多型號(hào)閥體產(chǎn)品智能化測(cè)量單元搭建研究

陳曉航 張乃方 郭華 李雄飛

摘? 要：閥體類產(chǎn)品為多型號(hào)中批量的精益生產(chǎn)加工模式。為適應(yīng)現(xiàn)有加工節(jié)奏，原有的檢驗(yàn)手工尺寸檢測(cè)模式需被全自動(dòng)智能化測(cè)量單元替代。文章針對(duì)閥體類零件，設(shè)計(jì)測(cè)量方案、選取專用機(jī)器人、組建測(cè)量系統(tǒng)、設(shè)計(jì)專用定位工裝、開發(fā)數(shù)控測(cè)量程序、實(shí)現(xiàn)精確高效的批量產(chǎn)品自動(dòng)測(cè)量；并針對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行重復(fù)性驗(yàn)證分析，對(duì)后續(xù)優(yōu)化測(cè)量方案奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：閥體；多品種；智能化；全自動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）01-0151-04

Research on the Construction of Intelligent Measurement Unit for Multi-Model Valve Body Products

CHEN Xiaohang1， ZHANG Naifang1， GUO Hua2， LI Xiongfei3

（1.Xi'an Aerospace Engine Co.， Ltd.， Xi'an? 710100， China; 2.School of Art and Design， Xi'an University of Technology， Xi'an? 710048， China; 3.School of Computer Science， Shaanxi Normal University， Xi'an? 710119， China）

Abstract： Valve body products are lean production and processing modes of multi-model and medium-volume production. In order to adapt to the existing processing rhythm， the original manual dimension measurement mode needs to be replaced by a fully automatic and intelligent measurement unit. This paper is aimed at valve body parts， designs measurement plans， selects special robots， sets up measurement systems， designs special positioning tooling， develops CNC measurement programs， and achieves accurate and efficient automatic measurement of batch products. And it repeats the verification analysis of the measurement results to lay the foundation for the subsequent optimization of the measurement plan.

Keywords： valve body; multi-variety; intelligent; fully automatic

0? 引? 言

電磁閥閥體是姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分之一，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)的精準(zhǔn)控制，近年來隨著電磁閥產(chǎn)量的成倍增加，電磁閥閥體的檢驗(yàn)成了制約電磁閥交付節(jié)點(diǎn)的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)大量的尺寸及形位公差在手工檢驗(yàn)時(shí)繁瑣過程也容易導(dǎo)致檢驗(yàn)結(jié)果的一致性不高，檢測(cè)效率低。隨著自動(dòng)化、智能化產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電磁閥閥體的自動(dòng)化智能化檢測(cè)也勢(shì)在必行[1]。

1? 智能化測(cè)量單元整體框架設(shè)計(jì)

1.1? 單元構(gòu)建條件分析

車間共有不少于20種閥體類產(chǎn)品需進(jìn)行總檢全尺寸檢測(cè)，參與智能化檢測(cè)單元構(gòu)建的設(shè)備主要包括LETIZ三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和ABB工業(yè)機(jī)器人。

1.2? 單元檢測(cè)模式分析

單一品種的大規(guī)模生產(chǎn)任務(wù)是智能計(jì)量單元的主要服務(wù)對(duì)象[2]，因?yàn)閱我黄贩N少量生產(chǎn)檢測(cè)任務(wù)小，智能化測(cè)量會(huì)導(dǎo)致單元成本升高，因此產(chǎn)品的數(shù)量和成本率決定了智能計(jì)量單元意義。本文研究的閥體類產(chǎn)品智能化測(cè)量單元的生產(chǎn)任務(wù)，屬于多品種中批量生產(chǎn)任務(wù)類型，其特點(diǎn)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大多比較相似，零件種類多，裝夾位置相對(duì)比較固定，產(chǎn)品檢測(cè)工藝復(fù)雜，被測(cè)元素多。

1.3? 單元整體框架設(shè)計(jì)

應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)完成單元檢測(cè)過程中的產(chǎn)品自動(dòng)上下料是智能化測(cè)量單元構(gòu)建過程中最合適的選擇[3]。如圖1所示。將工業(yè)機(jī)器人安裝在上下料轉(zhuǎn)臺(tái)中間完成三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的自動(dòng)化上下料任務(wù)，利用這種通用在線自動(dòng)檢測(cè)模式，系統(tǒng)主要包含“通用檢測(cè)儀器”，“自動(dòng)導(dǎo)向的零件物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸、存儲(chǔ)和交換”，“自動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)”和“信息傳輸和交互網(wǎng)絡(luò)”。

