宋 凱，王 內(nèi)，劉志江SONG Kai， WANG Nei， LIU Zhi-jiang（中船重工第722研究所，武漢 430200）

基于機器人集成的蒸發(fā)器自動切割組裝設備研究

宋 凱，王 內(nèi)，劉志江
SONG Kai， WANG Nei， LIU Zhi-jiang
（中船重工第722研究所，武漢 430200）

設計了一套全新而且有效的針對空調(diào)蒸發(fā)器自動切割鎖付并組裝下料的自動化設備系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對目前標準化規(guī)范極不完善且個體差異性較大的空調(diào)蒸發(fā)器的自動切割組裝成型提供了一套相對完善有效的解決方案。首先介紹了整套方案的研發(fā)背景和功能組成，之后提出時序控制方法和公用資源交叉調(diào)度思路以解決多子系統(tǒng)間的配合難題，文章最后利用積差相關(guān)系數(shù)分析各個可能影響因子對于準確鎖付所需對孔精度的影響并將分析結(jié)果應用于生產(chǎn)實踐，實踐結(jié)果證明了這套空調(diào)蒸發(fā)器自動切割組裝設備解決方案和分析設計思路在實際生產(chǎn)中的有效性和穩(wěn)定性。

非標自動化；空調(diào)自動化設備；機器人集成；時序控制策略；積差相關(guān)分析

0　引言

工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多個學科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備?，F(xiàn)今，在制造業(yè)，機器人的制造和應用水平，可體現(xiàn)一個國家的整體制造業(yè)水平和科技發(fā)展水平［1］。將工業(yè)機器人合理的應用到自動化生產(chǎn)設備中來，不僅可以提高生產(chǎn)效率，減輕勞動強度，而且能改善工人的勞動環(huán)境，對提升工人的素質(zhì)也具備重要意義。同時，機器人具備標準化、智能化等特點，通過編輯特定的應用程序和設計合適的夾爪機構(gòu)，可快速適應不同的自動化應用需求，具有很高的重復利用率和極高的經(jīng)濟效益。

1　空調(diào)自動化背景綜述及蒸發(fā)器自動化設備研發(fā)難點

圖1　空調(diào)蒸發(fā)器的生產(chǎn)現(xiàn)狀

空調(diào)蒸發(fā)器的切割組裝在空調(diào)或近似領(lǐng)域的整套工序中是必要而且相對復雜的工序，每條生產(chǎn)線據(jù)統(tǒng)計平均需要至少4～6人合作完成，如圖1所示。由于空調(diào)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)工藝以及加工裝配工藝在全世界范圍內(nèi)尚未標準化，這樣就導致空調(diào)蒸發(fā)器的型號和規(guī)格繁多，不同品牌甚至不同型號的空調(diào)所用的蒸發(fā)器幾乎都沒有互換性。即使是同品牌同型號的空調(diào)蒸發(fā)器，由于結(jié)構(gòu)和裝配工藝的設計都是面向人工操作，因此國內(nèi)幾乎所有工廠的蒸發(fā)器的尺寸精度控制都相對較差，比如蒸發(fā)器整體尺寸的誤差甚至達到±5mm之多。如今空調(diào)蒸發(fā)器的切割組裝成型全國范圍內(nèi)都是依賴人工合作手動完成，世界范圍內(nèi)迄今并沒有出現(xiàn)過任何成熟的空調(diào)蒸發(fā)器的切割組裝設備成套。

隨著工業(yè)4.0時代的到臨，同時面臨國內(nèi)人口紅利的消失和人工成本的大幅度提升，國內(nèi)幾乎所有大型工廠都在尋求各種形式的工業(yè)自動化舉措，工廠的“去人化”趨勢越來越明顯。針對空調(diào)設備生產(chǎn)的自動化領(lǐng)域中，蒸發(fā)器的切割組裝是其中必要而且相對復雜的一環(huán)。要實現(xiàn)空調(diào)設備的“去人化”自動生產(chǎn)，解決蒸發(fā)器的自動切割組裝問題十分必要而且難度極大。而就現(xiàn)如今全國各大空調(diào)設備廠并未有對蒸發(fā)器的整體尺寸精度和工藝特征按自動化的標準需求設計改進的前提下，要保證自動化改造的設備具備足夠的成功率、安全性和穩(wěn)定性，蒸發(fā)器的自動切割組裝設備研發(fā)的難度系數(shù)極大。

