柴油機(jī)裝配線(xiàn)自動(dòng)機(jī)器人夾具優(yōu)化

董立廣 肖 鐸 張煒?shù)?侯 成 許乃清

（一汽解放汽車(chē)有限公司無(wú)錫柴油機(jī)廠(chǎng) 江蘇無(wú)錫）

一、問(wèn)題的提出

近年，隨著產(chǎn)品升級(jí)，一汽解放汽車(chē)有限公司無(wú)錫柴油機(jī)廠(chǎng)連續(xù)改造6DL裝配線(xiàn)，以適應(yīng)多平臺(tái)機(jī)型的柔性化生產(chǎn)。2003年，S290工序投用ABB IRB6400R型機(jī)器人（承重150 kg），主要用于K/F/L系列飛輪殼的自動(dòng)裝配及預(yù)擰緊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝，機(jī)械人從飛輪殼盛放架中抓取飛輪殼，并將其裝配至機(jī)體上，預(yù)擰緊兩顆螺栓。每個(gè)飛輪殼盛放架可存放4個(gè)飛輪殼，機(jī)械手通過(guò)固定的坐標(biāo)位置點(diǎn)，找到飛輪殼，并通過(guò)PLC判斷是否到位，控制夾具夾爪夾緊。抬起、翻轉(zhuǎn)至飛輪殼豎直，平行于機(jī)體端面，水平推進(jìn)至飛輪殼安裝位置，氣動(dòng)馬達(dá)預(yù)擰緊螺栓后，機(jī)械手回復(fù)原位，柴油機(jī)放行至下一個(gè)工位。飛輪殼自動(dòng)裝配機(jī)器人夾具（圖1）以3個(gè)圓柱銷(xiāo)為導(dǎo)向，采用冗余設(shè)計(jì)和1面3銷(xiāo)的定位方式，確保夾具在夾緊和翻轉(zhuǎn)后的位置保持不變，實(shí)現(xiàn)精確裝夾。夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)為兩個(gè)單作用氣缸，夾爪作用面采用弧形的仿形設(shè)計(jì)，適應(yīng)多種機(jī)型飛輪殼的圓角止口。

隨著機(jī)型品種增至近250種及LD系列機(jī)型的規(guī)模化投產(chǎn)，飛輪殼夾具在安全性和適應(yīng)性方面無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，尤其是定位、夾緊以及擰緊機(jī)構(gòu)均磨損嚴(yán)重，精度降低，人工干預(yù)率高，不僅效率低下，還存在安全隱患。

圖1 飛輪殼自動(dòng)裝配機(jī)器人夾具結(jié)構(gòu)

基于現(xiàn)場(chǎng)考查和綜合各方面要求，目前以經(jīng)驗(yàn)法和參照法自主設(shè)計(jì)一套符合企業(yè)生產(chǎn)需求的飛輪殼夾具，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和機(jī)器人程序優(yōu)化，提高裝配精度，增強(qiáng)夾具工作安全性，提高工作效率。

二、自主設(shè)計(jì)和優(yōu)化

1.自主設(shè)計(jì)和優(yōu)化的總體要求

通過(guò)改造飛輪殼夾具，使其能適用K/F/L系列和所有LD系列飛輪殼，完成飛輪殼的抓取、裝配及兩顆螺栓的預(yù)擰緊工作。

2.整體設(shè)計(jì)思路

為適應(yīng)飛輪殼機(jī)械手生產(chǎn)的總體要求，將自主設(shè)計(jì)和優(yōu)化內(nèi)容分為飛輪殼夾具及定位機(jī)構(gòu)、帶I/O信號(hào)的Atlas擰緊槍、擰緊槍移位機(jī)構(gòu)、浮動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)器人程序防錯(cuò)及托盤(pán)工件位置防錯(cuò)、電氣系統(tǒng)適應(yīng)性改造、氣壓系統(tǒng)適應(yīng)性改造、夾具整體組裝及功能測(cè)試、DLD機(jī)型飛輪殼存放架和ABB機(jī)器人程序聯(lián)調(diào)等10部分內(nèi)容，逐一進(jìn)行論證。

