岸橋吊具轉(zhuǎn)銷(xiāo)部件自動(dòng)化工裝設(shè)計(jì)

周 軍 錢(qián) 丹

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

港口起重機(jī)械是國(guó)家海洋工程建設(shè)不可或缺的主要機(jī)械設(shè)備[1]。為了提高我國(guó)港口機(jī)械制造水平核心競(jìng)爭(zhēng)力，響應(yīng)“中國(guó)制造2025”號(hào)召，企業(yè)急需結(jié)合先進(jìn)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)港口起重機(jī)械關(guān)鍵零件、部件、結(jié)構(gòu)件的智能制造[2]。目前，工程人員針對(duì)港口起重機(jī)，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化[3-4]、虛擬裝配[5]、故障診斷[6-7]等方面進(jìn)行了深入研究，提高了我國(guó)港口機(jī)械制造整體水平。但針對(duì)起重機(jī)械關(guān)鍵零部件的研究與改進(jìn)還較少。其中，轉(zhuǎn)銷(xiāo)部件是連接吊具與集裝箱的港口起重機(jī)關(guān)鍵工件，廣泛應(yīng)用于吊具、吊具上架和超高架等港口機(jī)械產(chǎn)品。作為重要受力零件，轉(zhuǎn)銷(xiāo)產(chǎn)品對(duì)表面加工精度及熱處理工藝要求高，工件需成型美觀，同時(shí)要保證一定的抗拉伸強(qiáng)度及抗扭矩強(qiáng)度。

目前，轉(zhuǎn)銷(xiāo)產(chǎn)品的工作流程主要包括：裝件、加工、進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、磁粉探傷(人工輔助判定檢查結(jié)果)、涂油、沖鋼印、分揀不合格產(chǎn)品、碼垛等，工藝流程見(jiàn)圖1。針對(duì)部分工序仍存在自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)難度高、工藝過(guò)程需結(jié)合人工輔助等情況，從生產(chǎn)全流程入手，以實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程全自動(dòng)化為目標(biāo)，深入分析轉(zhuǎn)銷(xiāo)部件關(guān)鍵工序制造瓶頸，針對(duì)滾絲加工工序和自動(dòng)拉伸試驗(yàn)工序設(shè)計(jì)相應(yīng)的工裝，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線自動(dòng)化和無(wú)人化，并為將來(lái)打造全數(shù)字化車(chē)間打下良好基礎(chǔ)。

圖1 轉(zhuǎn)銷(xiāo)工作站工藝流程

2 不連續(xù)圓弧面的定位工裝

2.1 工裝設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)銷(xiāo)加工的工序主要為車(chē)削桿身、大頭端部滾絲及后續(xù)的銑面工序。滾絲加工過(guò)程中，滾絲機(jī)帶動(dòng)工件沿中心軸線旋轉(zhuǎn)，滾絲工序加工完成后轉(zhuǎn)銷(xiāo)呈無(wú)序停止?fàn)顟B(tài)，后續(xù)銑面加工需采用人工調(diào)整裝夾并加工的方法。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)銷(xiāo)部件的全自動(dòng)流程化生產(chǎn)，需引入機(jī)械手臂完成工件自滾絲機(jī)至加工中心的工序轉(zhuǎn)換任務(wù)，但機(jī)器人從滾絲機(jī)處取下工件放到加工中心過(guò)程中，無(wú)法識(shí)別工件大頭位置，導(dǎo)致加工中心無(wú)法對(duì)工件裝夾定位。針對(duì)上述工序瓶頸，設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)銷(xiāo)端部不連續(xù)圓弧面的定位方法。通過(guò)定位工裝，可以使工件在滾絲加工后，在工裝上對(duì)工件大頭平面進(jìn)行調(diào)整定位，保證機(jī)器人抓取工件到加工中心的狀態(tài)一致，使得后續(xù)工序順利開(kāi)展，減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)制造效率。定位工裝由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、壓桿、托架、活動(dòng)擋片、驅(qū)動(dòng)輪和限位器等組成(見(jiàn)圖2)。

