汽車輪轂加工和氣密性檢測工作站的設計

□ 許國強

運城職業技術大學 機電工程系 山西運城 044000

1 設計背景

隨著乘用車的不斷普及,乘用車輪轂的需求不斷增加。輪轂是支撐車身、承擔載荷的主要部件,市場對輪轂形狀、性能等提出了較高的要求。鋁合金輪轂以輕量化、散熱性能好、易加工、易造型等優勢越來越受到消費者的認可,市場占有率達到乘用車輪轂總量的80%以上。汽車輪轂生產企業作為汽車制造企業的零部件供應商,需要對不同種類、不同尺寸、不同規格的輪轂進行加工和生產。如何提高生產效率,節約生產成本,是鋁合金輪轂生產企業所面臨的問題。通過分析現有的鋁合金輪轂制造技術,發現多數企業的輪轂生產工序基本相同,主要包括熔煉、鑄造、X射線探傷、打磨、熱處理、機械加工、氣密性檢測、涂裝等。各生產工序之間通過輪轂輥筒輸送線進行串聯,以增強生產環節間的聯系。在輪轂機械加工和氣密性檢測工序中,輪轂上下料的過程通過人工完成,不僅生產工序之間脫節,生產效率較低,而且人工作業容易產生疲勞,人工多次搬運容易造成輪轂的二次損傷,提高產品的次品率[1]。

工作站虛擬仿真和數字孿生技術的應用,能夠提高數據管理和工藝規劃能力,實現仿真驗證與離線編程,同時能夠有效降低企業設備的過度投入風險。通過SolidWorks軟件對輪轂專用夾具、數控機床、加工中心等進行建模,利用工業機器人仿真軟件的虛擬控制技術將所創建的三維模型導入RobotStudio軟件,完成整個工作站的空間布局。建立輸送鏈、數控機床、加工中心、氣密性檢測裝置等組件,完成對應的屬性連接和信號連接,并完成工業機器人Rapid程序的設計與同步,對工作站進行仿真和調試。通過工具坐標跟蹤、碰撞監測等功能,對工業機器人的運動軌跡進行優化,通過RobotStudio軟件中的信號監控器,對工業機器人的總功耗、電機功率、工業機器人末端運行速度等參數進行實時監控。進一步分析對應參數曲線,可以識別出工業機器人工作過程中的異常,從而追溯造成異常的Rapid程序,進行修改。通過設計,不僅提高了整個工作站的工藝水平,而且縮短了工作站的現場調試時間,提高了生產效率[2]。

2 工作站布局

對鋁合金汽車輪轂機械加工和氣密性檢測兩個生產工序進行研究。這兩個相鄰工序具有相同的工作邏輯,以上下料動作為主。通過工業機器人來代替人工實現生產過程的自動化,對這兩個工序進行整合,完成輪轂加工和氣密性檢測工作站的創建。工作站空間布局如圖1所示。這一工作站以六軸工業機器人為核心,按照生產工序布置立式數控車床、加工中心、輪轂氣密性檢測裝置,分別對鋁合金汽車輪轂進行粗加工、精加工、氣密性檢測,實現一工位、多工序的加工原則,優化生產節拍,減少設備投入,進而提高設備的柔性制造能力[3]。

▲圖1 工作站空間布局

鋁合金汽車輪轂的質量為5 kg～16 kg,考慮輪轂夾具的質量,選擇承載能力可以達到40 kg的IRB4600型工業機器人來實現數控機床與氣密性檢測工作站的上下料功能。為了增大工業機器人的活動范圍,將工業機器人安裝在最大行程為4 m的IRBT4004型導軌上。選用W系列立式車床對鋁合金汽車輪轂進行粗加工,完成主要表面和精加工基準面的加工。選用18系列加工中心進行精加工,完成螺栓孔、氣門孔、加工帽口、輪轂正面的加工。選用SUP_LQM_0.8型輪轂氣密性檢測裝置,對精加工后的鋁合金汽車輪轂進行0.8 MPa壓力測試。

3 仿真系統

在這一工作站中,以工業機器人多次上下料的工序來實現加工與檢測工藝之間的連接,這就需要通過SolidWorks軟件對汽車輪轂的上下料專用夾具進行重新設計。專用夾具結構如圖2所示。

