面向臺(tái)車上料的柔性激光定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹 偉，項(xiàng)余建，耿永秀，詹俊勇

（揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引言

沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線在汽車、家電、新能源等行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在沖壓生產(chǎn)中，僅有不足20%的時(shí)間真正用于板料的沖壓，其余時(shí)間則主要用于板料的搬運(yùn)與準(zhǔn)備[1]。上料臺(tái)車位于生產(chǎn)線的首端，擔(dān)負(fù)著上料、運(yùn)輸與垛料定位等任務(wù)。通常，在沖壓產(chǎn)線外，由行車或叉車將垛料放置到臺(tái)車上，因缺少位置標(biāo)定線，每次上料的位置都不一樣，后續(xù)進(jìn)入產(chǎn)線內(nèi)，往往需要人工調(diào)整拆垛機(jī)器人的吸盤位置，甚至更改機(jī)器人的末端位姿程序，降低了生產(chǎn)效率，埋下了安全隱患。為此，本司研發(fā)一種柔性激光定位系統(tǒng)，服務(wù)于臺(tái)車的上料過程。

1 功能布局

上料前，激光定位系統(tǒng)預(yù)先在臺(tái)車平面上投射X、Y 軸向激光標(biāo)定線。叉車或行車上料時(shí)，只需按標(biāo)定線放置垛料即可，如圖1 所示。針對(duì)不同尺寸的垛料，激光標(biāo)線儀可隨同步帶由電機(jī)驅(qū)動(dòng)作直線運(yùn)動(dòng)，尋找合適的位置進(jìn)行標(biāo)定。

圖1 功能布局圖

根據(jù)實(shí)際需求，每輛臺(tái)車配備2 個(gè)激光定位系統(tǒng)，互相垂直擺放。兩激光標(biāo)線儀直線運(yùn)動(dòng)所形成的范圍應(yīng)涵蓋整個(gè)臺(tái)車幅面，滿足所有尺寸料垛的位置標(biāo)定。

2 激光定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

為保證激光標(biāo)線儀能在行程范圍內(nèi)的任意位置停止或移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具備位置反饋和制動(dòng)功能。因此，可以采用“伺服電機(jī)”或“普通制動(dòng)電機(jī)+編碼器”的驅(qū)動(dòng)形式。傳動(dòng)部分采用“同步帶+導(dǎo)軌滑塊”結(jié)構(gòu)，激光標(biāo)線儀分別與同步帶、滑塊固定連接，標(biāo)線儀可由同步帶帶動(dòng)，在導(dǎo)軌上作較光滑地移動(dòng)，摩擦力很小。該結(jié)構(gòu)方案既保證了直線運(yùn)動(dòng)的可靠性，也降低了傳動(dòng)所需的扭矩。

根據(jù)實(shí)際使用情況，對(duì)系統(tǒng)傳動(dòng)功率及扭矩作初步估算。假定激光標(biāo)線儀等運(yùn)動(dòng)件重量m≈8kg，最大運(yùn)行加速度a≈0.3G、最大速度V≈0.2m/s，同步帶輪直徑d≈70mm，導(dǎo)軌滑塊實(shí)際工作時(shí)的摩擦系數(shù)u≈0.15，工況系數(shù)KA≈1.3。則有：

最大傳動(dòng)扭矩T=（mgu+ma）·d/2=1.26（N·m）；

最大傳動(dòng)功率P=KA·F·V=KA·（mgu+ma）·V=9.36（W）。

目前，市場(chǎng)上無論是交流伺服電機(jī)還是普通電機(jī)，功率一般不小于100W，相比于系統(tǒng)所需傳動(dòng)功率，具有較大余量，但可以選用，輕載運(yùn)行。方案比選時(shí)發(fā)現(xiàn)，伺服電機(jī)輸出軸及其徑向承載力較小，剛性較差，與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不匹配，而且還需配置相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器，價(jià)格較高。普通電機(jī)無論結(jié)構(gòu)剛性還是價(jià)格均有較大優(yōu)勢(shì)。故綜合考慮，選用“普通制動(dòng)電機(jī)+編碼器”的驅(qū)動(dòng)方式。系統(tǒng)方案如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)方案圖

主控臺(tái)（PLC）通過控制電源柜，實(shí)現(xiàn)對(duì)減速電機(jī)、激光標(biāo)線儀和多圈編碼器的分別通、斷電控制。多圈編碼器記錄激光標(biāo)線儀的任意位置參數(shù)，并由特定的通訊協(xié)議傳輸?shù)街骺嘏_(tái)（PLC）。針對(duì)不同尺寸的垛料，可預(yù)先分別為其尋找到合適的標(biāo)定位置，并通過編碼器記錄反饋給PLC 模塊，程序中，電機(jī)通斷點(diǎn)與對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)形成互鎖。后期，以上任何尺寸的垛料上料時(shí)，只需調(diào)用與該垛料匹配的程序參數(shù)即可。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由主體機(jī)架、減速電機(jī)、同步帶、直線導(dǎo)軌、多圈編碼器和激光標(biāo)線儀等組成，如圖3 所示。同步帶輪1 與減速電機(jī)輸出軸聯(lián)接，同步帶輪2置于傳動(dòng)鏈末端，末端位置可調(diào)并設(shè)有漲緊結(jié)構(gòu)。在帶輪1 與帶輪2 之間設(shè)置漲緊輪，避免同步帶過度下垂而影響傳動(dòng)。編碼器通過聯(lián)軸器與末端帶輪軸聯(lián)接，保證位置記錄的可靠性。激光標(biāo)線儀通過安裝板與滑塊、同步帶固定連接，降低移動(dòng)時(shí)的阻力。除此，在直線導(dǎo)軌兩側(cè)設(shè)有限位裝置，避免因意外而造成標(biāo)線儀飛出、損壞。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、可靠，能夠滿足實(shí)際使用。

圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 結(jié)語

目前，針對(duì)沖壓生產(chǎn)線首端的臺(tái)車上料，激光定位系統(tǒng)的使用并不廣泛。本產(chǎn)品是基于實(shí)際的項(xiàng)目需求而設(shè)計(jì)，以期提高生產(chǎn)線的效率與安全性。文章從整體功能布局、系統(tǒng)方案與驅(qū)動(dòng)選擇、詳細(xì)結(jié)構(gòu)等方面論述了激光定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及使用，為行業(yè)發(fā)展提供借鑒和參考。