基于工業(yè)機器人的氣缸蓋碗型塞壓裝工藝開發(fā)

侯瀟帥，王永生，李東波，劉丁丁

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

氣缸蓋是柴油機的重要零部件。目前柴油機市場細分程度增加，柴油機種類繁多，氣缸蓋隨之不斷推陳出新，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，生產(chǎn)模式已由單一品種轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗥贩N生產(chǎn)[1]。現(xiàn)行的氣缸蓋專機生產(chǎn)線無法滿足多品種的柔性生產(chǎn)要求，工業(yè)機器人代替專機的生產(chǎn)模式勢在必行。機器人具有精度高、效率快、柔性程度高等優(yōu)點，可滿足柔性生產(chǎn)線的需要[2]。

本文中基于虛擬仿真技術(shù)，對機器人壓裝碗型塞工藝進行開發(fā)，設(shè)計壓裝所需夾具、夾具支撐裝置等必要設(shè)備，通過模擬實際生產(chǎn)過程，論證機器人壓裝碗型塞的可行性，對于保證產(chǎn)品質(zhì)量、論證柔性化制造方案和降低設(shè)備投資風(fēng)險具有重要意義[3]。

1 碗型塞壓裝工藝流程及風(fēng)險

1.1 壓裝流程

機器人夾持氣缸蓋靠近涂膠器，涂膠器向碗型塞底孔內(nèi)涂膠。涂膠完成后，機器人夾持氣缸蓋靠近氣缸，壓裝相應(yīng)的碗型塞。

1.2 潛在風(fēng)險分析

1.2.1 漏涂膠

涂膠器向碗型塞底孔內(nèi)涂膠時，操作者無法看清機床內(nèi)部情況，若涂膠器故障導(dǎo)致碗型塞底孔內(nèi)無膠，但是設(shè)備仍然工作，無法判斷該缸蓋碗型塞底孔是否有膠。碗型塞底孔無膠可導(dǎo)致柴油機漏防凍液，存在較大的質(zhì)量隱患。

1.2.2 機器人受力過大

碗型塞與碗型塞底孔之間為過盈配合，機器人夾持氣缸蓋壓裝碗型塞，當(dāng)電缸壓力達到15～20 kN時，超過機器人手臂承壓能力，機器人手臂被迫移位，無法完成壓裝。

1.2.3 壓裝精度超過公差范圍

機器人手臂可自由活動，難以控制碗型塞底孔與電缸壓頭的同軸度在Φ0.05 mm以內(nèi)，不能保證壓裝精度。如果碗型塞底孔與電缸壓頭的同軸度大于Φ0.05 mm，壓裝時碗型塞底孔可劃傷碗型塞，造成發(fā)動機漏水。

1.2.4 無法識別氣缸蓋種類

當(dāng)不同型號的氣缸蓋在同一條流水線加工時，若機器人無法識別氣缸蓋型號，若仍然按照一種程序壓裝，可導(dǎo)致電缸壓頭與氣缸蓋相撞，損壞設(shè)備，或造成錯、漏壓碗型塞，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量問題。

1.3 潛在風(fēng)險解決方法

1.3.1 漏涂膠

在氣缸蓋涂膠完成后，利用視覺識別技術(shù)，對碗型塞底孔進行拍照，依據(jù)密封膠的色差判斷是否涂膠。若檢測出漏涂膠，則停機報警。

1.3.2 機器人受力過大

設(shè)計夾具支撐裝置，機器人夾持氣缸蓋壓裝碗型塞時，氣缸蓋底面貼合在夾具支撐塊上，并在夾具支撐裝置上設(shè)置氣檢，以此判斷氣缸蓋底面是否與夾具支撐塊完全貼合。電缸壓力與支撐塊對氣缸蓋支持力相互抵消，機器人手臂處于受力平衡狀態(tài)，避免因受力過大而移位。