1.接近限位 2.活動(dòng)擋片 3.托架 4.壓桿 5.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 6.驅(qū)動(dòng)輪圖2 不連續(xù)圓弧面定位工裝三維裝配圖

2.2 工裝定位流程

由于經(jīng)過(guò)滾絲工序的轉(zhuǎn)銷(xiāo)，其工件大頭呈現(xiàn)無(wú)序狀態(tài)，但滾絲后工件進(jìn)入加工中心完成銑、鉆工序時(shí)，大頭平面是加工中心加工的基準(zhǔn)面，在進(jìn)入加工中心加工前，需對(duì)轉(zhuǎn)銷(xiāo)大頭平面進(jìn)行定位，見(jiàn)圖3箭頭位置。

圖3 轉(zhuǎn)銷(xiāo)大頭平面

完成滾絲的轉(zhuǎn)銷(xiāo)放置在定位工裝上，驅(qū)動(dòng)輪上方壓桿壓到工件上，避免驅(qū)動(dòng)輪在工作時(shí)打滑。工裝上的電機(jī)帶動(dòng)工件沿中心軸線回轉(zhuǎn)，當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)到平面朝下時(shí)，彈簧托架頂升，觸發(fā)托架旁邊的接近限位開(kāi)關(guān)使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)銷(xiāo)工件保持平面水平的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)銷(xiāo)大頭平面的定位。

2.3 定位工裝工作原理

由機(jī)械手臂放置在定位工裝上的轉(zhuǎn)銷(xiāo)部件，其工件大頭平面可能呈任意角度，具體為4種形式，即水平狀態(tài)、豎直狀態(tài)、向左傾斜狀態(tài)和向右傾斜狀態(tài)。

若轉(zhuǎn)銷(xiāo)部件工件大頭水平放置狀態(tài)時(shí)，彈簧將擋片彈起，擋片處于接近開(kāi)關(guān)的感知范圍內(nèi)，接近限位發(fā)出信號(hào)，電機(jī)不啟動(dòng)，壓桿升起松開(kāi)工件，機(jī)械手臂將大頭水平狀態(tài)下的轉(zhuǎn)銷(xiāo)工件從工裝上取走，并進(jìn)行后續(xù)工藝流程。

當(dāng)轉(zhuǎn)銷(xiāo)工件大頭為豎直狀態(tài)時(shí)，定位工裝工作原理見(jiàn)圖4。擋片被壓下，但不處于接近限位的感知范圍內(nèi)，電機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速設(shè)置為30 r/min，在轉(zhuǎn)銷(xiāo)大頭平面與活動(dòng)擋片相對(duì)角度旋轉(zhuǎn)超過(guò)33.71°后，擋片開(kāi)始上升，完成90°旋轉(zhuǎn)的同時(shí)擋片觸發(fā)限位，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，壓桿升起松開(kāi)轉(zhuǎn)銷(xiāo)部件，轉(zhuǎn)銷(xiāo)工件大頭呈水平狀態(tài)。

圖4 工件豎直狀態(tài)放置在定位工裝上的工作原理

同理，當(dāng)轉(zhuǎn)銷(xiāo)工件大頭為向右傾斜狀態(tài)放置時(shí)，定位工裝工作原理與豎直狀態(tài)類(lèi)似。

當(dāng)轉(zhuǎn)銷(xiāo)工件大頭為向左傾斜狀態(tài)放置時(shí)，定位工裝工作原理見(jiàn)圖5，擋片被壓下且不處于接近限位的感知范圍，電機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)工件向右旋轉(zhuǎn)，但由于擋片彈力作用，工件處于停滯狀態(tài)；2 s后電機(jī)發(fā)生換向，在轉(zhuǎn)銷(xiāo)大頭平面與活動(dòng)擋片相對(duì)角度旋轉(zhuǎn)超過(guò)33.71°后，擋片開(kāi)始上升，并在工件完成90°旋轉(zhuǎn)的同時(shí)觸發(fā)限位，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 工件左傾狀態(tài)放置在定位工裝上的工作原理