▲圖2 專用夾具結構

將專用夾具模型導入RobotStudio軟件,通過創建機械裝置,完成氣缸與夾爪動作連接、接點、依賴性的設置。在創建專用夾具時,完成質量、質心、轉動慣量的設定[4]。將工業機器人第六軸的法蘭盤與專用夾具的法蘭盤進行連接。為了便于工業機器人同時完成上下料動作,在法蘭盤的末端配置兩套夾具。每套夾具都配有兩個氣缸,四個夾爪同步運動,完成汽車輪轂夾取的動作。專用夾具包括氣缸、電磁閥、機械部件、位置傳感器等部件。考慮到汽車輪轂在加工之前需要進行中心定位的要求,專用夾具具備自定心和自動夾緊的功能。

汽車輪轂加工和氣密性檢測工作站的工作流程如圖3所示。啟動之前,數控機床、加工中心、氣密性檢測裝置都處于復位狀態,輸送鏈處于停止狀態。輸送鏈將熱處理后的毛坯傳送至工業機器人的取料位置,位置傳感器檢測到位信號,工業機器人抓取毛坯并將其送至數控機床位置,數控機床門打開,進行上料。在粗加工過程中,工業機器人再次完成毛坯取料。粗加工完成,數控機床門打開,工業機器人先完成下料,變換夾具位置之后,再完成上料。工業機器人將粗加工完成的半成品送至加工中心位置,并完成上料動作,然后回到取料位置完成第三次毛坯抓取,運動至數控機床加工位置,等待粗加工完成。工業機器人第三次完成下上料動作,并運動至加工中心位置,等待精加工完成。取出汽車輪轂成品,工業機器人第二次完成加工中心上料。工業機器人運動至氣密性檢測裝置位置,判斷該裝置處于自動狀態,完成氣密性檢測上料,并進行氣密性檢測。工業機器人第四次完成毛坯抓取,并依次完成數控機床、加工中心、氣密性檢測裝置的上下料動作。工業機器人根據氣密性檢測結果對汽車輪轂進行分類,分別放入次品輸送鏈或正品輸送鏈,至此完成汽車輪轂的整個加工與檢測過程[5]。

4 工作站組件設計

在實際工作站中,S7-1200 可編程序控制器是數據處理中心,完成數據的采集、處理、發送功能。工業機器人、數控機床、加工中心、氣密性檢測裝置、輸送鏈等設備通過各種通信總線與可編程序控制器進行通信。在RobotStudio軟件中,可以對所設計的工作站進行仿真。RobotStudio軟件的組件模擬可編程序控制器功能,完成與各外部設備的數據交換,實現位置傳感器檢測、工業機器人抓取、機床加工、加工中心加工、氣密性檢測等動作的仿真。在整個工作站的仿真過程中,以工業機器人上下料動作為核心完成數控機床、加工中心、氣密性檢測裝置的上料和下料[6]。對工業機器人夾具和數控機床的組件進行分析,實現工業機器人夾具的動態效果,需要創建夾具組件。分別在兩個夾具末端中心的位置添加線性傳感器,通過安裝和拆除組件,完成汽車輪轂的抓取與放置動作。

▲圖3 工作站工作流程

實現數控機床的動態仿真,需要創建數控機床組件。將數控機床門、主軸進給動作通過位置移動組件來實現,機床法蘭的旋轉動作通過旋轉組件進行設置,在法蘭中心通過位置傳感器檢測汽車輪轂到位信號,通過安裝與拆除組件,完成汽車輪轂在法蘭上的安裝與拆除動作。添加數控加工啟動信號、汽車輪轂安裝到位信號、法蘭旋轉信號、加工完成信號,添加各信號與組件間的信號連接,實現數控機床的動態效果。

5 工作站仿真邏輯

汽車輪轂加工和氣密性檢測工作站包括上料機、夾具、數控機床、加工中心、氣密性檢測裝置、下料機、工業機器人七個基本組件。在完成基本組件的創建和輸入、輸出信號連接后,通過連接各基本組件,設置工作站信號和連接等,來設計仿真邏輯[7]。

在工作站仿真運行過程中,工業機器人通過輸入、輸出信號與各組件進行通信。工作站通過位置傳感器檢測汽車輪轂到位信號,通知工業機器人運動至上料機位置,輸出抓取信號,完成抓取動作。工業機器人運動至數控機床位置,接收到數控機床門打開信號,工業機器人完成毛坯的安裝,抓取半成品,并輸出數控機床門關閉信號。工業機器人運動至加工中心位置,接收到加工中心門打開信號,工業機器人完成半成品的安裝,抓取汽車輪轂成品,并輸出加工中心門關閉信號。工業機器人運動至氣密性檢測裝置位置,接收到氣密性檢測裝置夾具松開信號,完成汽車輪轂成品的安裝,并輸出氣密性檢測裝置夾具夾緊信號。檢測完成后,工業機器人將汽車輪轂成品放入下料機,輸出汽車輪轂成品到位信號,汽車輪轂成品送至涂裝單元進行加工[8]。工作站的仿真邏輯如圖4所示。

