基于工業機器人的氣缸蓋碗型塞壓裝工藝開發

侯瀟帥，王永生，李東波，劉丁丁

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

氣缸蓋是柴油機的重要零部件。目前柴油機市場細分程度增加，柴油機種類繁多，氣缸蓋隨之不斷推陳出新，產品結構不斷優化，生產模式已由單一品種轉變為多品種生產[1]。現行的氣缸蓋專機生產線無法滿足多品種的柔性生產要求，工業機器人代替專機的生產模式勢在必行。機器人具有精度高、效率快、柔性程度高等優點，可滿足柔性生產線的需要[2]。

本文中基于虛擬仿真技術，對機器人壓裝碗型塞工藝進行開發，設計壓裝所需夾具、夾具支撐裝置等必要設備，通過模擬實際生產過程，論證機器人壓裝碗型塞的可行性，對于保證產品質量、論證柔性化制造方案和降低設備投資風險具有重要意義[3]。

1 碗型塞壓裝工藝流程及風險

1.1 壓裝流程

機器人夾持氣缸蓋靠近涂膠器，涂膠器向碗型塞底孔內涂膠。涂膠完成后，機器人夾持氣缸蓋靠近氣缸，壓裝相應的碗型塞。

1.2 潛在風險分析

1.2.1 漏涂膠

涂膠器向碗型塞底孔內涂膠時，操作者無法看清機床內部情況，若涂膠器故障導致碗型塞底孔內無膠，但是設備仍然工作，無法判斷該缸蓋碗型塞底孔是否有膠。碗型塞底孔無膠可導致柴油機漏防凍液，存在較大的質量隱患。

1.2.2 機器人受力過大

碗型塞與碗型塞底孔之間為過盈配合，機器人夾持氣缸蓋壓裝碗型塞，當電缸壓力達到15～20 kN時，超過機器人手臂承壓能力，機器人手臂被迫移位，無法完成壓裝。

1.2.3 壓裝精度超過公差范圍

機器人手臂可自由活動，難以控制碗型塞底孔與電缸壓頭的同軸度在Φ0.05 mm以內，不能保證壓裝精度。如果碗型塞底孔與電缸壓頭的同軸度大于Φ0.05 mm，壓裝時碗型塞底孔可劃傷碗型塞，造成發動機漏水。

1.2.4 無法識別氣缸蓋種類

當不同型號的氣缸蓋在同一條流水線加工時，若機器人無法識別氣缸蓋型號，若仍然按照一種程序壓裝，可導致電缸壓頭與氣缸蓋相撞，損壞設備，或造成錯、漏壓碗型塞，導致產品質量問題。

1.3 潛在風險解決方法

1.3.1 漏涂膠

在氣缸蓋涂膠完成后，利用視覺識別技術，對碗型塞底孔進行拍照，依據密封膠的色差判斷是否涂膠。若檢測出漏涂膠，則停機報警。

1.3.2 機器人受力過大

設計夾具支撐裝置，機器人夾持氣缸蓋壓裝碗型塞時，氣缸蓋底面貼合在夾具支撐塊上，并在夾具支撐裝置上設置氣檢，以此判斷氣缸蓋底面是否與夾具支撐塊完全貼合。電缸壓力與支撐塊對氣缸蓋支持力相互抵消，機器人手臂處于受力平衡狀態，避免因受力過大而移位。

1.3.3 壓裝精度超過公差范圍

設計制作氣缸蓋樣件、檢棒、檢塊，以便確定壓裝點，保證碗型塞底孔與電缸壓頭的同軸度合格。氣缸蓋樣件碗型塞底孔的位置度應盡可能接近0；檢棒的一部分與樣件的碗型塞底孔配合安裝，另一部分與電缸壓頭配合安裝；檢塊為檢測同軸度是否符合要求的標準塊。確定壓裝點和檢測同軸度方法為：以電缸壓頭部分檢棒為基準，將檢塊套在檢棒上，調整機器人位置，將樣件上的檢棒插入檢塊時的機器人位置定義為壓裝點，實現壓裝同軸度合格。

1.3.4 無法識別氣缸蓋種類

在氣缸蓋上粘貼包含氣缸蓋類型信息的二維碼，當氣缸蓋進入流水線時，掃描二維碼，即可識別氣缸蓋種類。當檢測出不同類型氣缸蓋時，自動切換為相應的壓裝程序，保證生產正常進行。