該設備具備一般工業(yè)非標自動化項目所有的難點如：

1）工廠環(huán)境惡劣，粉塵噪音等因素比較嚴重；

2）空間受限，三維空間存在較多的障礙物，影響設備布局；

3）工序比較繁雜，工件結(jié)構(gòu)工藝性往往面向傳統(tǒng)的手工操作方式。

除此之外，空調(diào)蒸發(fā)器的自動化切割組裝設備也存在其獨特的難點，比如：

1）待加工件規(guī)格較多，裝配形式多樣，設備適應性要求較高；

2）即使同一規(guī)格同一批次尺寸精度控制也極差，個體差異較大，同時熱變形也極為嚴重。

2　設備整體方案

空調(diào)蒸發(fā)器的自動化切割組裝設備存在的問題中，首當其沖的就是翅片本身的結(jié)構(gòu)工藝性主要面向傳統(tǒng)工廠模式下的“手動模式”。在不至于影響空調(diào)工廠整線整體現(xiàn)狀的前提下，需要設備盡量先適應工件這種“手動模式”的工藝特征。本文嘗試利用6軸工業(yè)機器人的靈活性，通過使用擬人化的片管件組裝技術(shù)，實現(xiàn)目前僅能通過多人手工配合完成的裝配工序，本技術(shù)的大致流程如圖2所示。

以擬人化的片管件組裝技術(shù)為系統(tǒng)設計方案的基礎(chǔ)，最后成型的蒸發(fā)器自動切割組裝設備主要包括七大模塊：翅片上料定位模塊、機器人轉(zhuǎn)運模塊、雙工位切片工作臺模塊、螺絲自動鎖付模塊、下料線模塊、中央控制系統(tǒng)以及氣動系統(tǒng)，設備整體布局如圖3所示。

設備各個模塊的主要功能在于：

1）翅片上料定位模塊，該模塊主要用于連續(xù)的按固定節(jié)拍將所述分體蒸發(fā)器輸送至設定位置，方便機器人抓取；

2）機器人轉(zhuǎn)運模塊，該模塊用于將所述分體蒸發(fā)器自翅片上料定位模塊準確抓取至工作臺，輔助完成矯形、切割、對孔鎖付以及折彎成型后下料等一系列工序；

3）雙工位切片工作臺模塊，該模塊用于對所述分體蒸發(fā)器進行定位、矯形并按設定的切割線對矯形后的所述分體蒸發(fā)器進行切割和螺絲鎖付，其后將所述分體蒸發(fā)器折彎至設定角度成型；

圖2　擬人化的片管件組裝技術(shù)

4）螺絲自動鎖付模塊在翅片邊板對孔后，自動將翅片左右兩邊的螺絲打入并擰緊，并在兩個切割鎖付工位間來回移動切換；

圖3　分體蒸發(fā)器自動切割鎖付設備

5）下料線模塊與后續(xù)人工焊接線對接，將裝配完成的分體蒸發(fā)器成品有序的輸送至人工焊接工位；

6）中央控制系統(tǒng)用來控制整條生產(chǎn)線的運行并監(jiān)測各個子模塊的運行狀態(tài)；

7）氣動系統(tǒng)為動力輔助系統(tǒng)，為其他模塊的相關(guān)氣動執(zhí)行元件提供穩(wěn)定的壓縮空氣。

上述七個模塊相互聯(lián)系，互相協(xié)作，構(gòu)成整臺設備。

3　控制系統(tǒng)簡述

3.1控制系統(tǒng)軟硬件設計

本控制系統(tǒng)主要采用基于可編程控制器PLC（三菱FX3U-128MT/ES-A）和觸摸屏模塊（三菱GS2110-WTBD）的控制架構(gòu)，控制系統(tǒng)主要包含了可編程控制器PLC、IO模組、觸摸屏模塊、光電傳感器、氣缸等氣動執(zhí)行元件、伺服電機等電動執(zhí)行元件、工業(yè)機器人、上下料線體以及鎖付機等模塊。