飛輪殼夾具及定位機(jī)構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計(jì)從工藝設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造和電氣控制等4方面著手，首先梳理現(xiàn)有飛輪殼變型品種，從中找出定位孔和夾持面的規(guī)律性。最終通過(guò)優(yōu)化，確認(rèn)定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為2種，分別為直徑447.68 mm、511.18 mm定位孔中心圓；夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為5種，分別為直徑447.68 mm、550 mm、511.18 mm、551.11 mm和552.22 mm夾持面。

擰緊移位機(jī)構(gòu)是適應(yīng)K/F/L/LD系列飛輪殼預(yù)擰緊螺栓的擰緊軸的移位及緊固裝置。經(jīng)過(guò)對(duì)近200種不同型號(hào)飛輪殼預(yù)擰緊螺栓位置的篩選合并，確認(rèn)2種設(shè)計(jì)參數(shù)，即兩個(gè)不同的螺栓預(yù)緊位置。最終，完成各機(jī)構(gòu)的制作、裝配，經(jīng)過(guò)程序調(diào)試和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)飛輪殼夾具的安全性、可靠性、適應(yīng)性提升。

3.設(shè)計(jì)優(yōu)化飛輪殼夾具

使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件PROE，利用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，自主設(shè)計(jì)優(yōu)化飛輪殼夾具（圖2）。

4.改進(jìn)飛輪殼夾具結(jié)構(gòu)

（1）夾爪支架（圖3）。利用銷(xiāo)軸固定夾爪，使得夾爪具有抓取柔性，以適應(yīng)飛輪殼毛坯面，提高安全性。

（2）夾爪（圖4）。原夾爪為一體式橢圓形結(jié)構(gòu)（圖4a），無(wú)法適應(yīng)特殊形狀的飛輪殼，而且與飛輪殼接觸面較大，對(duì)飛輪殼毛坯面要求較高。新夾爪采用階梯式結(jié)構(gòu)（圖4b），避開(kāi)奇異點(diǎn)，在保證剛性的基礎(chǔ)上增強(qiáng)通用性。

（3）安全措施。夾具抓緊飛輪殼后，會(huì)進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn)，一端夾爪承受飛輪殼的全部重力。為此在兩端滑塊處增加導(dǎo)軌鎖，以防止斷氣或氣壓異常，造成夾爪松開(kāi)，飛輪殼掉落。通過(guò)布局夾具空間，計(jì)算夾緊力，最終選用R1619-742-60型導(dǎo)軌鎖。

圖2 PROE軟件設(shè)計(jì)界面

5.加工制作飛輪殼夾具

圖3 改進(jìn)夾爪支架

圖4 改進(jìn)夾爪

根據(jù)夾具設(shè)計(jì)要求，飛輪殼夾具需輕便、安全、剛性好，加工涉及焊接、車(chē)、銑、鉆、磨、鉗、拋光、噴漆和組裝等工藝。為順利完成飛輪殼夾具制作，自主設(shè)計(jì)加工需要近10件二類(lèi)工裝。原飛輪殼機(jī)器人夾具主體是焊接結(jié)構(gòu)，剛性差，無(wú)大基準(zhǔn)面。針對(duì)加工難點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)焊接夾具及配合打孔定位法等方式，控制各焊接件相互位置的準(zhǔn)確性，避免偏差過(guò)大無(wú)法加工，或加工余量不均勻。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)切削加工用夾具，使得定位可靠，保證加工精度，同時(shí)支撐工件提高剛性，避免切削時(shí)振動(dòng)和受力變形。采用拋光焊縫和噴漆工藝，提高夾具外觀質(zhì)量。

為減少更換新機(jī)器人夾具對(duì)裝配線(xiàn)生產(chǎn)的影響，夾具制造完成后進(jìn)行離線(xiàn)調(diào)試。通過(guò)模擬工作狀態(tài)設(shè)計(jì)一套調(diào)試裝置，用以安裝機(jī)器人夾具，調(diào)整好各限位部件，試驗(yàn)其對(duì)4種主要機(jī)型飛輪殼的定位、夾緊和提拉情況，提升夾具一次裝調(diào)合格率。

