基于機(jī)器人集成的蒸發(fā)器自動切割組裝設(shè)備研究

宋 凱，王 內(nèi)，劉志江SONG Kai， WANG Nei， LIU Zhi-jiang（中船重工第722研究所，武漢 430200）

基于機(jī)器人集成的蒸發(fā)器自動切割組裝設(shè)備研究

宋 凱，王 內(nèi)，劉志江
SONG Kai， WANG Nei， LIU Zhi-jiang
（中船重工第722研究所，武漢 430200）

設(shè)計了一套全新而且有效的針對空調(diào)蒸發(fā)器自動切割鎖付并組裝下料的自動化設(shè)備系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對目前標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范極不完善且個體差異性較大的空調(diào)蒸發(fā)器的自動切割組裝成型提供了一套相對完善有效的解決方案。首先介紹了整套方案的研發(fā)背景和功能組成，之后提出時序控制方法和公用資源交叉調(diào)度思路以解決多子系統(tǒng)間的配合難題，文章最后利用積差相關(guān)系數(shù)分析各個可能影響因子對于準(zhǔn)確鎖付所需對孔精度的影響并將分析結(jié)果應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，實踐結(jié)果證明了這套空調(diào)蒸發(fā)器自動切割組裝設(shè)備解決方案和分析設(shè)計思路在實際生產(chǎn)中的有效性和穩(wěn)定性。

非標(biāo)自動化；空調(diào)自動化設(shè)備；機(jī)器人集成；時序控制策略；積差相關(guān)分析

0　引言

工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等多個學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。現(xiàn)今，在制造業(yè)，機(jī)器人的制造和應(yīng)用水平，可體現(xiàn)一個國家的整體制造業(yè)水平和科技發(fā)展水平［1］。將工業(yè)機(jī)器人合理的應(yīng)用到自動化生產(chǎn)設(shè)備中來，不僅可以提高生產(chǎn)效率，減輕勞動強(qiáng)度，而且能改善工人的勞動環(huán)境，對提升工人的素質(zhì)也具備重要意義。同時，機(jī)器人具備標(biāo)準(zhǔn)化、智能化等特點，通過編輯特定的應(yīng)用程序和設(shè)計合適的夾爪機(jī)構(gòu)，可快速適應(yīng)不同的自動化應(yīng)用需求，具有很高的重復(fù)利用率和極高的經(jīng)濟(jì)效益。

1　空調(diào)自動化背景綜述及蒸發(fā)器自動化設(shè)備研發(fā)難點

圖1　空調(diào)蒸發(fā)器的生產(chǎn)現(xiàn)狀

空調(diào)蒸發(fā)器的切割組裝在空調(diào)或近似領(lǐng)域的整套工序中是必要而且相對復(fù)雜的工序，每條生產(chǎn)線據(jù)統(tǒng)計平均需要至少4～6人合作完成，如圖1所示。由于空調(diào)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)工藝以及加工裝配工藝在全世界范圍內(nèi)尚未標(biāo)準(zhǔn)化，這樣就導(dǎo)致空調(diào)蒸發(fā)器的型號和規(guī)格繁多，不同品牌甚至不同型號的空調(diào)所用的蒸發(fā)器幾乎都沒有互換性。即使是同品牌同型號的空調(diào)蒸發(fā)器，由于結(jié)構(gòu)和裝配工藝的設(shè)計都是面向人工操作，因此國內(nèi)幾乎所有工廠的蒸發(fā)器的尺寸精度控制都相對較差，比如蒸發(fā)器整體尺寸的誤差甚至達(dá)到±5mm之多。如今空調(diào)蒸發(fā)器的切割組裝成型全國范圍內(nèi)都是依賴人工合作手動完成，世界范圍內(nèi)迄今并沒有出現(xiàn)過任何成熟的空調(diào)蒸發(fā)器的切割組裝設(shè)備成套。

