特斯拉雨刮器OC閥體自動(dòng)組裝&測(cè)試機(jī)的研發(fā)

洪五貴， 洪隆彪

（江蘇帝浦拓普智能裝備有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 引言

隨著新能源汽車的興起，其中尤其以特斯拉汽車為代表，銷量節(jié)節(jié)攀升，其中特斯拉雨刮器閥體需求也隨著增加，目前特斯拉雨刮器閥體因零部件較多（如圖1），組裝工藝繁瑣，組裝精度高，閥體水形角度種類多，功能測(cè)試工藝復(fù)雜。目前還是采用人工作業(yè)的方式，需要消耗大量的人力物力，且人工勞動(dòng)強(qiáng)度高，工作量大，不良率高，閥體規(guī)格種類繁多，切換料號(hào)生產(chǎn)頻繁，人工組裝已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)需求。為了解決以上問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了一臺(tái)雨刮器OC閥體自動(dòng)組裝&測(cè)試機(jī)。

1 雨刮器OC閥體自動(dòng)組裝&測(cè)試機(jī)的特點(diǎn)

1）效率高。經(jīng)實(shí)踐證明設(shè)備UPH≥450，而人工UPH只有150，效率提升3倍。2）通用性強(qiáng)。該設(shè)備可存儲(chǔ)多種產(chǎn)品規(guī)格的生產(chǎn)程序，在幾分鐘內(nèi)就可以切換不同規(guī)格的產(chǎn)品生產(chǎn)，根據(jù)客戶訂單需求，程序一鍵切換即可。3）自動(dòng)化程度高。該設(shè)備只需人工更換閥體托盤(pán)，添加供料盤(pán)物料，其它組裝與測(cè)試動(dòng)作由設(shè)備自動(dòng)完成。4）泛用性強(qiáng)。對(duì)于不同尺寸、外形的閥體，只要更換定位仿形基座，調(diào)整伺服系統(tǒng)與六軸機(jī)械手的參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)不同尺寸和不同外形的閥體組裝與功能測(cè)試。

2 雨刮器OC閥體自動(dòng)組裝&測(cè)試機(jī)整體結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 雨刮器OC閥體自動(dòng)組裝&測(cè)試機(jī)整體結(jié)構(gòu)

雨刮器OC閥體自動(dòng)組裝&測(cè)試機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 OC閥體自動(dòng)組裝機(jī)整體結(jié)構(gòu)

2.2 雨刮器OC閥體自動(dòng)組裝&測(cè)試機(jī)工作原理

1）人工將擺滿待組裝閥體的托盤(pán)，放入上下料模組1中，同步人工從上下料模組1取出，擺滿組裝測(cè)試完成產(chǎn)品的托盤(pán)。待組裝閥體的托盤(pán)，通過(guò)上下料模組1中升降機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)至橫移機(jī)構(gòu)處，與底下一層Tray盤(pán)實(shí)現(xiàn)分離，橫移機(jī)構(gòu)對(duì)Tray盤(pán)二次定位后，移動(dòng)到上下料位置，上下料模組1中XYZ搬運(yùn)模組夾取Tray盤(pán)內(nèi)閥體搬運(yùn)至回流線上的載具2內(nèi)，同時(shí)XYZ搬運(yùn)模組3從載具2內(nèi)夾取成品后，返回到上下料位置，把成品放到空的托盤(pán)內(nèi)，裝好閥體的載具2流出。

2）載具2由回流線模組3帶到硅膠動(dòng)塞組裝模組5工站處，載具二次定位打開(kāi)，對(duì)載具2精定位，載具內(nèi)閥體負(fù)壓吸附打開(kāi)（硅膠動(dòng)塞組裝完成后，保持中心位置不會(huì)發(fā)生變化），上相機(jī)Z方向視覺(jué)檢測(cè)閥體組裝內(nèi)徑中心，反饋給XYZ搬運(yùn)模組，硅膠動(dòng)塞由振動(dòng)盤(pán)供料，分離并錯(cuò)位定位，硅膠動(dòng)塞組裝模組5中的XYZ搬運(yùn)模組負(fù)壓吸取硅膠動(dòng)塞，運(yùn)動(dòng)至下相機(jī)檢測(cè)工位。Z方向視覺(jué)檢測(cè)硅膠動(dòng)塞外徑中心，后計(jì)算引導(dǎo)與閥體組裝，XYZ搬運(yùn)模組完成動(dòng)作后，返回硅膠動(dòng)塞吸取位等待下一次動(dòng)作，裝好硅膠動(dòng)塞的載具2流出。

