缸體搬運機器人機械手夾緊故障的分析解決

馬金衛，盧浩鵬，張 鋒，鄭聰聰，郭繼程

（一拖（洛陽）柴油機有限公司，河南洛陽 471004）

0 引言

作為發動機裝配線瓶頸工序的關鍵設備，缸體搬運機器人在作業過程中多次出現機械手夾緊報警故障，發動機在放入人工工作臺時高頻發生磕碰，甚至發動機松脫被懸掛在半空，不僅造成長時間的停線影響生產、損害發動機質量，同時也存在發動機夾緊不牢固造成的空中墜落的安全隱患。

1 故障原因分析

通過現場觀察發現該故障的主要原因應當是機器人在作業過程中，在往梭臺放置時發生干涉，最終形成設備夾緊信號丟失導致的故障報警。在對機器人機械手進行進一步手動操作觀察后，發現該設備的定位與夾緊機構可能存在以下問題：

（1）梭臺夾具四六缸轉換后定位精度差導致的放置干涉。

（2）機器人夾具定位組件磨損導致的抓取位置偏差，產生放置干涉。

（3）機器人夾具夾緊失效導致在機器人運動過程中定位失效，缸體在夾具內發生偏移產生放置干涉。

2 故障原因的排查與處理

2.1 檢查梭臺夾具四六缸轉換機構

利用成產間隙，對梭臺夾具四六缸轉換機構主要零部件進行拆檢，將已發生磨損的定位組件進行更換，恢復四六缸轉換夾具位置精度，保持梭臺夾具穩定。

在梭臺夾具檢修完成后，嘗試抓取一臺六缸發動機。但在抓取放置過程中仍出現了干涉與磕碰現象，因此梭臺夾具問題不是該現象的主要原因。

2.2 檢查機械手夾具定位機構

（1）通過對機械手夾具的拆檢發現該夾具的前端定位孔已發生嚴重磨損，通過測量發現該定位孔上部磨損3.5 mm，在機器人進行抓取的時候也能夠看到發動機前端被明顯帶起，該問題不僅能夠影響發動機放置位置精度，同時也對托盤定位銷機構及機械手夾具的使用壽命產生影響，因此立即重新制作該定位銅套并將定位孔尺寸定在了

（2）利用新制作的定位銅套進行安裝調試。在安裝新制作定位銅套后發現機器人無法抓取發動機，主要問題就出在新制定位銅套上。通過手動驅動機器人進行動作發現新銅套與發動機曲軸部位發生干涉，導致無法抓取。分析應是新銅套與曲軸小頭間隙較小，需要機器人進行精確抓取，因此對機器人進行了姿態微調，以保證抓取位置精度。

（3）在對機器人進行微調之后進行了多臺發動機的抓取工作，發現仍存在無法抓取問題，在綜合考慮設備舉升定位精度及缸體曲孔位置精度等情況后將定位銅套孔加工至Φ50 mm，將抓取成功率提升至100%。

在后續觀察中發現雖然發動機放置干涉問題有所改善，磕碰程度有所降低，但六缸磕碰問題仍十分頻繁，因此考慮主要原因應是機械手夾具夾不緊的問題。

2.3 故障原因分析與改進

（1）對夾具進行夾緊受力分析（圖1）：

圖1 缸體夾取受力分析

夾緊氣缸型號為MDNBB80-450-D-M9BWZ，其內徑為Φ80 mm，壓縮空氣壓力約為0.55 MPa，在不考慮氣缸及其他附件機械效率的情況下估算其夾緊力為：

該夾緊力所產生的靜摩擦力保持發動機不產生滑移，根據夾緊墊塊的材料為黑尼龍，靜摩擦因數μ 為0.2～0.5，計算其靜摩擦力為：

兩個方向合計靜摩擦力約為1000～2500 N，考慮機械效率最優90%折算靜摩擦力最高2250 N。查詢生產的成品缸體重量，四缸缸體為124～144 kg，六缸缸體為158～209 kg，再加上曲軸、軸蓋等其他附件，預估缸體搬運機器人抓取的四缸機型約為164～184 kg、六缸218～269 kg。

根據缸體在搬運過程中的受力分析可知，當缸體被旋轉90°后，六缸缸體所受重力將超越最大靜摩擦力，其穩定性轉而需要靠側部輔助拉緊塊進行加持，拉緊塊本就是橡膠塊組成穩定性差，這也同時印證了現實情況中總是更換拉緊塊后問題有所改善的原因。