隨著工業(yè)4.0時代的到臨，同時面臨國內(nèi)人口紅利的消失和人工成本的大幅度提升，國內(nèi)幾乎所有大型工廠都在尋求各種形式的工業(yè)自動化舉措，工廠的“去人化”趨勢越來越明顯。針對空調(diào)設(shè)備生產(chǎn)的自動化領(lǐng)域中，蒸發(fā)器的切割組裝是其中必要而且相對復(fù)雜的一環(huán)。要實現(xiàn)空調(diào)設(shè)備的“去人化”自動生產(chǎn)，解決蒸發(fā)器的自動切割組裝問題十分必要而且難度極大。而就現(xiàn)如今全國各大空調(diào)設(shè)備廠并未有對蒸發(fā)器的整體尺寸精度和工藝特征按自動化的標(biāo)準(zhǔn)需求設(shè)計改進(jìn)的前提下，要保證自動化改造的設(shè)備具備足夠的成功率、安全性和穩(wěn)定性，蒸發(fā)器的自動切割組裝設(shè)備研發(fā)的難度系數(shù)極大。

該設(shè)備具備一般工業(yè)非標(biāo)自動化項目所有的難點如：

1）工廠環(huán)境惡劣，粉塵噪音等因素比較嚴(yán)重；

2）空間受限，三維空間存在較多的障礙物，影響設(shè)備布局；

3）工序比較繁雜，工件結(jié)構(gòu)工藝性往往面向傳統(tǒng)的手工操作方式。

除此之外，空調(diào)蒸發(fā)器的自動化切割組裝設(shè)備也存在其獨特的難點，比如：

1）待加工件規(guī)格較多，裝配形式多樣，設(shè)備適應(yīng)性要求較高；

2）即使同一規(guī)格同一批次尺寸精度控制也極差，個體差異較大，同時熱變形也極為嚴(yán)重。

2　設(shè)備整體方案

空調(diào)蒸發(fā)器的自動化切割組裝設(shè)備存在的問題中，首當(dāng)其沖的就是翅片本身的結(jié)構(gòu)工藝性主要面向傳統(tǒng)工廠模式下的“手動模式”。在不至于影響空調(diào)工廠整線整體現(xiàn)狀的前提下，需要設(shè)備盡量先適應(yīng)工件這種“手動模式”的工藝特征。本文嘗試?yán)?軸工業(yè)機(jī)器人的靈活性，通過使用擬人化的片管件組裝技術(shù)，實現(xiàn)目前僅能通過多人手工配合完成的裝配工序，本技術(shù)的大致流程如圖2所示。

以擬人化的片管件組裝技術(shù)為系統(tǒng)設(shè)計方案的基礎(chǔ)，最后成型的蒸發(fā)器自動切割組裝設(shè)備主要包括七大模塊：翅片上料定位模塊、機(jī)器人轉(zhuǎn)運模塊、雙工位切片工作臺模塊、螺絲自動鎖付模塊、下料線模塊、中央控制系統(tǒng)以及氣動系統(tǒng)，設(shè)備整體布局如圖3所示。

設(shè)備各個模塊的主要功能在于：

1）翅片上料定位模塊，該模塊主要用于連續(xù)的按固定節(jié)拍將所述分體蒸發(fā)器輸送至設(shè)定位置，方便機(jī)器人抓取；

2）機(jī)器人轉(zhuǎn)運模塊，該模塊用于將所述分體蒸發(fā)器自翅片上料定位模塊準(zhǔn)確抓取至工作臺，輔助完成矯形、切割、對孔鎖付以及折彎成型后下料等一系列工序；

3）雙工位切片工作臺模塊，該模塊用于對所述分體蒸發(fā)器進(jìn)行定位、矯形并按設(shè)定的切割線對矯形后的所述分體蒸發(fā)器進(jìn)行切割和螺絲鎖付，其后將所述分體蒸發(fā)器折彎至設(shè)定角度成型；

圖2　擬人化的片管件組裝技術(shù)

4）螺絲自動鎖付模塊在翅片邊板對孔后，自動將翅片左右兩邊的螺絲打入并擰緊，并在兩個切割鎖付工位間來回移動切換；

圖3　分體蒸發(fā)器自動切割鎖付設(shè)備

5）下料線模塊與后續(xù)人工焊接線對接，將裝配完成的分體蒸發(fā)器成品有序的輸送至人工焊接工位；

6）中央控制系統(tǒng)用來控制整條生產(chǎn)線的運行并監(jiān)測各個子模塊的運行狀態(tài)；

7）氣動系統(tǒng)為動力輔助系統(tǒng)，為其他模塊的相關(guān)氣動執(zhí)行元件提供穩(wěn)定的壓縮空氣。

上述七個模塊相互聯(lián)系，互相協(xié)作，構(gòu)成整臺設(shè)備。

3　控制系統(tǒng)簡述

3.1控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

本控制系統(tǒng)主要采用基于可編程控制器PLC（三菱FX3U-128MT/ES-A）和觸摸屏模塊（三菱GS2110-WTBD）的控制架構(gòu)，控制系統(tǒng)主要包含了可編程控制器PLC、IO模組、觸摸屏模塊、光電傳感器、氣缸等氣動執(zhí)行元件、伺服電機(jī)等電動執(zhí)行元件、工業(yè)機(jī)器人、上下料線體以及鎖付機(jī)等模塊。