1.4 生產節拍分析

生產節拍是影響產能的重要因素，應用新技術、新工藝時，必須計算好各工位的循環時間，各工位的循環時間總和應小于等于生產節拍[4]。以機器人壓裝5個碗型塞為例，壓裝需設輸送、抓取、涂膠、檢測、壓裝、放料、輔助7個工位，各個工位循環時間分別為5、5、15、15、20、5、10 s。

每件氣缸蓋碗型塞壓裝總時間為75 s，大于生產線40 s/件的額定生產節拍。因此，為滿足生產線節拍要求，選擇2個機器人進行壓裝。

2 碗型塞壓裝系統仿真設計

2.1 夾具設計

在壓裝碗型塞的過程中需采用夾具固定氣缸蓋，并使氣缸蓋具有正確的姿態和位置。為滿足碗型塞壓裝工序各工位的作業要求，設計新夾具，新夾具模型如圖1所示。

圖1 夾具模型

夾具設計為“一面兩銷”定位：“一面”為氣缸蓋下平面；“兩銷”為氣缸蓋定位銷孔，一個圓銷，一個菱形銷。夾具采用氣缸帶動卡板，夾緊氣缸蓋上平面，限制氣缸蓋6個自由度，滿足氣缸蓋各工位作業要求。

2.2 輸送輥道設計

輸送輥道模型如圖2所示。氣缸蓋沿輥道從左到右依次輸送，利用擋料氣缸對氣缸蓋進行預定位，在輥道上設計頂升裝置，將氣缸蓋升高，便于機器人夾具精準夾持氣缸蓋，且不與輥道產生干涉。當碗型塞壓裝完畢后，將氣缸蓋放入第二個頂升機構，氣缸蓋下落，輥道自動將其輸送到下一道工序。

圖2 輸送輥道模型

2.3 壓裝機構設計

碗型塞壓裝機構模型如圖3所示。壓裝碗型塞時，氣缸蓋需與電缸壓頭保持垂直，當機器人手臂不能承受電缸壓力時，需設計夾具支撐裝置，抵消機器人手臂所受的電缸壓力。在夾具支撐裝置上設置2個氣檢孔，既可檢測機器人夾具是否緊靠夾具支撐裝置，又可判斷夾具在此位置時，氣缸蓋是否與電缸壓頭垂直。因氣缸蓋上碗型塞種類不同，以壓裝5種碗型塞為例，選用5種壓軸，由伺服滑臺驅動。當壓裝相應的碗型塞時，機器人夾持氣缸蓋，將相應的碗型塞底孔對準電缸壓頭，伺服滑臺驅動相應的碗型塞壓軸對準電缸壓頭，電缸壓頭伸出驅動碗型塞壓軸，將碗型塞壓入氣缸蓋碗型塞底孔中，同理依次壓裝其余4個碗型塞。

a) 側面 b) 氣檢塊 c) 正面圖3 壓裝機構模型

2.4 碗型塞壓裝工藝總體布局

根據生產線現場實際情況，測量實際可利用的場地面積，進行碗形塞壓裝系統總體布局設計。系統仿真設計采用FANUC公司的Roboguide軟件，機器人、防護欄、配電柜等由Roboguide模型庫提供，利用SolidWorks軟件建立壓裝機構、夾具等的模型，然后導入Roboguide軟件中，完成機器人壓裝碗型塞工藝布局仿真[5-6]，如圖4所示。

圖4 機器人壓裝碗型塞工藝布局

3 碗型塞壓裝工藝流程

碗型塞壓裝工序分8個工位，根據流水線生產節拍需求由2個機器人完成。

3.1 上料工位

上料工位將連續到來的氣缸蓋依次輸送到下一工位 ，同時檢測識別氣缸蓋姿態、掃描氣缸蓋二維碼，自動切換相應壓裝程序。該工位詳細流程為：氣缸蓋沿輥道輸送到該工位→擋料氣缸擋料→讀取氣缸蓋二維碼信息并傳遞給可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)[7]及工控機→若下工位無料則擋料氣缸放料→氣缸蓋輸送到下一工位。

3.2 涂膠一工位

涂膠一工位負責完成對氣缸蓋碗型塞孔的涂膠并檢測涂膠效果。該工位詳細流程為：氣缸蓋到達→頂升裝置抬起氣缸蓋→機器人夾持涂膠器對氣缸蓋上平面、右側面和左側面上的碗型塞孔進行涂膠→影像傳感器檢測涂膠效果→頂升裝置落下→擋料氣缸放料→氣缸蓋輸送到下一工位。