1.3.3 壓裝精度超過公差范圍

設(shè)計制作氣缸蓋樣件、檢棒、檢塊，以便確定壓裝點，保證碗型塞底孔與電缸壓頭的同軸度合格。氣缸蓋樣件碗型塞底孔的位置度應(yīng)盡可能接近0；檢棒的一部分與樣件的碗型塞底孔配合安裝，另一部分與電缸壓頭配合安裝；檢塊為檢測同軸度是否符合要求的標(biāo)準(zhǔn)塊。確定壓裝點和檢測同軸度方法為：以電缸壓頭部分檢棒為基準(zhǔn)，將檢塊套在檢棒上，調(diào)整機器人位置，將樣件上的檢棒插入檢塊時的機器人位置定義為壓裝點，實現(xiàn)壓裝同軸度合格。

1.3.4 無法識別氣缸蓋種類

在氣缸蓋上粘貼包含氣缸蓋類型信息的二維碼，當(dāng)氣缸蓋進入流水線時，掃描二維碼，即可識別氣缸蓋種類。當(dāng)檢測出不同類型氣缸蓋時，自動切換為相應(yīng)的壓裝程序，保證生產(chǎn)正常進行。

1.4 生產(chǎn)節(jié)拍分析

生產(chǎn)節(jié)拍是影響產(chǎn)能的重要因素，應(yīng)用新技術(shù)、新工藝時，必須計算好各工位的循環(huán)時間，各工位的循環(huán)時間總和應(yīng)小于等于生產(chǎn)節(jié)拍[4]。以機器人壓裝5個碗型塞為例，壓裝需設(shè)輸送、抓取、涂膠、檢測、壓裝、放料、輔助7個工位，各個工位循環(huán)時間分別為5、5、15、15、20、5、10 s。

每件氣缸蓋碗型塞壓裝總時間為75 s，大于生產(chǎn)線40 s/件的額定生產(chǎn)節(jié)拍。因此，為滿足生產(chǎn)線節(jié)拍要求，選擇2個機器人進行壓裝。

2 碗型塞壓裝系統(tǒng)仿真設(shè)計

2.1 夾具設(shè)計

在壓裝碗型塞的過程中需采用夾具固定氣缸蓋，并使氣缸蓋具有正確的姿態(tài)和位置。為滿足碗型塞壓裝工序各工位的作業(yè)要求，設(shè)計新夾具，新夾具模型如圖1所示。

圖1 夾具模型

夾具設(shè)計為“一面兩銷”定位：“一面”為氣缸蓋下平面；“兩銷”為氣缸蓋定位銷孔，一個圓銷，一個菱形銷。夾具采用氣缸帶動卡板，夾緊氣缸蓋上平面，限制氣缸蓋6個自由度，滿足氣缸蓋各工位作業(yè)要求。

2.2 輸送輥道設(shè)計

輸送輥道模型如圖2所示。氣缸蓋沿輥道從左到右依次輸送，利用擋料氣缸對氣缸蓋進行預(yù)定位，在輥道上設(shè)計頂升裝置，將氣缸蓋升高，便于機器人夾具精準(zhǔn)夾持氣缸蓋，且不與輥道產(chǎn)生干涉。當(dāng)碗型塞壓裝完畢后，將氣缸蓋放入第二個頂升機構(gòu)，氣缸蓋下落，輥道自動將其輸送到下一道工序。

圖2 輸送輥道模型

2.3 壓裝機構(gòu)設(shè)計

碗型塞壓裝機構(gòu)模型如圖3所示。壓裝碗型塞時，氣缸蓋需與電缸壓頭保持垂直，當(dāng)機器人手臂不能承受電缸壓力時，需設(shè)計夾具支撐裝置，抵消機器人手臂所受的電缸壓力。在夾具支撐裝置上設(shè)置2個氣檢孔，既可檢測機器人夾具是否緊靠夾具支撐裝置，又可判斷夾具在此位置時，氣缸蓋是否與電缸壓頭垂直。因氣缸蓋上碗型塞種類不同，以壓裝5種碗型塞為例，選用5種壓軸，由伺服滑臺驅(qū)動。當(dāng)壓裝相應(yīng)的碗型塞時，機器人夾持氣缸蓋，將相應(yīng)的碗型塞底孔對準(zhǔn)電缸壓頭，伺服滑臺驅(qū)動相應(yīng)的碗型塞壓軸對準(zhǔn)電缸壓頭，電缸壓頭伸出驅(qū)動碗型塞壓軸，將碗型塞壓入氣缸蓋碗型塞底孔中，同理依次壓裝其余4個碗型塞。

