六自由度機械手在發動機總裝中的應用

劉 迪，王 瑋，魯華麗，劉湘鵬，李 欽

（湖北三江航天江河化工科技有限公司，湖北宜昌 444200）

0 引言

近年來，湖北三江航天江河化工科技有限公司（以下簡稱“公司”）的裝藥發動機型號急劇增加，配套發動機配方調試的標準評定試驗發動機需求量也隨之上升。標準評定試驗發動機是每個型號發動機正式裝藥前用于配方調試的試驗裝備，通用型號主要是直徑112 mm 的標準試驗發動機（以下簡稱“112 發動機”）。112 發動機在總裝時已經裝好了配方藥，這一狀態下的發動機是易燃、易爆的有毒危險化學品，采用人工方式大批量重復裝配容易疲勞、出現操作失誤，給生產工作帶來安全隱患。為提高發動機裝配效率，減少人為操作疲勞而引起的安全問題，公司引進六自由度機械手裝配平臺，實現112 發動機的裝配自動化。

1 六自由度機械手及其在112 發動機裝配中的應用

1.1 六自由度機械手組成及工作要求

六自由度機械手由一系列關節和連桿組成，這些關節可以完成滑動（線性）或旋轉（轉動）運動，連桿連接這些關節組成連續可靠的機構。

在工業應用中，六自由度機械手一般有底盤（腰）、大臂、中臂、小臂、手腕旋轉，手腕的俯和仰六個自由度，在手腕頂部則通過手爪機構實現對于負載目標的抓取（圖1）。六自由度機械手作為模擬工業機械手動作的原型機，主要實現裝配或拆卸過程中對零部件的抓取與放置，這里不要求具有較重的負載能力，但對抓取動作精度有較高要求。為提高機械手抓取動作的定位精度，在手腕上設置有工業防爆相機配合光電檢測定位視覺系統，可對產品進行識別并對其放置方位進行確認。機械手的手爪采用平行氣爪機構，夾持部分為兩個V 形銅質塊，氣爪機構帶有鎖緊功能，防止意外斷電斷氣導致抓取零件掉落產生危險。

圖1 六自由度機械手實物

根據發動機裝配環境的要求，六自由度機械手需要：滿足Ⅱ類危險場所（防爆等級為Exd ⅡBT4，防護等級為IP55）防爆要求，在IIB 類危險場合下，對于發熱設備采用隔爆型“d”防爆形式，將可能產生火花、電弧和危險溫度的電氣零部件均放入隔爆外殼內；設備溫度組別符合T4 要求，135 ℃＜T≤200 ℃；電氣元件及傳感器選用IP55 以上防護等級。

1.2 六自由度機械手裝配平臺搭建

1.2.1 人工裝配過程

公司112 發動機實際人工裝配過程：人工操作主要是放置墊圈，將噴管和過渡法蘭裝配，再將過渡法蘭與112 發動機直筒段裝配，最后將前封蓋與112 發動機直筒段連接，把點火藥包放入燃燒室前端，從噴管引出點火線，最終與前端推力座及尾部噴管螺母蓋裝配到一起，完成112 發動機裝配過程。

1.2.2 搭建六自由度機械手自動裝配平臺

為完成112 發動機裝配過程，搭建了六自由度機械手自動裝配平臺，其中主要有：①六自由度機械手主要在裝配過程中完成上下料抓取、轉運、放置工作；②擰緊工位機主要負責螺紋擰緊工作，與它配合工作的是配有兩個可水平移動自動卡盤的工作臺，一個為待裝配自動卡盤，另一個為裝配自動卡盤，兩個卡盤可根據產品尺寸調節卡緊大小和力矩。在裝配自動卡盤工作時，可對待裝配自動卡盤進行零件上料，這樣可減少六自由度機械手的等待時間，提高效率。同時擰緊工位機上還配有扭矩檢測記錄傳感器，可實現定力矩自動擰緊并檢測實際擰緊扭矩，記錄存檔；③物料臺主要是在固定坐標位置存放各零件，按零件尺寸和形狀做好分區和設置適應的工位卡具；④控制平臺負責六自由度機械手、擰緊工位機和自動卡盤工作臺的協調控制，并且配有人工操作功能部件，預留擴展編程接口以方便后期調試擴展功能；⑤此外還有零件暫存車、成品存放車（圖2）。

圖2 六自由度機械手自動裝配平臺

整個控制平臺配套的電氣元件及傳感器也采用防爆標準，防爆等級達到ExdⅡBT4，獨立操作單元也具有意外急停、斷電保護等特殊情況處置措施。

為滿足設備生產安全運行的要求，本平臺配備了防爆遠程監控的功能，可對現場進行視頻監視，同時可對監視畫面進行保存，保存時間不少于90 d。

1.2.3 自動裝配工藝過程

在物料臺上準備好要裝配的零部件，各零部件有區域劃分和固定工位。六自由度機械手根據坐標點和工業相機光電檢測定位系統，精確定位目標零件，根據規劃路線實現抓取轉運，放置到擰緊工位機的待裝配自動卡盤，擰緊工位機自動卡盤卡緊同時進行擰緊工序，檢測擰緊扭矩。在擰緊工位機完成裝配后，六自由度機械手下料，將發動機成品放置存放車，這樣就實現了自動上料、檢測裝配、人機隔離以及人員遠距離操控。

2 六自由度機械手在裝配中的應用對比

通過六自由度機械手在112 發動機裝配中的應用，初步實現了小尺寸發動機裝配的自動化，同時也提高了生產效率。該平臺在車間一個月的使用情況見表1。

由表1 可以得出，在減少1/2 人員數量的同時裝配量提升一倍，人員的工作強度較大減小，改善了工作環境，同時避免了裝配過程中與發動機的直接接觸，降低了人員安全風險，在配備一套六自由度機械手自動裝配平臺的情況下滿足了目前生產的要求。后期可以根據使用頻率、生產任務量適當調整，以達到更高效率。

表1 實施前后生產情況對比

3 結論與展望

隨著科研生產任務的與日俱增，公司裝藥量大幅增加，同時配套的112 發動機裝配任務制約著生產計劃的實施，公司在解決瓶頸改善員工工作環境的過程中，初步嘗試了自動化裝配方案，在整個方案實施的過程中，取得了一定的經驗，并且在國內同行業中首次使用。這次六自由度機械手平臺的使用，不僅解決了112 發動機裝配瓶頸，而且減少了員工工作強度，避免了人員操作疲勞而產生安全隱患，從安全生產本質上提高了112 發動機裝配的安全性，為公司設備自動化升級改造提供參考。