3.3 翻轉涂膠二工位

翻轉涂膠二工位負責完成缸蓋剩余碗型塞孔的涂膠并檢測。該工位詳細流程為：擋料器擋料→輥道將缸蓋輸送到本工位→翻轉裝置向下→翻轉夾緊裝置將氣缸蓋夾緊→翻轉裝置向上→機器人夾持氣缸蓋對剩余碗型塞孔進行涂膠→影像傳感器檢測涂膠效果→翻轉裝置向下，將氣缸蓋放置于輥道上→擋料氣缸放料→輥道將氣缸蓋輸送到下一工位。

3.4 空工位

空工位負責完成缸蓋的暫存，在涂膠工位和壓裝工位間起銜接作用，涂膠工位完成后，將氣缸蓋放置于空工位，壓裝工位機器人將氣缸蓋從空工位抓起。

3.5 抓料工位

抓料工位的主要工作是頂起氣缸蓋，機器人抓取氣缸蓋。該工位詳細流程為：擋料氣缸擋料→機動輥道將缸蓋輸送到本工位→頂升裝置抬起氣缸蓋→機器人抓取氣缸蓋。

3.6 碗型塞壓裝工位：

碗型塞壓裝工位完成氣缸蓋碗型塞的壓裝。該工位詳細流程為：機器人夾持氣缸蓋移位到壓裝工位→氣缸蓋底面靠上夾具支撐塊→壓軸向前壓裝上平面上的碗型塞→壓軸退回→機器人夾持氣缸蓋回轉→氣缸蓋右側面靠上夾具支撐塊→壓軸向前壓裝左側面上的碗型塞→壓軸退回→機器人夾持氣缸蓋移位到下一工位。

3.7 機器人放料工位

機器人放料工位完成裝配好的氣缸蓋下料，與下一工序對接。該工位詳細流程為：抬起裝置向上抬起→機器人夾持氣缸蓋移位到本工位→將氣缸蓋放到抬起裝置上→機器人夾具松開→機器人移出→抬起裝置下降，氣缸蓋落到機動輥道上→擋料器落下，機動輥道將氣缸蓋輸送到下一工位。

3.8 下料工位

下料工位將上一工位輸送來的氣缸蓋依次釋放到下一設備。

4 仿真驗證

4.1 機器人壓裝碗型塞系統仿真I/O信號

在實際的碗型塞壓裝系統中，以PLC為控制單元，采用Profinet現場總線，將PLC與機器人、輥道、壓裝機構等設備連接，建立各設備間的通信。在仿真系統中，利用HandlingPRO模塊與機器人系統進行信號交互，代替了PLC的功能，實現整個機器人壓裝碗型塞系統的仿真[8-9]。機器人碗型塞壓裝系統部分仿真I/O信號如表1所示。

表1 機器人碗型塞壓裝系統部分仿真I/O信號

4.2 離線編程

在機器人壓裝碗型塞仿真系統設計完成后，根據工藝流程，利用Roboguide軟件進行離線編程，并示教目標點，機器人離線程序包括1個主程序和4個子程序，子程序完成抓取、涂膠、壓裝、放料等4個工位動作，主程序將4個子程序串聯起來，完成機器人碗型塞壓裝整個工序動作。機器人壓碗型塞程序流程圖如圖5所示。

圖5 機器人壓碗型塞程序流程圖

4.3 驗證

根據編好的程序進行仿真，可以分析壓裝過程中各設備是否相互干涉，程序節拍是否滿足生產線額定節拍，并針對問題點進行優化改進[10]。

仿真結果表明，設備安裝滿足場地要求，壓裝過程中未出現干涉點，生產節拍為36 s/件，滿足生產要求。

按照仿真設計，進行設備制作、安裝、調試，經實際工藝驗證，壓裝碗型塞設備滿足設計要求和現場實際生產要求。

5 結語

采用計算機虛擬仿真技術設計了機器人壓裝碗型塞設備，開發了機器人壓裝碗型塞的新工藝。著重對設備模型的創建與布局、設備之間的通信、機器人離線編程進行模擬仿真，實現了機器人壓裝碗型塞系統的仿真運行。仿真結果表明：設備安裝滿足場地要求，壓裝過程中未出現干涉點，生產節拍為36 s/件，滿足生產要求。

利用計算機虛擬仿真技術構建機器人壓裝碗型塞系統，驗證機器人應用在氣缸蓋生產線上的可行性，并有效預見潛在失效模式，降低投資風險。