徐 鵬，顧 歡，李 陽，李 林

（中船重工第七一六研究所，連云港 222061）

燃氣計量表是國家規(guī)定的強制檢定計量儀器，其設計制造技術水平與質量穩(wěn)定性事關人民生命財產安全。隨著中國城市化進程的加快以及城市燃氣普及率的不斷提高，國內燃氣表需求量高速增長[1-2]。燃氣表的巨大市場需求，對燃氣表裝備生產效率和生產質量提出了更高要求，迫切需要提升燃氣表的制造裝備水平，實現(xiàn)數字化、智能化制造。

由于燃氣表結構復雜、品種多樣、裝配精度要求高，燃氣表生產制造智能化實施難度較大，故燃氣表生產仍主要以人工為主，不僅效率低下，而且產品返修率高，因此其生產制造能力遠低于市場需求。為此，本文對燃氣表成表自動化裝配部分進行研究。設計了一條包括9個作業(yè)模塊的燃氣表成表自動裝配生產線，對提高裝配效率，減少操作人員數量，提高成表裝配質量穩(wěn)定性和一致性具有重大的現(xiàn)實意義。

1 加工對象的描述及裝配工藝

燃氣表是一種依靠燃氣的壓力對外做功，通過傳動鏈推動計數器組件進行精確計數的一種計量裝置，是用于我國工用及民用燃氣流量貿易結算的強制檢定計量儀表[3]。燃氣表結構組成如圖1所示，由圖可知燃氣表主要由上蓋、下蓋、封圈、機芯組件、計數器組件等幾十種零部件組成，零部件種類多，結構復雜，零件制造及裝配工藝工序較多，裝配精度要求高。

圖1 燃氣表結構組成Fig.1 Structure composition of the gas meter

燃氣表成表裝配是指將組裝好的機芯體組件裝入到上下蓋中并壓封，其主要工藝流程如圖2所示。

圖2 燃氣表成表裝配工藝Fig.2 Gas meter table assembly process

2 生產線整體布局

燃氣表成表自動裝配生產線根據裝配工藝及最優(yōu)生產節(jié)拍的選擇設計了整體布局[4-5]，如圖3所示，共包括9個生產模塊：導軌輸送模塊、上蓋上料模塊、上蓋內軸涂油模塊、磁鋼組裝與裝配模塊、上蓋涂膠模塊、機芯上料與裝配模塊、下蓋上料與裝配模塊、封圈上料與裝配模塊、成表碼垛模塊[6]。本生產線采用帶有工裝板的直線導軌對工件進行輸送，然后工件被自動送入各個工位并裝配零件，整個裝配過程連續(xù)依次進行，且各工位并行流水線作業(yè)，大大提高整體效率。

圖3 生產線布局示意Fig.3 Production line layout

圖4 導軌輸送模塊示意Fig.4 Guide rail conveyor module diagram

成表自動裝配生產線的工作過程：三坐標機械手將上蓋放入導軌輸送模塊的工裝板上，并移動到下一工位；機械手對上蓋內軸涂油；磁鋼組裝設備將磁鋼體與磁鋼內外套組裝成一體，然后機械手抓取磁鋼組涂油，再裝配到上蓋中；涂膠機對上蓋涂膠；機械手抓取出氣管，對出氣管上下端涂油，然后裝配機械手將出氣管裝到機芯上；機芯裝出氣管后，機械手將機芯翻轉180°裝入上蓋；機械手抓取下蓋扣合到上蓋上；將封圈套入下蓋上，然后對封圈進行預彎；預彎后的成表被搬運機械手放入托盤內，當一層托盤放滿后，托盤被碼垛裝置堆疊成垛，堆好的垛由叉車或小車送出。

3 生產線關鍵模塊設計

3.1 導軌輸送模塊設計

導軌輸送模塊以步進的方式輸送，7 s為一步，將工件送入下一工位，如圖4所示。工裝板采用直線導軌輸送，輸送方式為環(huán)狀輸送，使得工裝板為連續(xù)式供應。工裝板由氣缸與定位銷定位，特點是輸送平穩(wěn)、定位精度高、使用壽命長、不易損壞、維護成本低。

3.2 磁鋼組裝與裝配模塊設計

磁鋼組裝與裝配模塊是將零散的磁鋼外套、磁鋼內套及磁鋼體組裝成組件后裝入上蓋。磁鋼組裝與裝配模塊由轉動工作臺、振動盤、托盤送料裝置、裝配機械手、磁鋼組裝配機械手、自動涂油裝置組成，如圖5所示。