在產(chǎn)品周轉(zhuǎn)方面，由于現(xiàn)場(chǎng)空間狹小，覆蓋的產(chǎn)品種類多，因此設(shè)計(jì)了分度式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)上下料工位方案，前方為待測(cè)區(qū)，后方為已檢區(qū)；在工裝方面，針對(duì)測(cè)量過程設(shè)計(jì)了一套特殊的自動(dòng)氣壓夾具，負(fù)責(zé)產(chǎn)品檢測(cè)時(shí)的定位和夾緊，在信息傳輸和交互網(wǎng)絡(luò)方面，針對(duì)該系統(tǒng)單元特征獨(dú)立開發(fā)了一套 “分布式集成控制系統(tǒng)”，負(fù)責(zé)單元內(nèi)設(shè)備之間的信息傳輸與交互。

2? 檢測(cè)單元設(shè)計(jì)方案

2.1? 氣壓夾具設(shè)計(jì)方案

閥體類產(chǎn)品多為軟磁合金材料，圓柱體結(jié)構(gòu)。共設(shè)計(jì)一套裝卡工裝可覆蓋外徑φ6 mm～φ50 mm閥體類產(chǎn)品的檢測(cè)工作。設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

2.2? 氣壓工裝控制原理

氣壓控制系統(tǒng)是基于空氣壓力和流量提供原始動(dòng)力，利用氣缸將空氣壓力和流量轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓緊和松開。通過控制各種閥門的大小和開關(guān)來改變壓力大小和方向，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向、行程和位置，完成各種不同動(dòng)作的需要[4]。氣動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制元件包括封閉汽缸、力傳感器、儲(chǔ)氣筒、機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其他輔助元件。壓力傳感器的反饋電信號(hào)和閥門的控制信號(hào)連接到系統(tǒng)控制核心PLC外設(shè)端口。系統(tǒng)控制柜通過總線與控制核心PLC進(jìn)行信息交換，PLC通過數(shù)字和模擬IO信號(hào)，控制氣壓閥方向，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工裝的夾緊和松開。

2.3? 分度式轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案

由于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地有限，并且本測(cè)量單元需覆蓋多種產(chǎn)品，傳統(tǒng)的產(chǎn)品存儲(chǔ)工位無法適應(yīng)檢測(cè)需求。設(shè)計(jì)可更換底座的六工位分度式轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)適用于智能化檢測(cè)單元的產(chǎn)品中轉(zhuǎn)方案。底板選用樹脂及軟鋁材料加工，在確保產(chǎn)品固定的同時(shí)，保證產(chǎn)品不會(huì)引起劃傷。底板周圍加工兩處旋轉(zhuǎn)更換銷，手動(dòng)即可更換底板，確保底板的適應(yīng)性。每塊底座上配備了不同規(guī)格的定位銷，可適應(yīng)不同種閥體產(chǎn)品的同時(shí)檢測(cè)需求。轉(zhuǎn)臺(tái)及底座如圖3所示。

2.4? 分度式轉(zhuǎn)臺(tái)控制原理

根據(jù)閥體圖號(hào)選用不同底板，將閥體產(chǎn)品放置于底板上，每塊底板最多可放置20個(gè)產(chǎn)品。分度式轉(zhuǎn)臺(tái)與總控PLC連接，根據(jù)控制指令進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。底板編號(hào)分為1～6號(hào)，在完成第一塊底板測(cè)量后，第二塊底板會(huì)轉(zhuǎn)到待測(cè)位，等待機(jī)器人的抓取，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所輸?shù)装鍞?shù)量確定轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)。

2.5? 自動(dòng)上下料技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人主要由機(jī)械主體、驅(qū)動(dòng)部件和控制器三個(gè)基本部分組成：主體是機(jī)座和執(zhí)行器，包括臂部、腕部和手部，驅(qū)動(dòng)裝置包括動(dòng)力單元和使執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而控制器則通過系統(tǒng)程序?qū)鲃?dòng)單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送指令信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)上下料的執(zhí)行者，在控制系統(tǒng)指揮下負(fù)責(zé)完成“工件在工作空間內(nèi)的位置運(yùn)動(dòng)”“姿態(tài)和軌跡的調(diào)整”等任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人按坐標(biāo)形式可分為直角坐標(biāo)、柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)、并聯(lián)機(jī)器人等[5]。自動(dòng)上下料系統(tǒng)由工業(yè)機(jī)器人和末端執(zhí)行裝置組成。在自動(dòng)上下料時(shí)，末端執(zhí)行裝置一般采用氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。隨著機(jī)器人技術(shù)的成熟和應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人一般都配備了內(nèi)置氣動(dòng)接口和24 V的IO控制輸入輸出，易于集成外部氣動(dòng)夾具。

