井用潛水泵導流殼鉆攻壓機器人工作站

李文治，張 瑤，郗安民

（1.北京科技大學，北京 100083；2.中國科學院大學，北京 100049）

井用潛水泵導流殼鉆攻壓機器人工作站

李文治1，張 瑤2，郗安民1

（1.北京科技大學，北京 100083；2.中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

井用潛水泵是深井提水的重要設備，主要用于將地下水提取到地表。導流殼是潛水泵的重要組成部件，負責液體的引流以及將液體的壓力能轉換為速度能[1]。導流殼材質為HT200，采用消失模的方法鑄造完成后需對其進行機械加工方能裝配使用，其機械加工過程為：先在數控車床上車削小端面，再在同時裝有九把車刀的專用車床上車削大端面，然后在兩工位鉆孔機上完成小端面與大端面鉆孔，接著在攻絲機上完成大端面攻絲，最后完成殼體壓環，加工過程中各個工位均存在工件的人工碼垛過程。

導流殼的鉆孔、攻絲、壓環是其機械加工中非常關鍵的環節，長期以來都存在工作環境差，勞動強度大，生產效率低的缺點。甚至多地潛水泵企業導流殼機加車間出現了招工難的問題，企業常常由于工人突然離職而蒙受具大的損失。所以迫切需要引入自動化生產設備代替人工完成導流殼的加工與搬運。基于上述原因開發了一套井用潛水泵導流殼鉆攻壓機器人工作站，在導流殼完成大、小端面車削之后，由機器人代替人工完成最常用兩種導流殼的鉆孔、攻絲、壓環和碼垛操作。在國內，此工作站首次將機器人技術用于潛水泵生產行業，它的成功研制為企業帶來了相當可觀的收益。

1 機器人工作站總體布局

機器人工作站主要由工業機器人、工件傳輸定位鏈、兩工位鉆孔機、攻絲機、壓環機、上、下壓環傳輸分揀定位鏈、成品碼垛盤、機器人未端執行器、系統控制柜及機器人控制柜等組成。

本工作站用到的兩種導流殼質量均為10kg，機器人末端執行器質量約為8kg，工業機器人選用日本安川公司的MOTOMAN HP20D垂直關節型六自由度機器人，負載為20kg，重復定位精度為±0.06mm。兩工位鉆孔機、攻絲機和壓環機采用原廠設備，但是進行一些機械與電控方面的改造。

圖1 機器工作站總體布局

機器人工作站總體布局如圖1所示。工件傳輸定位鏈為工作站的始端，機器人手爪抓取由工件傳輸定位鏈定位完成的工件放入鉆孔1工位進行小端面鉆孔，隨后經工件中轉臺進行工件的翻轉后，放入鉆孔2工位進行大端面鉆孔。完成后機器人取鉆孔2工位工件放入攻絲工位進行大端面攻絲，接著機器的兩個小手爪分別從上環傳輸分揀定位鏈和下環傳輸分揀定位鏈取上、下壓環套在壓環機上，然后取攻絲完成的工件放入壓環機中進行自動壓環，最后機器人取壓環完成的工件放入碼垛工位。工作站在運行過程中同時有3～4個工件同時在不同的工位完成加工，工作站的生產節拍為85s。

2 機器人末端執行器

機器人末端執行器具有三個手爪。一個大手爪抓取導流殼體，其具備夾持工件、旋轉工件、在垛盤中放置工件等多種動作要求，夾緊氣缸采用SMC圓形手爪氣缸，型號為MHS2-63D-Y59AL，在其進氣口處裝減壓閥，使得夾持力在50kg內可調，避免夾持力過大而損壞氣缸。另外兩個小手爪分別抓取上環和下環，采用SMC方形手爪氣缸，型號為MHZ2-32D-F9PV，兩小手爪夾角為140，小手爪與大手爪夾角為110，機器人末端執行器如圖2所示。

圖2 機器人末端執行器

3 工件傳輸定位鏈

工件傳輸定位鏈完成導流殼體的傳輸與定位。其總體結構如圖3所示。工件傳輸定位鏈包括工件傳送鏈、工件阻擋機構、工件升降與旋轉機構以及方口定位機構。工件傳送鏈臺面上采用雙側金屬鏈板進行傳動，保證同時放上15個導流殼體后傳送鏈平穩傳動。

圖3 工件傳輸定位鏈

其工作過程為：經車削完成的導流殼工件由人工放在工件傳送鏈上，傳送鏈電機啟動帶動鏈板上工件向前移動，當光電傳感器檢測到最前端工件時，傳送鏈電機停止，這時工件阻擋機構的兩阻擋氣缸伸出，將除最前端工件的其他工件擋住。再次啟動傳送鏈電機，將最前端工件傳輸到定位位置，傳送鏈電機停止。然后工件升降與旋轉機構的旋轉平臺被氣缸頂起，如圖4所示，環形定位塊插入殼體大端面止口，接著方口定位機構的定位塊伸出，與工件外圓接觸，如圖5所示，啟動直流電機，工件在摩擦力的作用下隨環形定位塊慢速旋轉，當方形定位塊插入工件定位缺口后，直流電機停轉，完成導流殼的定位。

圖5 方口定位機構

4 壓環傳輸分揀定位鏈

壓環傳輸分揀定位鏈完成壓環的傳輸與分揀定位。本工作站中的壓環傳輸分揀定位鏈有兩臺，上環傳輸分揀定位鏈與下環傳輸分揀定位鏈，上環傳輸分揀定位鏈機械結構與下環傳輸分揀定位鏈機械結構完全相同，其總體結構如圖6所示。壓環傳輸分揀定位鏈包括壓環傳送鏈、環阻擋機構和環分揀定位機構。壓環傳送鏈臺面上采用單側金屬鏈板進行傳動，保證在同時放上100個粉末冶金環后傳送鏈平穩傳動。