控制軟件主要由三菱觸摸屏模塊GS2110-WTBD構(gòu)建人機交互界面，利用三菱可編程控制器FX3U-128MT/ ES-A構(gòu)建系統(tǒng)主控程序的梯形原理圖，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)各個組件或者模塊的協(xié)同控制功能。利用三菱觸摸屏模塊GS2110-WTBD構(gòu)建人機交互主界面如圖4所示。

3.2雙工位系統(tǒng)控制流程設計

如圖3所示，由于兩套對稱布置的機器人系統(tǒng)共用一條上料線和同一對鎖付機模塊，故控制系統(tǒng)首先要解決的問題是怎樣合理布局雙邊工位的機械臂工作時序，保證雙工位能夠交叉使用公用資源，而不出現(xiàn)設備等待或資源浪費等情況。

圖4　人機UI界面設計

本自動化設備的主要工序過程為：取料、矯形、切割鎖付、折彎下料。假設單邊工位返回原待機位的周期為時間T，那么系統(tǒng)單片翅片的成型加工時間約為T/2。在系統(tǒng)正常運行期間（不考慮異常的前提下），若能保證公用資源如上料線模塊和鎖付機模塊的單個工作循環(huán)周期τ≤T/2，在保證雙邊工位起始時間延遲為時T/2，即可保證系統(tǒng)雙工位同步有序交叉運行。

由于需要兼顧的子系統(tǒng)太多，本系統(tǒng)考慮以系統(tǒng)的起始端即上料模塊的翅片到位時間為總系統(tǒng)的調(diào)度控制信號。比如可以上料線A、B工位翅片到位信號為系統(tǒng)初始化啟動信號，先B工位再A工位取料的方式，雙工位的啟動延時設置為?？紤]到上料疏漏（缺失）、錯誤報警復位以及系統(tǒng)啟動和上料中斷或系統(tǒng)停止等常見特殊情形的系統(tǒng)控制流程圖如圖5所示。

圖5　基于上料端的系統(tǒng)主控制流程圖

4　基于積差相關(guān)系數(shù)的對孔精度分析

翅片在經(jīng)過矯形、切割等工序后，被切斷的部分翅片將進入對孔鎖付工序，切斷部分翅片主要是通過兩個側(cè)面的薄邊板上鎖付2～4顆螺絲與主體翅片固定成型的，對孔的效果圖如圖6中部拐角結(jié)合處所示。經(jīng)過批量抽樣測量發(fā)現(xiàn)，存在著較大尺寸和形位公差的空調(diào)蒸發(fā)器主要有以下幾個參數(shù)可能影響對孔精度：

長度方向的公差ΔX、寬度方向的公差ΔY、左/右邊板距翅片側(cè)面間距D、直線度Lf、平面度Sf。

圖6　對孔效果圖

下面需要研究上述所有參數(shù)對對孔精度的影響，對孔精度本文利用孔縫大小Rs來衡量。如圖7所示，由于翅片切割翻轉(zhuǎn)折彎對孔后容易測量的是內(nèi)側(cè)小孔露出部分，故將兩相交圓弧沿圓心方向最大間距定義為孔縫大小Rs，如圖7所示。

圖7　孔縫大小示意圖

由圖7易知，待鎖付的2個薄邊板圓孔的同心度Ds的計算公式如下：

可見，同軸度Ds與孔縫大小Rs線性相關(guān)，所以衡量各個參數(shù)與孔縫大小Rs（容易測量）之間的相關(guān)性，即可以考量各個參數(shù)對對孔精度的影響程度大小。

在工廠現(xiàn)場同一規(guī)格同一批次的翅片中抽樣30個蒸發(fā)器翅片，依次測量翅片的各類數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