6.基于ABB夾具機(jī)械手適應(yīng)不同機(jī)型飛輪殼的程序聯(lián)調(diào)

（1）修正飛輪殼抓取8個(gè)位置點(diǎn)。機(jī)器人左右兩邊各放4個(gè)待裝配飛輪殼，共有pPallAFine1～pPallAFine4和pPallBFine1～pPallBFine4等8個(gè)飛輪殼抓取位置點(diǎn)，手動(dòng)運(yùn)行機(jī)器人RAPID程序，帶動(dòng)夾具逐一運(yùn)行至這8個(gè)位置點(diǎn)上，在X、Y、Z軸3個(gè)方向修正其位置信息。

（2）修正飛輪殼裝配位置點(diǎn)。S290飛輪殼機(jī)器人共有12套飛輪殼程序，每套程序各有1個(gè)裝配位置點(diǎn)pAssemFine，不同飛輪殼裝配時(shí)手動(dòng)運(yùn)行機(jī)器人RAPID程序至pAssemFine語(yǔ)句，在X、Y、Z軸3個(gè)方向修正其裝配位置信息，提高飛輪殼裝配時(shí)準(zhǔn)確度。

（3）應(yīng)用軸軟化程序。新增軸軟化功能，在飛輪殼裝配時(shí)具有沿機(jī)體鋼板x、y方向的調(diào)整能力，提升安裝成功率。對(duì)ABB機(jī)器人robotware系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，配置軸軟化功能模塊，開(kāi)啟軸軟化功能。編寫(xiě)伺服軸步進(jìn)程序塊MoveForward，在主模塊MainR內(nèi)部進(jìn)行調(diào)用，調(diào)整伺服軸軟化參數(shù)SoftActMechUnit；=IRB，1，20。軸軟化程序RAPID語(yǔ)句如下。

（4）適應(yīng)多種飛輪殼。新增LD飛輪殼的裝配程序，飛輪殼類(lèi)似L系列，采用外夾方式。根據(jù)LD飛輪殼高度，修正飛輪殼抓取程序中8個(gè)pPallAFine位置點(diǎn)，根據(jù)LD飛輪殼裝配特點(diǎn)，在飛輪殼裝配程序中修正pAssemFine位置點(diǎn)。

（5）自主設(shè)計(jì)，增加安全配件，優(yōu)化ABB機(jī)械手電氣程序。為提高飛輪殼機(jī)械手安全性及運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)夾具進(jìn)行安全改進(jìn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化ABB電氣程序，增加導(dǎo)軌鎖、氣壓監(jiān)控、激光防錯(cuò)等措施。

①自主配置導(dǎo)軌鎖。導(dǎo)軌鎖與夾具背對(duì)背安裝，起到增加夾持力和斷氣鎖緊保護(hù)作用。首先配置機(jī)器人I/O板DSQC651，將機(jī)器人系統(tǒng)輸入輸出與新增I/O信號(hào)關(guān)聯(lián)，定義I/O信號(hào)功能，為DO6 Raillock。在對(duì)應(yīng)位置安裝1個(gè)FESTO 163189型電磁閥。在機(jī)器人夾具夾緊飛輪殼時(shí)，機(jī)器人控制電磁閥關(guān)閉，導(dǎo)軌鎖鎖死；機(jī)器人夾具運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人控制電磁閥打開(kāi)，導(dǎo)軌鎖松開(kāi)。然后修改RAPID程序，在主程序MainR的子程序GripperOpen、GripperClose中新增導(dǎo)軌鎖控制程序。

②自主設(shè)計(jì)、應(yīng)用氣壓監(jiān)控程序。新增氣壓傳感器，當(dāng)機(jī)器人氣源壓力未達(dá)到設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，機(jī)器人停止工作并報(bào)警。該功能有效避免了因車(chē)間氣壓不穩(wěn)導(dǎo)致的意外事故。首先對(duì)機(jī)器人I/O 進(jìn)行配置，增加氣壓監(jiān)控I/O點(diǎn)iAirPressure，方法同①，增加FESTO氣壓傳感器。其次在主程序MainR中增加connstopMove中斷程序，中斷機(jī)器人程序運(yùn)行。