由以上分析得出結論，由于夾具設計夾緊力衍生的摩擦力不足導致的六缸機型夾不緊正是目前故障頻發的主要原因，因此考慮通過設備改造來提升靜摩擦力來改善設備。有2 個方案可以考慮實施：①更換夾緊塊材料，通過提升靜摩擦因數μ 來提升靜摩擦力；②提升夾緊力，通過提升壓縮空氣壓力或者更換更大的夾緊氣缸來提升壓力F，進而提升靜摩擦力。比較2 種方案可以看出，方案1 改造簡單快捷，但受材料屬性限制改善空間比較小；方案2 改造需要購置增壓裝置或氣缸，用時長但改善空間較大。綜合考慮先執行方案1，如果受限效果達不到要求再考慮方案2。

通過查詢鑄鐵與其他材料的靜摩擦因數可知鑄鐵與銅的靜摩擦因數能夠達到1.05，超過尼龍的一倍，通過計算可知更換為銅墊塊后的靜摩擦力為：

所以可以將尼龍夾緊墊塊更換為黃銅，經過測繪制作與原有尼龍墊塊相同的銅墊塊進行安裝，同時對每個墊塊進行高度調整，保證每個墊塊都能夠充分與缸體端面接觸。

2.4 夾緊位置調試

通過反復測試機械手夾具夾持缸體的具體數據發現，由于夾具夾緊最終位置是靠位于夾緊氣缸上的行程檢測開關控制的，這種控制方式就導致了夾具定位端在經過長時間工作發生磨損后，夾緊行程不能及時跟進，導致夾具在對缸體進行夾持時雖然夾緊到位信號已觸發，但夾緊端事實上還未或者剛剛與缸體發生接觸，在沒有形成夾緊力的時候夾緊氣缸就已經停止動作，出現缸體夾持不緊。

在缸體搬運機器人快速動作時缸體將發生嚴重傾斜，在進行放置時與定位機構發生干涉，但機器人力量很大能夠推動定位發生彈性變形，而此時機器人動作到位，在進行機械手松開時由于干涉力量阻礙夾緊氣缸放松，進而出現夾緊氣缸故障的報警。因此，根據目前的磨損狀況對機械手主夾緊塊進行了高度微調，同時對應的精確調整了氣缸行程開關位置，調整該開關相對應的控制程序點位的延遲時間，恢復主夾緊機構的夾持力。

2.5 排查其他故障點

（1）將氣缸與夾緊滑臺脫開，分別檢查氣缸動作與夾緊滑臺動作情況。發現氣缸在手動進行伸縮過程中不存在動作卡滯情況，同時氣缸鎖相應速度正常，不存在氣缸卡滯造成的夾緊故障問題。用手推動夾緊滑臺發現在氣動導軌鉗制器打開的情況下，滑臺移動存在較大的阻力，將會對夾緊力形成產生不良影響。

（2）將夾緊滑臺機構兩個導軌上的導軌鉗制器與滑臺進行分離，分別測試其在氣路打開和關閉下的工作狀態，判斷出夾緊滑臺的故障點在于其中一個導軌鉗制器無法正常完全打開，導致的阻力增大。

（3）根據該導軌鉗制器的型號進行查詢，確定其為NBK 公司生產的型號為MKS-3001-A-03 的常閉型導軌鉗制器，主要用于固定滑臺、定位及防止振動，在供氣時解除夾緊，在排氣后借助機構彈簧的作用力夾緊線性導軌，夾緊行程可調。其解除夾緊的氣壓為0.3 MPa，低于裝配線現場的0.5～0.6 MPa 的壓縮空氣壓力，正常情況下應當完全解除夾緊，但發現的一個導軌鉗制器無法完全解除夾緊應該是由于在安裝時未能根據線軌尺寸對該導軌鉗制器夾緊行程進行適配調整，導致鉗制夾緊無法完全釋放。因此根據圖紙對該鉗制器的夾緊行程進行了微調，直至在供氣時其能夠完全解除夾緊，同時驗證了其排氣后的夾緊效果。

3 結語

經過實際使用測試，缸體搬運機器人夾緊效果大大改善，即使是六缸機型也同樣夾持牢靠，經過調整機器人姿態后該設備工作穩定可靠，有效提升了工作效率。