積差相關(guān)系數(shù)的概念由英國著名統(tǒng)計學家K Pearson和英國著名科學家F Galton分析人類身高遺傳問題時提出［4］。不同于一些測量數(shù)據(jù)之間明確的函數(shù)相關(guān)性，在實踐測量中一些數(shù)據(jù)之間常常只存在統(tǒng)計相關(guān)的規(guī)律性，需要用相關(guān)性分析作定量的研究，以便幫助我們做出正確的決策。Pearson積差相關(guān)系數(shù)是一種用來計算兩個變量線性相關(guān)的系數(shù)，通常用r或rxy表示，其作用是考察的兩個變量x與y組成的二維隨機向量（X，Y）的樣本相關(guān)系數(shù)，其計算公式如下：

將上述的各類參數(shù)如左邊板位置Dl等分別作為變量x，最后一項孔縫大小Rs作為變量y，考量各個參數(shù)與孔縫大小Rs的Pearson積差相關(guān)系數(shù)值大小，計算結(jié)果如表2所示。

基于以上結(jié)果可以得知，只有第六項積差相關(guān)系數(shù)

表1　翅片參數(shù)

【】【】的值，即|rxy|>0.7，即可得知平面度Sf對對孔精度（與孔縫大小Rs線性相關(guān)）存在較大的負線性相關(guān)性，其余參數(shù)由于積差相關(guān)系數(shù)均明顯小于0.4，說明其對對孔精度的影響并不顯著。

表2　計算結(jié)果

實際上在蒸發(fā)器的自動切割組裝成型過程中，對孔成功率的提高對自動化切割組裝成型的工藝至關(guān)重要。綜合以上分析結(jié)果，可以得知，提高設備對孔成功率首先就意味著需要從矯正翅片的平面度上（主要由于熱變形導致）著重考慮。

我們利用該自動化設備實際批量生產(chǎn)中實踐發(fā)現(xiàn)，對存在熱變形的翅片（數(shù)量極多）進行一系列的逆變形方向的施壓矯形之后，蒸發(fā)器的自動切割組裝成型工藝中，對孔精度能得到比較明顯的提高，設備的成功率也隨之得到比較大的提高，從而確保設備成功率滿足生產(chǎn)指標要求。

5　結(jié)束語

本文提出了一種全新而且有效的針對蒸發(fā)器自動切割鎖付并組裝下料的自動化設備系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對目前標準化規(guī)范并不完善而且存在個體差異多樣性的空調(diào)蒸發(fā)器的切割和自動組裝提供了一套相對完善有效的解決方案，圖8是某空調(diào)生產(chǎn)基地的本設備現(xiàn)場照片。該解決方案具備足夠有效的識別和矯形工藝，基于機器人和鎖付機的高剛度、高精度和高柔性，結(jié)合各種傳感元器件的快速識別和智能輔助功能，順利實現(xiàn)設備所需的加工工序和精度需求，同時也具備足夠快速的錯誤復位機制，從而保證該自動化設備具備足夠的安全性、高效率和穩(wěn)定性。

本文同時也提供了一種面向非標自動化行業(yè)尤其是空調(diào)自動化設備領(lǐng)域非標設計的一種行之有效的思路，針對空調(diào)分體蒸發(fā)器的自動切割組裝成型設計了全國首臺套自動化設備，針對設備子系統(tǒng)過多提出時序控制策略，對于系統(tǒng)公用資源的利用提出交叉調(diào)度思路，同時也利用積差相關(guān)系數(shù)分析可能參數(shù)對于分析結(jié)果的影響并將分析結(jié)果應用于生產(chǎn)實踐，都對非標自動化設備特別是空調(diào)自動化領(lǐng)域的設計具備良好的參考意義。

圖8　設備現(xiàn)場運行圖

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Research on automatic cutting and assembling equipment based on industrial robot integration technology

TP23

A

1009-0134（2016）08-0031-06

2016-04-25

宋凱（1976 -），男，甘肅寧縣人，高級工程師，本科，研究方向為機械設計及其自動化。