3）載具2由回流線模組3帶入彈簧&動(dòng)塞蓋組裝模組7工站處，載具二次定位打開(kāi)，對(duì)載具2精定位，載具內(nèi)閥體負(fù)壓吸附一直保持，保證硅膠動(dòng)塞組裝完成后，保持中心位置在載具2移動(dòng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生變化。上相機(jī)Z方向視覺(jué)檢測(cè)載具2內(nèi)閥體組裝內(nèi)徑中心，彈簧由振動(dòng)盤(pán)供料，分離并錯(cuò)位定位，動(dòng)塞蓋由振動(dòng)盤(pán)供料，分離并錯(cuò)位定位，彈簧&動(dòng)塞蓋組裝模組7中XYZR搬運(yùn)模組附帶相機(jī)Z方向視覺(jué)檢測(cè)動(dòng)塞蓋上方排水孔位置大小，負(fù)壓吸取動(dòng)塞蓋，R軸計(jì)算旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)至彈簧組裝位，與彈簧預(yù)組裝后，彈簧&動(dòng)塞蓋組裝模組7中XYZR搬運(yùn)模組運(yùn)動(dòng)至下相機(jī)檢測(cè)工位，Z方向視覺(jué)檢測(cè)彈簧直徑、中心位置后，引導(dǎo)與閥體本體組裝，完成組裝后，XYZR搬運(yùn)模組返回動(dòng)塞蓋吸取位等待下一次動(dòng)作，裝好彈簧&動(dòng)塞蓋的載具2流出。

4）載具2由回流線模組3帶入3D掃描模組8工站處，載具二次定位打開(kāi)，對(duì)載具2精定位，3D掃描模組8中的X橫移軸攜帶3D線激光掃描檢測(cè)動(dòng)塞蓋與閥體基準(zhǔn)面段差值，系統(tǒng)記錄量測(cè)數(shù)據(jù)，3D掃描完成的載具2流出。

5）載具2由回流線模組3帶入氣密性測(cè)試模組9工站處，載具二次定位打開(kāi)，對(duì)載具2精定位，帶入氣密性測(cè)試模組9中的測(cè)試機(jī)構(gòu)分別使用4組不同定制硅膠堵頭對(duì)N1/N1/N5噴嘴孔與N3/N4噴水孔進(jìn)行密封，充氣機(jī)構(gòu)對(duì)閥體持續(xù)注入空氣，斷開(kāi)，測(cè)試閥體密封值是否有變化，系統(tǒng)記錄量測(cè)數(shù)據(jù)，完成氣密性測(cè)試的載具2流出。

6）載具2由回流線模組3帶入NG排除模組11工站處，載具二次定位打開(kāi)，對(duì)載具2精定位，搬運(yùn)機(jī)構(gòu)對(duì)3D掃描數(shù)據(jù)NG、氣密性測(cè)試NG等不良品，分類放入不良收納盒，完成NG排除的載具2流出。

7）載具2由回流線模組3帶入N5噴嘴插入模組13工站處，載具二次定位打開(kāi)，對(duì)載具2精定位，噴嘴由振動(dòng)盤(pán)供料，分離并錯(cuò)位定位后，機(jī)械手負(fù)壓吸取噴嘴后，放置到插入基座定位PIN孔內(nèi)，磁力吸附，噴嘴由氣缸鉚入到閥體內(nèi)，然后由機(jī)械手調(diào)整N5水形角度，組裝好N5噴嘴的載具2流出。