6 系統編程

在完成汽車輪轂加工和氣密性檢測工作站各單元空間布局、組件設計、輸入輸出信號連接后,完成工業機器人程序的編寫,并將其同步至工作站,這樣工作站才能按照生產工序進行模擬加工和檢測。在工業機器人程序中,按照不同的功能來設計各例行程序,包括抓取程序rPick、數控機床上下料程序rCNC1Extract、加工中心上下料程序rCNC2Extract、氣密性檢測上下料程序rCheckExtract、放置程序rPlace。通過主程序調用以上例行程序來完成工業機器人程序的運行,這樣有利于程序的調試和維護。汽車輪轂加工與氣密性檢測工作站工業機器人部分程序如下:

▲圖4 工作站仿真邏輯

PROC main()

rInitall;//初始化設備狀態

WHILE TRUE DO

IFCNC1ATUO=1 AND planesensor1=1 THEN //數控機床處于自動狀態,并且毛坯到位

rPick;取件程序

rCNC1Extract;//數控機床上下料

IF CNC2=1AND CNC1=1THEN

rCNC2Extract;//加工中心上下料

IF CHECK=1 AND CNC2=1 THEN//氣密性檢測處于自動狀態,并且精加工完成

rCheckExtract;//氣密性檢測上下料

IF sensor2 AND CHDONE=1THEN//下料機末端沒有工件,并且檢測完成

rPlace;//調用下料程序

ENDIF

ENDIF

ENDIF

ENDIF

ENDWHILE

ENDPROC

7 工作站仿真優化

在完成了各例行程序的設計之后,需要對汽車輪轂加工和氣密性檢測工作站工作時序進行仿真與優化,主要包括碰撞檢測和信號分析兩方面的內容。在RobotStudio軟件中進行碰撞檢測,啟動工具坐標跟蹤,并將工業機器人末端夾具設置為物體A,數控機床、加工中心、氣密性檢測裝置等設置為物體B。在仿真的過程中,可以記錄工業機器人與外部設備接近丟失和碰撞的目標點。完成對工具坐標路徑的優化,避免現場調試中設備碰撞造成損失,提高設備在線調試的效率。通過信號分析器對工業機器人運行總功率進行分析,在保證生產工藝的前提下,提升工業機器人的作業效率。雖然這一工作站實現了汽車輪轂的多工序加工,但是工業機器人的功能主要集中在汽車輪轂的抓取和安裝。以汽車輪轂的一個精加工周期為研究對象,分析工業機器人在輪轂抓取和安裝過程中的工業機器人末端運行速度和電機總功率,提升工業機器人的作業性能。將工業機器人末端運行速度分別設置為2 00 mm/s和100 mm/s,對應的電機總能量、速度、加速度分別如圖5、圖6所示。在一個生產周期內,工業機器人末端運行速度提高了1 000 mm/s,運行時間由49 s減少為46 s,減少了3 s;電機能量由20 215 J增大至37 869 J,增大了81%,加速度均值由28 507 mm/s2增大至31 447 mm/s2,增大了7%。從以上分析可以看出,適當降低工業機器人末端運行速度,工作站固定生產節拍的運行時間并未出現大幅上升,且電機總功率明顯下降,工業機器人運行更平穩。因此,配置合理的工業機器人末端運行速度,能夠改善伺服電機的使用狀況,提高工業機器人的作業精度,有效降低企業的設備使用成本[10]。

8 結束語

筆者通過研究汽車輪轂的加工工藝,以工業機器人為核心,對汽車輪轂的粗加工、精加工、氣密性檢測工序進行集成,設計了汽車輪轂加工和氣密性檢測工作站。在SolideWorks軟件與RobotStudio軟件中進行建模和工作站空間布局,創建工業機器人、上料機、數控機床、加工中心、氣密性檢測裝置、下料機組件,完成輸入、輸出信號及屬性的連接,示教工業機器人抓取與放置的目標位置,編寫工業機器人Rapid程序,對工作站進行離線仿真。同時結合現場加工要求,進行碰撞檢測和信號分析。通過仿真優化,有效降低工業機器人末端運行速度,提高設備的穩定性,并提高設備的重復定位精度,降低設備的能量消耗。

▲圖5 TCP的速度為2 000 mm/s電機參數▲圖6 TCP的速度為1 000 mm/s電機參數