閥芯自動化裝配設備的研發應用

摘要：目前閥芯生產裝配設備已得到逐步發展，出現了適合企業機械化、工業規模化生產的自動化閥芯裝配在線檢測設備。為了有效減輕閥芯裝配工人的勞動強度，提高企業生產效率，節約生產成本，某閥芯生產流水線由人工裝配方式優化為自動化裝配方式。通過研究閥芯的結構、裝配工藝、質量要求，對設備布局、機械結構、控制單元和檢測單元進行了設計、組裝、調試，成功開發出一臺滿足該閥芯自動化裝配需求的設備。原來4人一組的生產流水線，由單人操作的非標自動化設備代替，新設備使用后，人工成本降低了75%，產品一次良率達到98%。

關鍵詞：閥芯;自動化裝配;PLC可編程控制器;CCD相機

0 引言

近年來，我國企業勞動力成本不斷上升，如何有效提高產品質量，在提高企業生產效率同時，又能降低生產成本成為了企業重點關注的問題，對生產型企業提出了更高的管理要求。生產型企業的經營管理改革以及技術創新活動，為企業的可持續發展提供了新的推動力。其中，通過技術創新，研發和應用適合企業生產的自動化設備，為生產型企業提供了一種全新的發展思路。企業通過技術研發生產的自動化設備可以代替人工作業，可以有效降低企業的人工成本，同時它的最大優勢在于能有效保障產品一致性和質量。通過自動化在線檢測技術，及時發現并有效處理不合格品，為產品在自動化生產和銷售過程中節約了時間和成本。

我公司經過前期調研和立項，決定研發一種用于某閥芯自動化設備裝配的非標設備。該閥芯是層疊式結構，符合自動化裝配要求。通過對閥芯的零件特征、裝配工藝、質量要求等要素進行分析，發現雖然有個別零件裝配難度較大，但是大部分零件適用于進行自動化裝配，可以通過技術攻關，解決個別零件裝配難度大的問題。各個零件裝配時間大約一致，采用轉盤節拍式裝配方案。

1 裝配工藝分析

該閥芯由9個零件組成，其裝配順序依次為：下蓋→芯棒（含擋圈，已經壓裝好）→小彈簧→大彈簧→不銹鋼墊片→O形圈→尼龍墊片→O形圈→上蓋。

其工藝要求：在O形圈、尼龍墊片、O形圈三者之間加鋰基潤滑脂。其質量要求：各個零件不能漏裝、多裝，潤滑脂不可缺少。

2 設備布局設計

根據零件數量、工藝流程、檢測需求，設置了12個工位的凸輪分割器（轉盤），如圖1所示。其中#1～#8為裝配工位，還有1個上料工位、1個下件工位、1個檢測工位、1個點膠機出油工位。為了保證8個裝配工位布局上互不干涉，凸輪分割器外周分布了4個二維機械抓手組件，支撐盤上設置了4個二維機械抓手組件。最外圍由振動盤和直線振動送料器組成，將物料輸送到待裝配取料位。控制系統、氣路系統、傳感器、電磁閥等位于凸輪分割器下方。

3 機械設計

凸輪分割器作為主要的運動部件，以此為載體，設計了支撐結構（桌面）、支撐盤、工位轉盤及夾具;設計了振動盤、直線送料器、二維機械抓手/三維機械抓手的安裝支架。根據零件特征，設計了直線送料器料道。

3.1? ? 轉盤及夾具

轉盤及夾具如圖2所示，轉盤采用720 mm、厚30 mm的A3鋼材制作，每隔600～200 mm設置有減輕孔。圓周上均布12個夾具鑲嵌凹槽。夾具采用彈簧夾緊。在上料和下料工位設置由氣缸驅動的頂開模塊。

3.2? ? 振動盤與直線送料器

由于各個零件的尺寸、材質等特征各不相同，振動盤與直線震動送料器對接的料道，需要針對每一種零件進行特別設計。

3.3? ? 二維機械抓手及三維機械抓手

二維機械抓手（圖3）由平移氣缸、上下氣缸以及末端氣動手指組成，實現零件的轉移、裝配。三維機械抓手由上下氣缸、旋轉氣缸以及末端氣動手指組成，實現成品的轉移并換向。

4 控制單元

控制系統采用三菱PLC FX3u-128M，人機界面采用威綸通觸摸屏CMT3103。

三菱PLC FX3u-128M采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。根據實際需要，該設備控制系統添加了3個可以擴展的I/O模塊。

人機界面觸摸屏一共設計5個界面：歡迎登錄界面、運行控制界面、手動控制界面、參數設置界面、報警記錄界面。歡迎登陸界面，設計二級密碼，分別為操作人員登錄密碼和技術人員登錄密碼，對應的操作人員權限只能進行操作，技術人員可以更改調整參數。運行控制界面包括啟動設備、停止設備，可以選擇單次運行或連續運行，可以顯示產品計數、合格率、以及主要傳感器的工作狀態。參數設置界面，可以對定時器、報警計時器、振動盤延時啟動等參數進行更改。報警記錄界面，可記錄故障、報警等發生的時間和頻次，有利于優化程序和參數。

5 檢測單元

使用臺達CCD工業相機在線進行檢測，如圖4所示。目前機器的視覺照明檢測圖像處理系統主要是采用數字化的CCD監控相機，將被檢測物體和目標轉換成數字化的圖像處理信號，再傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成各種數字化的信號，圖像處理系統對這些數字化信號直接進行各種運算，以分析和抽取被檢測目標的各種物理特征，包括被檢測目標的面積、數量、位置、長度，再根據檢測系統預設的允許度和其他條件，輸出結果，包括個數、合格/不合格、有/無。將檢測系統的判斷輸出結果直接作為數據輸入，反饋后傳送給PLC實現自動識別功能。

機器視覺照明環境光是直接影響整個機器視覺系統輸入的重要因素，它直接影響輸入數據的圖像質量和視覺照明應用效果。目前，還沒有一套通用的機器視覺系統照明設備，所以針對每個特定的視覺照明應用實例，要合理選擇一套相應的機器視覺照明控制裝置，以達到最佳檢測效果。環境光有可能影響圖像質量，所以可通過采用加防護屏的控制方法，來大大減少對環境光的直接影響。由于檢測系統安裝的空間有限，采用前向機器視覺照明方式，將被檢測的光源和CCD相機設置于被檢測物的同側。

6 結語

本文設計的閥芯自動化裝配設備在最初試運行階段發現存現以下問題;（1）不銹鋼墊片（厚度0.25 mm）在直線送料器末段容易重疊，裝配完成后出現多個墊片重疊的情況。（2）尼龍墊片采用對射式激光傳感器，穩定性不高，需要經常校準。（3）檢測系統誤報警，誤報率約為5%。

解決方法：（1）針對不銹鋼墊片重疊問題，將機械抓手改為真空吸附方式，每次只吸附最上面的不銹鋼墊片。（2）由于尼龍墊片有一定的透光性，所以將對射式激光傳感器改為激光測厚傳感器，解決傳感器的運行不穩定性問題。（3）在PLC程序中增加判斷條件，并在觸摸屏上增加確認按鈕。如果出現誤報，人工觀察拍攝圖像，確認是誤報警，若是誤報警，則按“繼續”運行按鈕后，設備繼續運行。改進后的設備運行平穩，產品一次良率提高到98%以上。后期擬引入AI系統，對誤報的圖片進行統計，以進一步減小檢測系統誤報概率，減少人工干預。

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收稿日期：2020-06-03

作者簡介：朱猛（1977—），男，陜西禮泉人，助理工程師，研究方向：精益生產、自動化集成。