分析后的優化Fig.6 Optimization of gripper after finite element analysis

（3）凸輪分割器選型：選型條件包括：①8工位；②分度盤最大直徑：1400mm；③重量：分度盤120kg、工裝6.27kg、工件50kg。選型分析過程：見圖7 過程計算圖。根據計算的總扭矩值，以及分割器廠家提供的選型手冊：確認凸輪分割器的最終型號15AD-08187R-SR3VW1。

圖7 分割器選型過程計算圖Fig.7 Calculation chart of splitter selection process

2.3 方案實施

項目組根據制冷渦旋式壓縮機量產節點為導向，制定了與方案實施相關的倒排計劃。首先在線下完成核心部件的安裝以及調試，確認研制設備的基本動作是否異常，以及對相關工裝、電氣元件進行查漏補缺。緊接著，用工件進行試運行，確認機器人夾持動作正常，多工位分度盤在凸輪分割器的帶動下運轉正常。最后，將所研制的設備搬運至裝配流水線上，進行匹配調試，確認對前后工序無影響，相關連線程度正確無誤。

圖8 設備現場調試Fig.8 On-site commissioning of equipment

圖9 設備連接裝配線Fig.9 Equipment Connection Assembly line

3 結論與成果

本文所講述的自主研制的創新型高效翻轉設備，從方案確認、方案選型以及方案落地實施上的論述說明，驗證出一種高效的機器人翻轉設備，可以在制冷渦旋式壓縮機上得到了充分的應用。并且，切切實實解決了人力手工翻轉效率低、勞動強度大的問題。該臺設備研制為我司首創案例，目前設備已投入到制冷渦旋式壓縮機量產中。設備的相關研制理論及分析，對今后制冷壓縮機大型化的發展提供了設備基礎研究積累，同時也可供制冷行業相關人員參考借鑒。