a) 側(cè)面 b) 氣檢塊 c) 正面圖3 壓裝機構(gòu)模型

2.4 碗型塞壓裝工藝總體布局

根據(jù)生產(chǎn)線現(xiàn)場實際情況，測量實際可利用的場地面積，進行碗形塞壓裝系統(tǒng)總體布局設(shè)計。系統(tǒng)仿真設(shè)計采用FANUC公司的Roboguide軟件，機器人、防護欄、配電柜等由Roboguide模型庫提供，利用SolidWorks軟件建立壓裝機構(gòu)、夾具等的模型，然后導(dǎo)入Roboguide軟件中，完成機器人壓裝碗型塞工藝布局仿真[5-6]，如圖4所示。

圖4 機器人壓裝碗型塞工藝布局

3 碗型塞壓裝工藝流程

碗型塞壓裝工序分8個工位，根據(jù)流水線生產(chǎn)節(jié)拍需求由2個機器人完成。

3.1 上料工位

上料工位將連續(xù)到來的氣缸蓋依次輸送到下一工位 ，同時檢測識別氣缸蓋姿態(tài)、掃描氣缸蓋二維碼，自動切換相應(yīng)壓裝程序。該工位詳細流程為：氣缸蓋沿輥道輸送到該工位→擋料氣缸擋料→讀取氣缸蓋二維碼信息并傳遞給可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)[7]及工控機→若下工位無料則擋料氣缸放料→氣缸蓋輸送到下一工位。

3.2 涂膠一工位

涂膠一工位負責(zé)完成對氣缸蓋碗型塞孔的涂膠并檢測涂膠效果。該工位詳細流程為：氣缸蓋到達→頂升裝置抬起氣缸蓋→機器人夾持涂膠器對氣缸蓋上平面、右側(cè)面和左側(cè)面上的碗型塞孔進行涂膠→影像傳感器檢測涂膠效果→頂升裝置落下→擋料氣缸放料→氣缸蓋輸送到下一工位。

3.3 翻轉(zhuǎn)涂膠二工位

翻轉(zhuǎn)涂膠二工位負責(zé)完成缸蓋剩余碗型塞孔的涂膠并檢測。該工位詳細流程為：擋料器擋料→輥道將缸蓋輸送到本工位→翻轉(zhuǎn)裝置向下→翻轉(zhuǎn)夾緊裝置將氣缸蓋夾緊→翻轉(zhuǎn)裝置向上→機器人夾持氣缸蓋對剩余碗型塞孔進行涂膠→影像傳感器檢測涂膠效果→翻轉(zhuǎn)裝置向下，將氣缸蓋放置于輥道上→擋料氣缸放料→輥道將氣缸蓋輸送到下一工位。

3.4 空工位

空工位負責(zé)完成缸蓋的暫存，在涂膠工位和壓裝工位間起銜接作用，涂膠工位完成后，將氣缸蓋放置于空工位，壓裝工位機器人將氣缸蓋從空工位抓起。

3.5 抓料工位

抓料工位的主要工作是頂起氣缸蓋，機器人抓取氣缸蓋。該工位詳細流程為：擋料氣缸擋料→機動輥道將缸蓋輸送到本工位→頂升裝置抬起氣缸蓋→機器人抓取氣缸蓋。

3.6 碗型塞壓裝工位：

碗型塞壓裝工位完成氣缸蓋碗型塞的壓裝。該工位詳細流程為：機器人夾持氣缸蓋移位到壓裝工位→氣缸蓋底面靠上夾具支撐塊→壓軸向前壓裝上平面上的碗型塞→壓軸退回→機器人夾持氣缸蓋回轉(zhuǎn)→氣缸蓋右側(cè)面靠上夾具支撐塊→壓軸向前壓裝左側(cè)面上的碗型塞→壓軸退回→機器人夾持氣缸蓋移位到下一工位。