8）載具2由回流線模組3帶入N1噴嘴插入模組12工站處，載具二次定位打開(kāi)，對(duì)載具2精定位，噴嘴由振動(dòng)盤(pán)供料，分離并錯(cuò)位定位，機(jī)械手負(fù)壓吸取噴嘴后，放置到插入基座定位PIN孔內(nèi)，磁力吸附，噴嘴由氣缸鉚入到閥體內(nèi)，然后由機(jī)械手調(diào)整N1水形角度，組裝好N1噴嘴的載具2流出。

9）載具2由回流線模組3帶入N2噴嘴插入模組10工站處，載具二次定位打開(kāi)，對(duì)載具2精定位，噴嘴由振動(dòng)盤(pán)供料，分離并錯(cuò)位定位，機(jī)械手負(fù)壓吸取噴嘴后，放置到插入基座定位PIN孔內(nèi)，磁力吸附，噴嘴由氣缸鉚入到閥體內(nèi)，然后由機(jī)械手調(diào)整N2水形角度，組裝好N2噴嘴的載具2流出。

10）載具2由回流線模組3帶入開(kāi)閉壓測(cè)試模組6工站處，載具二次定位打開(kāi)，對(duì)載具2精定位，開(kāi)閉壓測(cè)試模組6中的搬運(yùn)機(jī)構(gòu)夾取載具2內(nèi)閥體放置到水箱仿形基座內(nèi)，閥體二次定位，充水機(jī)構(gòu)對(duì)閥體持續(xù)注入0.08～0.20 MPa純凈水，測(cè)試閥體開(kāi)啟壓力與關(guān)閉壓力，測(cè)試完成后，不良品放入不良品盒，良品放回載具2內(nèi)，完成開(kāi)閉壓測(cè)試的載具2流出。

11）載具2由回流線模組3帶入水形測(cè)試模組4工站處，載具二次定位打開(kāi)，對(duì)載具2精定位，水形測(cè)試模組4中的搬運(yùn)機(jī)構(gòu)夾取載具2內(nèi)閥體放置到水箱仿形基座內(nèi)，閥體二次定位，注水機(jī)構(gòu)對(duì)閥體持續(xù)注入0.2 MPa純凈水。N1/N5水平與垂直背光源打開(kāi)，視覺(jué)檢測(cè)計(jì)算N1/N5水平與垂直水形角度，N2水平與垂直背光源打開(kāi)，視覺(jué)檢測(cè)計(jì)算N2水平與垂直水形角度，同步N3/N4噴水孔噴水至擺錘底部，槽型光電檢測(cè)擺錘擺動(dòng)，N3/N4噴水孔是否貫穿，注水機(jī)構(gòu)返回。測(cè)試完成后，不良品放入不良品盒，良品放回載具2內(nèi)，完成水形測(cè)試的載具2流出到Tray盤(pán)上下位置，等待新的動(dòng)作循環(huán)。

2.3 雨刮器OC閥體自動(dòng)組裝&測(cè)試機(jī)核心噴嘴插入模組主體結(jié)構(gòu)

此機(jī)的核心是噴嘴插入模組，因閥體設(shè)計(jì)要求，噴嘴在閥體內(nèi)保持一定的保持力，所以插入時(shí)要破壞閥體本身，要求插入閥體的力量大于180 N。且不同規(guī)格的閥體噴嘴與閥體的角度是不同的，角度種類很多，每款閥體的角度都是噴嘴閥體孔芯為球心，在30°的球面內(nèi)，在角度調(diào)整完成前，插入仿形吸嘴不可以脫離噴嘴，防止噴嘴角度發(fā)生偏移。角度調(diào)整時(shí)，如果用線性模組來(lái)完成，則機(jī)構(gòu)龐大且非常復(fù)雜，開(kāi)發(fā)成本高，如使用負(fù)載20 kg以上的六軸機(jī)械手，則外形龐大，占用設(shè)備運(yùn)動(dòng)空間多，價(jià)格昂貴，不適合雨刮器組裝線體。所以需要開(kāi)發(fā)一套合適的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)此動(dòng)作。