3 設(shè)計(jì)擰螺母機(jī)工裝

轉(zhuǎn)銷(xiāo)部件在加工制造過(guò)程中，為保證其具有一定的抗拉強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度，需要對(duì)轉(zhuǎn)銷(xiāo)部件進(jìn)行力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)。拉伸力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)是在轉(zhuǎn)銷(xiāo)工件的端部安裝一個(gè)螺母，傳統(tǒng)人工安裝螺母的形式不能保證產(chǎn)品力學(xué)試驗(yàn)的穩(wěn)定性，不能為轉(zhuǎn)銷(xiāo)部件質(zhì)量檢測(cè)提供統(tǒng)一化標(biāo)準(zhǔn)。為此，設(shè)計(jì)并應(yīng)用一種新結(jié)構(gòu)、新工藝形式的擰螺母機(jī)，實(shí)現(xiàn)快速、高效的轉(zhuǎn)銷(xiāo)工件全自動(dòng)擰緊螺母，去除人為因素，提高拉力試驗(yàn)的穩(wěn)定性與一致性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線自動(dòng)化運(yùn)行。

3.1 擰螺母機(jī)結(jié)構(gòu)組成

自動(dòng)擰螺母機(jī)主要由氣動(dòng)夾爪、夾爪支架、擰螺母機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)、Y軸導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、Y軸電缸、控制系統(tǒng)、按鈕盒、三色燈等部件組成；其中，擰螺母機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、減速機(jī)、編碼器、螺母安裝模具等組成(見(jiàn)圖6)。

1.三色燈 2.氣動(dòng)手爪 3.擰螺母機(jī)構(gòu) 4.按鈕盒 5.導(dǎo)桿 6.伺服電機(jī) 7.Y軸電缸圖6 擰螺母機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 擰螺母機(jī)機(jī)械工作原理

首先，機(jī)械手臂夾持轉(zhuǎn)銷(xiāo)工件上料至擰螺母機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)夾爪處，氣動(dòng)夾爪張開(kāi)、夾緊并固定工件的位置。隨后，伺服電機(jī)帶動(dòng)擰螺母機(jī)構(gòu)中的螺母旋轉(zhuǎn)；減速機(jī)調(diào)整減速比，將電機(jī)的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為低速旋轉(zhuǎn)；編碼器主要用于計(jì)數(shù)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，并反饋給控制系統(tǒng)；幾種部件共同作用，實(shí)現(xiàn)螺母的定速旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，Y軸導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與Y軸電缸共同完成擰螺母機(jī)構(gòu)的上升動(dòng)作，螺母旋轉(zhuǎn)上行，與轉(zhuǎn)銷(xiāo)端部的螺紋配合擰緊，根據(jù)螺紋的圈數(shù)與螺距等數(shù)據(jù)，確定螺母機(jī)構(gòu)上行的距離。通過(guò)以上步驟，完成轉(zhuǎn)銷(xiāo)工件的螺母擰緊動(dòng)作，并保證擰緊圈數(shù)恒定，一定程度上提高了拉力試驗(yàn)的穩(wěn)定性與一致性。

3.3 擰螺母機(jī)控制原理

首先進(jìn)行產(chǎn)品型號(hào)設(shè)定和類(lèi)別的選擇，在工件數(shù)據(jù)欄中錄入工件型號(hào)與對(duì)應(yīng)參數(shù)。其中，夾持長(zhǎng)度為夾持頂面到螺紋底面的距離、螺距即螺牙的距離、螺紋長(zhǎng)度代表轉(zhuǎn)銷(xiāo)上螺紋的長(zhǎng)度距離、螺母厚度表示設(shè)定螺母的厚度。同時(shí)可將各型號(hào)工件的參數(shù)保存至系統(tǒng)中，當(dāng)需要某型號(hào)工件的數(shù)據(jù)時(shí)，可從系統(tǒng)中直接調(diào)用。