3.7 機器人放料工位

機器人放料工位完成裝配好的氣缸蓋下料，與下一工序?qū)?。該工位詳細流程為：抬起裝置向上抬起→機器人夾持氣缸蓋移位到本工位→將氣缸蓋放到抬起裝置上→機器人夾具松開→機器人移出→抬起裝置下降，氣缸蓋落到機動輥道上→擋料器落下，機動輥道將氣缸蓋輸送到下一工位。

3.8 下料工位

下料工位將上一工位輸送來的氣缸蓋依次釋放到下一設(shè)備。

4 仿真驗證

4.1 機器人壓裝碗型塞系統(tǒng)仿真I/O信號

在實際的碗型塞壓裝系統(tǒng)中，以PLC為控制單元，采用Profinet現(xiàn)場總線，將PLC與機器人、輥道、壓裝機構(gòu)等設(shè)備連接，建立各設(shè)備間的通信。在仿真系統(tǒng)中，利用HandlingPRO模塊與機器人系統(tǒng)進行信號交互，代替了PLC的功能，實現(xiàn)整個機器人壓裝碗型塞系統(tǒng)的仿真[8-9]。機器人碗型塞壓裝系統(tǒng)部分仿真I/O信號如表1所示。

表1 機器人碗型塞壓裝系統(tǒng)部分仿真I/O信號

4.2 離線編程

在機器人壓裝碗型塞仿真系統(tǒng)設(shè)計完成后，根據(jù)工藝流程，利用Roboguide軟件進行離線編程，并示教目標(biāo)點，機器人離線程序包括1個主程序和4個子程序，子程序完成抓取、涂膠、壓裝、放料等4個工位動作，主程序?qū)?個子程序串聯(lián)起來，完成機器人碗型塞壓裝整個工序動作。機器人壓碗型塞程序流程圖如圖5所示。

圖5 機器人壓碗型塞程序流程圖

4.3 驗證

根據(jù)編好的程序進行仿真，可以分析壓裝過程中各設(shè)備是否相互干涉，程序節(jié)拍是否滿足生產(chǎn)線額定節(jié)拍，并針對問題點進行優(yōu)化改進[10]。

仿真結(jié)果表明，設(shè)備安裝滿足場地要求，壓裝過程中未出現(xiàn)干涉點，生產(chǎn)節(jié)拍為36 s/件，滿足生產(chǎn)要求。

按照仿真設(shè)計，進行設(shè)備制作、安裝、調(diào)試，經(jīng)實際工藝驗證，壓裝碗型塞設(shè)備滿足設(shè)計要求和現(xiàn)場實際生產(chǎn)要求。

5 結(jié)語

采用計算機虛擬仿真技術(shù)設(shè)計了機器人壓裝碗型塞設(shè)備，開發(fā)了機器人壓裝碗型塞的新工藝。著重對設(shè)備模型的創(chuàng)建與布局、設(shè)備之間的通信、機器人離線編程進行模擬仿真，實現(xiàn)了機器人壓裝碗型塞系統(tǒng)的仿真運行。仿真結(jié)果表明：設(shè)備安裝滿足場地要求，壓裝過程中未出現(xiàn)干涉點，生產(chǎn)節(jié)拍為36 s/件，滿足生產(chǎn)要求。

利用計算機虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建機器人壓裝碗型塞系統(tǒng)，驗證機器人應(yīng)用在氣缸蓋生產(chǎn)線上的可行性，并有效預(yù)見潛在失效模式，降低投資風(fēng)險。