③自主應(yīng)用激光測(cè)距功能。由于飛輪殼擺放位置超差、機(jī)器人程序選擇錯(cuò)誤等因素，導(dǎo)致機(jī)器人抓取過(guò)程中夾具與飛輪殼產(chǎn)生撞擊，對(duì)夾具及機(jī)器人造成巨大傷害。為此在機(jī)器人夾具上安裝兩套基恩士激光傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)不同品種的飛輪殼。在機(jī)器人往下抓取的過(guò)程中，激光傳感器測(cè)量飛輪殼外圈表面至夾具的距離，若超出設(shè)定范圍就停止工作，并在示教器上彈出報(bào)警，待操作工處理后再進(jìn)行抓取。

該機(jī)器人輸出模塊為FESTO電磁閥，只輸出氣信號(hào)，而激光傳感器開(kāi)閉須通過(guò)電信號(hào)控制。若增加電信號(hào)輸出模塊不僅費(fèi)用高，且需對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)，得不償失。為此，該項(xiàng)目利用FESTO氣壓傳感器實(shí)現(xiàn)氣—電轉(zhuǎn)換，成本和改動(dòng)小、風(fēng)險(xiǎn)低。首先對(duì)機(jī)器人I/O進(jìn)行配置，增加激光傳感器I/O信號(hào)，將輸出信號(hào)DO7ikeysLsron與新增FESTO電磁閥關(guān)聯(lián)，并使用FESTO SDE1-D10-G2-H18-L-P1-M8-G型氣壓傳感器將電磁閥輸出的氣信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，控制激光測(cè)距傳感器的開(kāi)閉。其次將激光傳感器輸出的OK與NOK信號(hào)，通過(guò)FESTO輸入模塊與機(jī)器人進(jìn)行關(guān)聯(lián)。對(duì)激光傳感器和氣壓傳感器的量程進(jìn)行調(diào)試。最后在機(jī)器人抓取程序C6NTPall中新增激光測(cè)距程序。

三、應(yīng)用效果

通過(guò)對(duì)夾具的自主設(shè)計(jì)和優(yōu)化，成功擴(kuò)展了所適用的飛輪殼平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)KFLLD等常用機(jī)型飛輪殼的自動(dòng)抓取和安裝，提高生產(chǎn)效率，降低人工勞動(dòng)率，裝配一次性成功率達(dá)95%以上。此次飛輪殼夾具的自主設(shè)計(jì)和優(yōu)化，開(kāi)創(chuàng)了企業(yè)進(jìn)口裝配夾具自主設(shè)計(jì)先河，不僅提高生產(chǎn)效率，更為技術(shù)人員積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，堅(jiān)定自主創(chuàng)新信念。

四、結(jié)束語(yǔ)

夾具設(shè)計(jì)中，要根據(jù)不同產(chǎn)品的不同尺寸參數(shù)、止口面和毛坯面，設(shè)計(jì)相應(yīng)卡塊、夾爪。總體來(lái)說(shuō)，夾具設(shè)計(jì)首先根據(jù)產(chǎn)品需求，找到共性點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便且適應(yīng)性強(qiáng)，保證安全可靠。由于該夾具配套用于ABB IRB6400R型機(jī)器人，承重能力150 kg，根據(jù)飛輪殼最大重量55 kg，則夾具重量不能超過(guò)95 kg，且?jiàn)A具越輕便，機(jī)械手操控性能越高，也能降低機(jī)械手傳動(dòng)部件的磨損。最終，該夾具整體重量為63 kg，在增加了安全裝置后，僅比進(jìn)口夾具重3 kg，結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)便。基于飛輪殼機(jī)械手夾具的自主設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在定位機(jī)構(gòu)、擰緊槍支架、擰緊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)元器件、位置防錯(cuò)以及電氣程序等方面進(jìn)行全面優(yōu)化，確保夾具安全性和通用性。

1 程 鵬等.基于特殊夾具機(jī)械手的設(shè)計(jì)與優(yōu)化.制造業(yè)自動(dòng)化，2014

2 邵峰晶.VB.NET程序設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)大學(xué)出版社，2008