其工作過程為：人工將成箱的壓環開箱后成摞的推至傳送鏈上，傳送鏈將一摞一摞的壓環向前送進。當光電傳感器檢測到第一摞環接近時，傳送鏈停止傳送，環阻擋機構氣缸伸出將第一摞后面的環擋住。隨后傳送鏈再次啟動，將第一摞壓環輸送到工件傳送鏈的最前端，環分揀定位機構中的氣缸推出將第一摞環最下端的一個壓環推至機器人取料位，實現環的定位。當機器人取料位的接近式傳感器檢測到壓環推出到位時，環分揀定位機構中的氣缸延時縮回。如果光電傳感器檢測到本摞環沒有推完時，環阻擋機構氣缸就不會縮回，壓環傳送鏈不啟動，此時機器人的每個工作循環只是環分揀定位機構負責將環推出到機器人取料位，最后機器人末端執行器小手爪取定位完成的壓環。

圖6 壓環傳輸分揀定位鏈

5 原廠設備改造

工作站使用到的原廠設備包話兩工位鉆孔機，攻絲機和手動壓環機。為適應本工作站的使用，需對三臺原廠設備做一些機械和電控方面的改造，便于實現工作站的自動生產。機械方面，兩工位鉆孔機增加中轉定位臺和自動吹屑裝置；攻絲機增加定次潤油裝置和自動吹屑裝置；對于壓環機，增加自動啟動裝置。電控方面，增加一些PLC的I/O點數，用于控制三臺設備的啟動，急停以及監測三臺設備的工件狀態等。

6 機器人碼垛

工件的碼垛通過機器人程序實現，壓完環的工件由機械人手爪抓取放入碼垛工位，碼垛時每層5×5個工件，層數由觸摸屏選擇為3～5層。機器人的最多125個碼垛位置不可能逐一去示教，其碼垛程序中用到了平行移動指令，只需指定最初一個工件碼垛位置，其它工件的位置通過運算平行移動得到。平移指令中用到了用戶自定義坐標系，首先需要設定用戶坐標系原點，可以將最初一個工件碼垛的位置作為用戶坐標原點，位置變量P011，P012，P013分別存儲工件的X，Y，Z單位偏移量，整型變量D001，D002，D003分別記錄工件的X，Y，Z偏移個數，用單位偏移量乘以偏移個數可求得任意碼垛位置相對于用戶坐標原點的X，Y，Z偏移量P000，從而實現碼垛功能。

7 工作站控制系統

機器人工作站電器控制系統由機器人控制柜，系統控制柜，鉆孔機控制柜，攻絲機控制柜，壓環機控制柜以及外圍設備組成。

系統控制柜中的PLC是整個控制系統的核心，選用西門子S7-200系列，通過PLC程序來實現整個工作站的邏輯與運動控制。系統開機后程序的運行流程如圖7所示，首先在PLC的第一個工作掃描周期完成系統的初始化，如參數的一些賦值操作，接著無論是要進行手動操作還是系統自動運行都必須先完成系統復位，復位過程主要是各氣缸的歸位。系統手動操作一般用于系統調試過程中，系統自動有三種運行狀態：系統自動運行，自動停機和自動暫停。

圖7 程序運行流程圖

機器人工作站的工作狀態分為系統開機、系統停機、系統復位、系統急停、系統手動，系統自動和系統復位完成七種，各狀態之間可以相互轉化。系統其他的六種工件狀態可以馬上轉為系統急停狀態，保證在發生異常或事故時，拍系統控制柜面板上紅色急停按扭后，系統能立即停止。系統開機時，當沒有急停時，按黃色復位按鈕可完成系統的復位。系統復位還可以在系統手動和系統自動時進行，但在系統自動進行復位時，需滿足系統自動狀態處于自動停機狀態下才可以。系統復位完成后，可以進行系統的手動操作或自動運行。

系統程序設計是按照模塊化的設計方法來完成的，主程序調用各個子程序功能模塊，各個子程序之間相對獨立。采用模塊化設計方法降低了程序的復雜度，便于對程序進行設計、調試和維護。系統組態軟件采用西門子WinCC Flexible 2008。觸摸屏SMART 700 IE安裝于系統控制柜面板上，與S7-200 PLC的通迅為RS485通迅。

8 結束語

導流殼鉆攻壓機器人工作站自投入工作以來，機械與電控方面沒有出現任何故障，可長時間穩定可靠運行，提高了企業的生產效率與產品質量，解決了企業招工難的問題。

[1]趙秋霞.導流殼幾何參數選取及其對泵性能的影響[J].太原理工大學學報,2002(4):414-416.

[2]郗安民.機電系統原理及應用[M].北京:機械工業版社,2007.

Drilling-tapping-pressing robot workstation of diversion shell in well using submersible pump

LI Wen-zhi1, ZHANG Yao2, XI An-min1

介紹了一種井用潛水泵導流殼鉆攻壓機器人工作站。討論了工作站的總體布局，詳細講述了工作站各組成部分的結構與功能，并對工作站控制系統進行了簡要分析。本工作站是國內將工業機器人技術應用于潛水泵行業的首例。

潛水泵；導流殼；機器人工作站

李文治（1988 -），男，山西忻州人，碩士研究生，研究方向為工業機器人及生產自動化。

TP242

B

1009-0134(2015)12(上)-0074-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.21

2015-08-31