發(fā)動(dòng)機(jī)缸體柔性生產(chǎn)線自動(dòng)上下料裝置研究

畢 巖 房長(zhǎng)興

(①沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141；②華晨寶馬汽車(chē)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110044)

隨著勞動(dòng)力成本的不斷提高，在機(jī)械制造加工行業(yè)，使用各種自動(dòng)化設(shè)備輔助傳統(tǒng)加工實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)化生產(chǎn)已是大勢(shì)所趨[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體作為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，其柔性加工生產(chǎn)線中機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置的設(shè)計(jì)對(duì)于提高整線加工精度和效率有重要意義。

1 總體方案設(shè)計(jì)

基于生產(chǎn)線規(guī)劃的精益制造原則、柔性生產(chǎn)原則、精益自動(dòng)化原則、精益平面布置原則[2]，完成生產(chǎn)線的布局如圖1所示。8臺(tái)機(jī)床串聯(lián)布置，實(shí)現(xiàn)缸體各面的粗加工與半精加工，要求機(jī)器人實(shí)現(xiàn)8臺(tái)機(jī)床的自動(dòng)上下料。

機(jī)器人上下料裝置通常有3種形式，懸掛式機(jī)器人(懸架+倒掛式關(guān)節(jié)機(jī)器人+機(jī)械手爪)、軌道移動(dòng)式機(jī)器人(移動(dòng)軌道+關(guān)節(jié)機(jī)器人+機(jī)械手爪)和龍門(mén)式機(jī)器人(桁架機(jī)器人+機(jī)械手爪)。這3種形式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1。

表1 機(jī)器人方案對(duì)照表

結(jié)構(gòu)懸掛式機(jī)器人軌道移動(dòng)機(jī)器人龍門(mén)式機(jī)器人懸架+機(jī)器人+機(jī)械手爪移動(dòng)軌道+機(jī)器人+機(jī)械手爪龍門(mén)式機(jī)器人+機(jī)械手爪優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)占地空間小，靈活穩(wěn)定，可靠占地空間小(1)機(jī)器人負(fù)載能力不夠，不穩(wěn)定。(2)價(jià)格相對(duì)地面式機(jī)器人較高。(1)需要地面安裝機(jī)器人移動(dòng)導(dǎo)軌，移動(dòng)軌道價(jià)格較高。(2)占地空間較大。(1)桁架機(jī)械爪手國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家較少且價(jià)格較高。(2)工件位姿較多，機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。

因?yàn)樯a(chǎn)線要求機(jī)器人負(fù)載能力較大(抓取重量≥150 kg；其中，缸體重量80 kg，夾具70 kg)，缸體加工過(guò)程中位姿較多，為了確保抓取中的穩(wěn)定可靠，通過(guò)對(duì)比3種方案，初步選擇軌道移動(dòng)機(jī)器人(移動(dòng)軌道+關(guān)節(jié)機(jī)器人+機(jī)械手爪)，根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)完成總體方案的設(shè)計(jì)，如圖2所示。

2 機(jī)器人選型及軌道設(shè)計(jì)

由于上下料過(guò)程需要較多的位置和姿態(tài)的變換，故采用六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人。綜合考慮搬運(yùn)行程及搬運(yùn)重量等因素，選擇那智不二越ST210F機(jī)器人,其技術(shù)參見(jiàn)表2。

表2 ST210F技術(shù)參數(shù)

型號(hào)ST210F-01結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型自由度6驅(qū)動(dòng)方式AC伺服方式最大可搬重量/kg210設(shè)置條件落地式主機(jī)重量/kg1110

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在8臺(tái)機(jī)床自動(dòng)上下料，特在六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的基礎(chǔ)上拓展第七軸——直線行走軸，以承載、驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)引機(jī)器人沿給定的方向直線運(yùn)動(dòng)，需要進(jìn)行直線軌道的設(shè)計(jì)。軌道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是具有足夠的承載能力，且能承受機(jī)器人操作時(shí)產(chǎn)生的傾覆力矩。承載重量主要包括機(jī)器人本體、機(jī)器人手爪及發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等自動(dòng)上下料裝置。而在機(jī)器人自動(dòng)上下料時(shí)，操作手臂需要伸出距離較大，而機(jī)器人操作手臂末端爪手和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體重量較大，對(duì)機(jī)器人移動(dòng)導(dǎo)軌造成傾覆力矩。根據(jù)上述條件，最終選擇齒輪齒條+導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式。

3 機(jī)器人爪手設(shè)計(jì)

機(jī)器人爪手設(shè)計(jì)要求夾持缸體具有一定的剛度與強(qiáng)度。機(jī)器人抓取缸體應(yīng)能夠順利地把缸體放進(jìn)夾具中，便于刀具加工。機(jī)器人爪手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。根據(jù)目前現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，對(duì)機(jī)器人手爪抓取缸體的定位方式和夾持點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇左側(cè)面的一面兩銷(xiāo)進(jìn)行定位，如圖4所示。

4 缸體位姿的確定

位姿是指確定缸體在輸送料道和機(jī)床夾具上的位置和姿態(tài)。為了方便缸體在料道上運(yùn)輸和夾具定位裝夾，以及機(jī)器人抓取時(shí)缸體位姿變換盡可能的少，所以我們需要確定缸體在整線中的位姿，從而減少機(jī)器人動(dòng)作節(jié)拍，提高工作效率。

缸體在粗加工、半精加工線的位姿如圖5所示。

缸體在輸送料道的位姿要求缸體在輸送料道的輸送過(guò)程中盡可能的平穩(wěn)，與料道導(dǎo)軌的接觸面盡可能大；在機(jī)器人上料區(qū)時(shí)，便于機(jī)器人的抓取，減少機(jī)器人手爪抓取缸體過(guò)程中的調(diào)整時(shí)間；盡可能采用一套機(jī)器人手爪完成整線中缸體的上下料工作。缸體在輸送料道上料區(qū)位姿如圖6所示，缸體頂面向上，底面與料道導(dǎo)軌相接觸，前后端面與輸送料道方向相同。初步選取缸體的前、后端面為機(jī)器人手爪的抓取面，選取前、后端面水道孔為手爪定位孔。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)現(xiàn)有的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體生產(chǎn)線模型完成了機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的搭建，通過(guò)調(diào)研分析國(guó)內(nèi)外機(jī)器人、機(jī)械手等自動(dòng)上下料裝置，根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)加工的特點(diǎn)，基本確定了以軌道行走式機(jī)器人自動(dòng)輸送方式的技術(shù)方案。大幅縮短加工準(zhǔn)備和輔助工時(shí)，節(jié)省人工并提高加工可靠性，使機(jī)床無(wú)人化運(yùn)轉(zhuǎn)得以實(shí)現(xiàn)，顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

[1] 楊俊，盧勇，吳義榮.基于GSK-RB工業(yè)機(jī)器人的電機(jī)端蓋加工自動(dòng)上下料功能實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2013,42(7)：42-44.

[2]董正榮.NSE氣缸蓋生產(chǎn)線的規(guī)劃與工藝分析[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2011,17(1)：35-43.