2.6? 自動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇及軌跡規(guī)劃

自動(dòng)上下料系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般選擇工業(yè)機(jī)器人，選擇合理工業(yè)機(jī)器人的型號(hào)系統(tǒng)成功的關(guān)鍵，選擇時(shí)主要參考四個(gè)重要參數(shù)，如“運(yùn)動(dòng)范圍”“額定負(fù)荷”“軸數(shù)”“重復(fù)定位精度”[6]。本文采用機(jī)器人運(yùn)行路徑仿真的方法，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控設(shè)備布置參數(shù)確定“運(yùn)動(dòng)范圍”。根據(jù)“末端夾緊裝置重量、工裝最大重量”和“機(jī)器人載荷曲線”確定“額定負(fù)載”；由系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)靈活性要求確定運(yùn)動(dòng)軸數(shù)。最終選定型號(hào)ABB IBR1200-7/0.7。ABB IBR1200-7/0.7是一個(gè)6自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，額定負(fù)荷7 kg，移動(dòng)半徑為703 mm，重復(fù)定位精度為0.02 mm，包括機(jī)器人本體和機(jī)器人控制面板。機(jī)器人和氣動(dòng)夾緊系統(tǒng)集成在一起，形成一個(gè)自動(dòng)裝卸系統(tǒng)。

物料自動(dòng)上下料的過程可以利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的示教過程實(shí)現(xiàn)軌跡的規(guī)劃，在示教過程中確定機(jī)器人的運(yùn)行軌跡參數(shù)并存儲(chǔ)在機(jī)械人存儲(chǔ)器里。機(jī)器人道路智能規(guī)劃是提高生產(chǎn)速度和保證生產(chǎn)安全的重要手段。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡主要由直線、關(guān)節(jié)和弧線三種類型構(gòu)成。直線運(yùn)動(dòng)是指裝置在兩個(gè)給定點(diǎn)之間的沿著直線運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是裝置以最適合裝配的方式在兩個(gè)點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)，圓弧運(yùn)動(dòng)是指裝置沿三個(gè)給定點(diǎn)確定的圓弧軌跡上運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)點(diǎn)分為兩類，如圖4所示，F(xiàn)ine表示機(jī)器人的運(yùn)行在該點(diǎn)終止，速度降為0。CNT表示機(jī)器人的運(yùn)行在該點(diǎn)附近終止，且保持運(yùn)行速度不變或下降到指定比例。機(jī)器人的運(yùn)行軌跡由這三種類型組成，機(jī)器人軌跡示教是指在任意空間位置下，通過點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方式使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到物流系統(tǒng)確定的理想位置，然后根據(jù)實(shí)際狀態(tài)確定點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)類型和結(jié)束點(diǎn)的類型，從而形成機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)軌跡，并滿足物料系統(tǒng)的需要。根據(jù)在線檢測(cè)工件實(shí)際裝卸位置和方式的需要，合理規(guī)劃機(jī)器人在裝卸過程中的軌跡和姿態(tài)，是保證在線檢測(cè)自動(dòng)物料裝卸的可行性和安全性的關(guān)鍵因素。

3? 自動(dòng)上下料系統(tǒng)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)集成

研制智能化測(cè)量單元控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是保證單元內(nèi)各設(shè)備之間通信的暢通和穩(wěn)定[7]，目前，由于實(shí)際現(xiàn)有設(shè)備的開放性不足，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的支持程度差別很大。所以該裝置的通信系統(tǒng)選擇以工業(yè)以太網(wǎng)為主，現(xiàn)場(chǎng)總線為輔的方式建立。上位機(jī)是設(shè)備的控制中心，是設(shè)備各部件的“通信終端”。，上位機(jī)基于不同層的TCP/IP協(xié)議完成與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、以及ABB工業(yè)機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)通信。工業(yè)機(jī)器人和西門子PLC通過PROFINT現(xiàn)場(chǎng)總線連接，有關(guān)機(jī)器人的數(shù)據(jù)信息通過現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送給PLC，PLC通過以太網(wǎng)發(fā)送給上位機(jī)。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與機(jī)器人都是單一設(shè)備，相互之間沒有任何聯(lián)系。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，三坐標(biāo)和機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的配合，如圖5所示。