控制軟件主要由三菱觸摸屏模塊GS2110-WTBD構(gòu)建人機(jī)交互界面，利用三菱可編程控制器FX3U-128MT/ ES-A構(gòu)建系統(tǒng)主控程序的梯形原理圖，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)各個組件或者模塊的協(xié)同控制功能。利用三菱觸摸屏模塊GS2110-WTBD構(gòu)建人機(jī)交互主界面如圖4所示。

3.2雙工位系統(tǒng)控制流程設(shè)計

如圖3所示，由于兩套對稱布置的機(jī)器人系統(tǒng)共用一條上料線和同一對鎖付機(jī)模塊，故控制系統(tǒng)首先要解決的問題是怎樣合理布局雙邊工位的機(jī)械臂工作時序，保證雙工位能夠交叉使用公用資源，而不出現(xiàn)設(shè)備等待或資源浪費等情況。

圖4　人機(jī)UI界面設(shè)計

本自動化設(shè)備的主要工序過程為：取料、矯形、切割鎖付、折彎下料。假設(shè)單邊工位返回原待機(jī)位的周期為時間T，那么系統(tǒng)單片翅片的成型加工時間約為T/2。在系統(tǒng)正常運行期間（不考慮異常的前提下），若能保證公用資源如上料線模塊和鎖付機(jī)模塊的單個工作循環(huán)周期τ≤T/2，在保證雙邊工位起始時間延遲為時T/2，即可保證系統(tǒng)雙工位同步有序交叉運行。

由于需要兼顧的子系統(tǒng)太多，本系統(tǒng)考慮以系統(tǒng)的起始端即上料模塊的翅片到位時間為總系統(tǒng)的調(diào)度控制信號。比如可以上料線A、B工位翅片到位信號為系統(tǒng)初始化啟動信號，先B工位再A工位取料的方式，雙工位的啟動延時設(shè)置為。考慮到上料疏漏（缺失）、錯誤報警復(fù)位以及系統(tǒng)啟動和上料中斷或系統(tǒng)停止等常見特殊情形的系統(tǒng)控制流程圖如圖5所示。

圖5　基于上料端的系統(tǒng)主控制流程圖

4　基于積差相關(guān)系數(shù)的對孔精度分析

翅片在經(jīng)過矯形、切割等工序后，被切斷的部分翅片將進(jìn)入對孔鎖付工序，切斷部分翅片主要是通過兩個側(cè)面的薄邊板上鎖付2～4顆螺絲與主體翅片固定成型的，對孔的效果圖如圖6中部拐角結(jié)合處所示。經(jīng)過批量抽樣測量發(fā)現(xiàn)，存在著較大尺寸和形位公差的空調(diào)蒸發(fā)器主要有以下幾個參數(shù)可能影響對孔精度：

長度方向的公差ΔX、寬度方向的公差ΔY、左/右邊板距翅片側(cè)面間距D、直線度Lf、平面度Sf。

圖6　對孔效果圖

下面需要研究上述所有參數(shù)對對孔精度的影響，對孔精度本文利用孔縫大小Rs來衡量。如圖7所示，由于翅片切割翻轉(zhuǎn)折彎對孔后容易測量的是內(nèi)側(cè)小孔露出部分，故將兩相交圓弧沿圓心方向最大間距定義為孔縫大小Rs，如圖7所示。

圖7　孔縫大小示意圖

由圖7易知，待鎖付的2個薄邊板圓孔的同心度Ds的計算公式如下：

可見，同軸度Ds與孔縫大小Rs線性相關(guān)，所以衡量各個參數(shù)與孔縫大小Rs（容易測量）之間的相關(guān)性，即可以考量各個參數(shù)對對孔精度的影響程度大小。

在工廠現(xiàn)場同一規(guī)格同一批次的翅片中抽樣30個蒸發(fā)器翅片，依次測量翅片的各類數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