完成轉(zhuǎn)銷(xiāo)產(chǎn)品型號(hào)設(shè)定和類(lèi)別的選擇后，需要進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行前準(zhǔn)備，即設(shè)備回原點(diǎn)操作。在設(shè)備通電時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示升降軸現(xiàn)在所處的狀態(tài)，是需要回原點(diǎn)還是處在手動(dòng)狀態(tài)。在手動(dòng)狀態(tài)，操作畫(huà)面中的原點(diǎn)重啟按鈕允許重啟，則按住復(fù)位按鈕2 s后，升降軸開(kāi)始啟動(dòng)并回原點(diǎn)。

運(yùn)行前準(zhǔn)備工作完成后即開(kāi)始上螺母工序。擰螺母機(jī)在上螺母的狀態(tài)下，按下“啟動(dòng)”按鈕，發(fā)出上料請(qǐng)求信號(hào)給上位機(jī)，由機(jī)器人夾取轉(zhuǎn)銷(xiāo)放入擰螺母機(jī)夾爪處，到位后回發(fā)上料已到位信號(hào)給擰螺母機(jī)；擰螺母機(jī)的螺桿有料檢測(cè)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到有料信號(hào)，夾爪夾緊；夾緊后發(fā)出機(jī)器人撤離請(qǐng)求信號(hào)，機(jī)器人夾爪松開(kāi)后離開(kāi)。

由人工將螺母放入螺母模具中，然后再次按下啟動(dòng)按鈕，擰螺母機(jī)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行。升降機(jī)構(gòu)開(kāi)始上升，當(dāng)上升到擰螺母啟動(dòng)位時(shí)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)按與上升速度匹配的速度開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，直至將螺母擰到所需的位置后停止；升降機(jī)構(gòu)開(kāi)始下降，直至下降到起始位時(shí)停止并發(fā)出卸料請(qǐng)求信號(hào)；當(dāng)機(jī)器人夾爪抓住轉(zhuǎn)銷(xiāo)時(shí)回發(fā)上料已到位通知信號(hào)，擰螺母機(jī)夾爪松開(kāi)，機(jī)器人夾爪抓住轉(zhuǎn)銷(xiāo)卸料取出，取出后再次循環(huán)，完成螺母上料工作。

在完成轉(zhuǎn)銷(xiāo)部件力學(xué)檢測(cè)工序后，需進(jìn)行卸螺母工作，轉(zhuǎn)銷(xiāo)的上料和夾緊過(guò)程同上；由人工再次按下啟動(dòng)按鈕，升降機(jī)構(gòu)開(kāi)始上升，當(dāng)上升到卸螺母啟動(dòng)位時(shí)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)正、反旋轉(zhuǎn)數(shù)次，使螺母進(jìn)入載具中，后按與下降速度匹配的速度開(kāi)始反向旋轉(zhuǎn)，直至升降機(jī)構(gòu)下降到起始位時(shí)停止，并發(fā)出卸料請(qǐng)求信號(hào)，夾爪松開(kāi)，機(jī)器人抓住轉(zhuǎn)銷(xiāo)卸料取出。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大型港口起重機(jī)械關(guān)鍵零件轉(zhuǎn)銷(xiāo)部件工藝流程分析，提取轉(zhuǎn)銷(xiāo)部件制造過(guò)程中的關(guān)鍵工序，針對(duì)滾絲加工工序和自動(dòng)拉伸試驗(yàn)工序深入分析并設(shè)計(jì)自動(dòng)化方案，實(shí)現(xiàn)了工藝流程的自動(dòng)化銜接，有效降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)備可靠性好，在降低成本的同時(shí)，能有效提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。