設(shè)計(jì)一套插入力200 N的機(jī)構(gòu)來(lái)完成噴嘴插入動(dòng)作，機(jī)構(gòu)基準(zhǔn)面上設(shè)計(jì)有2個(gè)φ12 mm 的定位PIN孔，限制前后左右方向的偏擺，基準(zhǔn)面兩側(cè)各安裝一款吸附力為78.4 N的電磁鐵，限位上下方向的偏擺，然后用4 kg六軸機(jī)械手附帶的壓力保持氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)噴嘴插入閥體，4 kg六軸機(jī)械手來(lái)完成每款閥體的角度調(diào)整都是噴嘴以閥體孔芯為球心在30°的球面內(nèi)的水形角度調(diào)整。

噴嘴插入模組主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4 雨刮器OC閥體自動(dòng)組裝&測(cè)試機(jī)主要核心噴嘴插入模組動(dòng)作

1）噴嘴整列供料。噴嘴整列供料動(dòng)作如圖3所示，人工將噴嘴倒入振動(dòng)盤(pán)，供料盤(pán)工作，電磁鐵控制器按照設(shè)定頻率（頻率可調(diào)）提供給電磁鐵脈沖電流，使得彈簧鋼板產(chǎn)生周期性的斜向上的振動(dòng)力，從而引起料斗圍繞其垂直軸做扭擺振動(dòng)。噴嘴沿料斗內(nèi)的螺旋軌道運(yùn)動(dòng)，按照設(shè)計(jì)姿態(tài)整列出料到噴嘴吸取位10。

圖3 噴嘴插入模組主體結(jié)構(gòu)

2）取噴嘴。六軸機(jī)械手9將仿形吸嘴模塊1移動(dòng)至噴嘴吸取位10，仿形吸嘴模塊1負(fù)壓打開(kāi)，吸取噴嘴。

3）插入噴嘴。插入基座7向上頂升至插入位，六軸機(jī)械手9將仿形吸嘴模塊1放到基準(zhǔn)面3定位PIN孔中，電磁鐵5磁力吸附，插入氣缸6頂出，噴嘴插入閥體。

4）噴嘴角度調(diào)整。噴嘴鉚入閥體后，壓力保持氣缸2打開(kāi)，插入氣缸6退回，電磁鐵5磁力關(guān)閉，插入基座7向下退回，六軸機(jī)械手9調(diào)整水形角度后，壓力保持氣缸2退回，六軸機(jī)械手9返回安全位。

2.5 核心模組噴嘴中插入氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算舉例

已知噴嘴鉚入閥體實(shí)際需要的推力F1要大于180 N，噴嘴才能刺入閥體塑膠本體。客戶端空壓機(jī)工作壓力P是0.3～0.5 MPa，插入速度必須小于80 mm/s。使用環(huán)境為普通電子車間。

選擇氣缸類型時(shí)，因考慮空間、安裝和成本，初選氣缸為自由安裝氣缸CDU型，缸徑D為32 mm。為防止活塞和缸蓋相碰，氣缸行程選取20 mm。客戶端空壓機(jī)工作壓力P設(shè)定為0.4 MPa。

表1 負(fù)載率η選取參考表%

得出：F2=0.65×3.14÷4×16×16×0.4≈209 N。

氣缸選擇核定：實(shí)際需要推力＜?xì)飧椎睦碚撏屏Γ碏1＜F2，得出180 N＜209 N，所以氣缸缸徑φ32 mm滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)備解決了批量多角度產(chǎn)品種類的自動(dòng)化需求,PLC存儲(chǔ)多種零部件的選料程序，在幾分鐘內(nèi)就可切換不同規(guī)格產(chǎn)品種類生產(chǎn)，現(xiàn)公司原型機(jī)已導(dǎo)入特斯拉新能源汽車生產(chǎn)線中，已批量生產(chǎn)4臺(tái)，產(chǎn)值達(dá)到2000多萬(wàn)元，其中核心技術(shù)已申請(qǐng)專利保護(hù)，例如“一種雨刮器組裝設(shè)備”（專利號(hào)ZL 2021 1 0708743.4）、“一種角度可調(diào)節(jié)的噴嘴鉚壓機(jī)構(gòu)”（ZL 2021 1 0598994.1）等兩項(xiàng)發(fā)明專利已經(jīng)在公示中。目前客戶使用，反饋效果良好，有著良好的市場(chǎng)前景。