積差相關(guān)系數(shù)的概念由英國著名統(tǒng)計學(xué)家K Pearson和英國著名科學(xué)家F Galton分析人類身高遺傳問題時提出［4］。不同于一些測量數(shù)據(jù)之間明確的函數(shù)相關(guān)性，在實踐測量中一些數(shù)據(jù)之間常常只存在統(tǒng)計相關(guān)的規(guī)律性，需要用相關(guān)性分析作定量的研究，以便幫助我們做出正確的決策。Pearson積差相關(guān)系數(shù)是一種用來計算兩個變量線性相關(guān)的系數(shù)，通常用r或rxy表示，其作用是考察的兩個變量x與y組成的二維隨機(jī)向量（X，Y）的樣本相關(guān)系數(shù)，其計算公式如下：

將上述的各類參數(shù)如左邊板位置Dl等分別作為變量x，最后一項孔縫大小Rs作為變量y，考量各個參數(shù)與孔縫大小Rs的Pearson積差相關(guān)系數(shù)值大小，計算結(jié)果如表2所示。

基于以上結(jié)果可以得知，只有第六項積差相關(guān)系數(shù)

表1　翅片參數(shù)

【】【】的值，即|rxy|>0.7，即可得知平面度Sf對對孔精度（與孔縫大小Rs線性相關(guān)）存在較大的負(fù)線性相關(guān)性，其余參數(shù)由于積差相關(guān)系數(shù)均明顯小于0.4，說明其對對孔精度的影響并不顯著。

表2　計算結(jié)果

實際上在蒸發(fā)器的自動切割組裝成型過程中，對孔成功率的提高對自動化切割組裝成型的工藝至關(guān)重要。綜合以上分析結(jié)果，可以得知，提高設(shè)備對孔成功率首先就意味著需要從矯正翅片的平面度上（主要由于熱變形導(dǎo)致）著重考慮。

我們利用該自動化設(shè)備實際批量生產(chǎn)中實踐發(fā)現(xiàn)，對存在熱變形的翅片（數(shù)量極多）進(jìn)行一系列的逆變形方向的施壓矯形之后，蒸發(fā)器的自動切割組裝成型工藝中，對孔精度能得到比較明顯的提高，設(shè)備的成功率也隨之得到比較大的提高，從而確保設(shè)備成功率滿足生產(chǎn)指標(biāo)要求。

5　結(jié)束語

本文提出了一種全新而且有效的針對蒸發(fā)器自動切割鎖付并組裝下料的自動化設(shè)備系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對目前標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范并不完善而且存在個體差異多樣性的空調(diào)蒸發(fā)器的切割和自動組裝提供了一套相對完善有效的解決方案，圖8是某空調(diào)生產(chǎn)基地的本設(shè)備現(xiàn)場照片。該解決方案具備足夠有效的識別和矯形工藝，基于機(jī)器人和鎖付機(jī)的高剛度、高精度和高柔性，結(jié)合各種傳感元器件的快速識別和智能輔助功能，順利實現(xiàn)設(shè)備所需的加工工序和精度需求，同時也具備足夠快速的錯誤復(fù)位機(jī)制，從而保證該自動化設(shè)備具備足夠的安全性、高效率和穩(wěn)定性。

本文同時也提供了一種面向非標(biāo)自動化行業(yè)尤其是空調(diào)自動化設(shè)備領(lǐng)域非標(biāo)設(shè)計的一種行之有效的思路，針對空調(diào)分體蒸發(fā)器的自動切割組裝成型設(shè)計了全國首臺套自動化設(shè)備，針對設(shè)備子系統(tǒng)過多提出時序控制策略，對于系統(tǒng)公用資源的利用提出交叉調(diào)度思路，同時也利用積差相關(guān)系數(shù)分析可能參數(shù)對于分析結(jié)果的影響并將分析結(jié)果應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，都對非標(biāo)自動化設(shè)備特別是空調(diào)自動化領(lǐng)域的設(shè)計具備良好的參考意義。

圖8　設(shè)備現(xiàn)場運行圖

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Research on automatic cutting and assembling equipment based on industrial robot integration technology

TP23

A

1009-0134（2016）08-0031-06

2016-04-25

宋凱（1976 -），男，甘肅寧縣人，高級工程師，本科，研究方向為機(jī)械設(shè)計及其自動化。