上、下料時(shí)機(jī)器人首先運(yùn)動(dòng)到上料原始位置，然后機(jī)器人抓取工件，等待三坐標(biāo)發(fā)出上料請(qǐng)求，然后開始上料，三坐標(biāo)卡緊工件后，機(jī)器手退回到原始位置，這樣機(jī)器手上料動(dòng)作就完成了，下料與上料動(dòng)作類似。經(jīng)初步分析，執(zhí)行握手操作需要信號(hào)交互。三坐標(biāo)和機(jī)器人的電氣部分也需要集成在一起。動(dòng)作信號(hào)主要包含：

（1）來自三坐標(biāo)一側(cè)的：三坐標(biāo)上料請(qǐng)求、三坐標(biāo)上定位工裝卡緊工件、三坐標(biāo)松開工件等；

（2）以及來自機(jī)器人的：機(jī)器人進(jìn)給到三坐標(biāo)固定工裝，機(jī)器人在卡盤夾緊后返回，卸料時(shí)機(jī)器人夾住工件，機(jī)器人在卸載后離開機(jī)床等。

具體方案是在三坐標(biāo)測(cè)量臺(tái)上固定1套共用卡緊工裝，12個(gè)待測(cè)工位和電氣快速連接系統(tǒng)；使用PLC編寫邏輯控制程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人裝夾和工裝環(huán)節(jié)控制。然后根據(jù)裝卸機(jī)器人的握手動(dòng)作對(duì)其進(jìn)行拆卸，用PLC的PROFINT網(wǎng)絡(luò)定義三坐標(biāo)、機(jī)器人的每1個(gè)動(dòng)作；這樣既方便實(shí)現(xiàn)每1個(gè)動(dòng)作之間邏輯關(guān)系，也可以利用上位機(jī)監(jiān)控三坐標(biāo)及機(jī)器人動(dòng)作。

4? 自動(dòng)化檢測(cè)單元運(yùn)行效果評(píng)價(jià)

經(jīng)自動(dòng)化檢測(cè)搭建后統(tǒng)計(jì)，閥體檢測(cè)單元可實(shí)現(xiàn)21種產(chǎn)品全自動(dòng)檢測(cè)，人工參與時(shí)間不超過總檢測(cè)時(shí)間2%，實(shí)現(xiàn)了無人值守測(cè)量，年節(jié)約人力成本30余萬元。單件閥體可檢測(cè)17～30項(xiàng)公差尺寸，測(cè)量時(shí)間約5分鐘，檢測(cè)效率提升300%。為了分析各主要因素的穩(wěn)定性，在相同測(cè)量條件下，對(duì)21種產(chǎn)品各取20件重復(fù)上下料裝夾6次并測(cè)量。對(duì)6次測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，驗(yàn)證自動(dòng)化檢測(cè)的重復(fù)性精度，利用貝塞爾公式進(jìn)行重復(fù)性分析如圖6所示。

經(jīng)分析，閥體產(chǎn)品經(jīng)機(jī)器人上下料后使用三坐標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)重復(fù)性精度不大于0.005 mm，因此，檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，滿足測(cè)量要求。

5? 結(jié)? 論

閥體類產(chǎn)品智能化測(cè)量單元可實(shí)現(xiàn)21種產(chǎn)品的全自動(dòng)無人值守總檢工作；檢測(cè)效率提升3倍以上，其測(cè)量重復(fù)性精度介于0.003 mm～0.005 mm之間，產(chǎn)品檢測(cè)項(xiàng)目覆蓋率均達(dá)到或超過70%。現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品檢測(cè)效率得到有效提高，檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性得到有效保障。采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)配合機(jī)械人的測(cè)量系統(tǒng)通過上述理論研究及搭建可解決了閥體類零件這一測(cè)量難題，測(cè)量方法已通過編程完成了測(cè)量驗(yàn)證；閥體類產(chǎn)品智能化測(cè)單元已完成全部聯(lián)調(diào)工作，這是廠內(nèi)首次智能化檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，徹底解決了傳統(tǒng)測(cè)量方法帶來的問題和隱患，提高了測(cè)量準(zhǔn)確性和測(cè)量效率，后續(xù)將對(duì)自動(dòng)測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)及方法進(jìn)行總結(jié)、推廣，為以后的自動(dòng)檢測(cè)生產(chǎn)線搭建工作奠定基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：李雄飛（1995—），男，漢族，河北邯鄲人，碩士研究生在讀，研究方向：隱私保護(hù)。

收稿日期：2022-09-10