圖5 磁鋼組裝與裝配模塊示意Fig.5 Magnetic steel assembly module diagram

轉動工作臺由減速機帶動，分割器傳動，可進行間歇式轉動。轉動臺上裝有工裝，用來定位工件；振動盤用于輸送磁鋼內套及磁鋼外套；磁鋼體送料采用托盤送料裝置，托盤疊層放置，由人工將磁鋼體預裝在托盤上；裝配機械手主要由機座、直線導軌、滾珠絲杠、氣缸、夾料手等部件構成，機械手可以在X與Y 2個方向運動，夾料手可根據零件的種類進行不同的設計，此模塊中有3個裝配機械手，分別為磁鋼裝配機械手、磁鋼內套裝配機械手、磁鋼外套裝配機械手；磁鋼組裝配機械手與裝配機械手類似，不同之處在于機械手前端可進行90°旋轉，旋轉由轉動氣缸控制；自動涂油裝置能夠自動供油，使用與維護方便。

該模塊自動化工作流程：磁組組件自動上料，其中磁鋼外套及磁鋼內套均由振動盤自動上料，磁鋼體為堆垛式上料。第一工位采用機械手對磁鋼內套自動上料移載至轉動工作臺工裝內，利用磁鋼內套異形卡口進行定位；第二工位采用機械手抓取磁鋼放入磁鋼內套后開始轉動下壓，使磁鋼上面的卡槽卡入磁鋼內套相應位置中，如圖6（a）所示。磁鋼裝配機械手上裝有扭矩控制裝置，在磁鋼卡到位后自動停止轉動，機械手縮回，完成磁鋼的裝配，工件被送入下一工位；第三工位主要完成磁鋼外套的自動上料組裝，磁鋼外套由離心上料機上料，由機械手抓取后卡入磁鋼內套上；第四工位機械手抓取磁鋼組，在涂油位置涂油后，機械手轉動90°，將磁鋼組裝入上蓋中相應位置，如圖 6（b）和 6（c）所示。

圖6 磁鋼裝配過程示意Fig.6 Magnetic steel assembly process diagram

3.3 機芯上料與裝配模塊設計

機芯上料與裝配模塊由送料小車、輥道輸送機、托盤升降裝置、三坐標機械手、導軌輸送機、振動盤、出氣管涂油裝置、出氣管裝配機械手、機芯裝配機械手組成，如圖7所示。

圖7 機芯上料與裝配模塊示意Fig.7 Movement loading and assembly module diagram

送料小車負責運載裝有機芯的托盤垛；輥道輸送機將托盤垛自動送入托盤升降裝置；托盤升降裝置將裝好機芯的托盤升到工作位置，等待機械手抓取機芯；三坐標機械手抓取機芯放到工裝內，并將空托盤取下放到托盤卸載位置；導軌輸送機將機芯依次送入各個工位；振動盤自動將出氣管送入指定工位；出氣管涂油裝置由1個機械手和2個海綿盒構成，如圖8所示。機械手夾住出氣管中部轉動90°到達海綿盒處，然后上下移動，分別將上下端伸入海綿盒內，使出氣管上下端都涂上油脂；出氣管裝配機械手主要由機座、直線導軌、滾珠絲杠、氣缸、夾料手等部件構成，夾料部分可旋轉并帶有力矩控制裝置。機械手先將出氣管裝入安裝孔，再將出氣管旋到指定位置后自動停止，然后機械手縮回，完成出氣管的裝配；機芯裝配機械手的夾料部分可翻轉180°，將機芯倒扣入上蓋中。

圖8 出氣管涂油裝置示意Fig.8 Outlet pipe oiling device diagram

托盤升降裝置由電機驅動，鏈輪鏈條傳動。鏈條上裝有擋塊，用來放置托盤，如圖9所示。當機械手把最上層的空托盤取走后，下一層的托盤上升到最上層。當裝有上蓋的托盤剩余不多時，系統(tǒng)報警，通知人員補充托盤，何時補充托盤可由人工設定。

圖9 托盤升降裝置原理Fig.9 Tray lifting device schematic

3.4 封圈上料與裝配模塊設計

封圈上料與裝配模塊由封圈送料裝置、裝配機械手、封圈預彎裝置組成，如圖10所示。

封圈呈十字交叉方式由人工疊放到一個特制托盤中，由8個立柱固定，此方式可避免封圈相互之間疊層卡?。蝗鴺搜b配機械手的取料手由6個小吸盤構成，可以吸住封圈裝入指定位置；封圈預彎裝置通過氣缸在2個位置預彎封圈，使封圈固定住上下蓋，不讓上下蓋脫落。

圖10 封圈上料與裝配模塊示意Fig.10 Ring loading and assembly module diagram

3.5 成表碼垛模塊設計

成表碼垛模塊由成表翻轉機械手、不合格品輸送機、三坐標機械手、托盤送料及碼垛裝置組成，如圖11所示。

圖11 成表碼垛模塊示意Fig.11 Table palletizing module diagram

成表翻轉機械手從輸送機上抓取裝好的燃氣表翻轉180°后放到另一工位上。其次，可將不合格產品抓取到輸送機上輸送至回收區(qū)；三坐標機器人從輸送機上夾取裝好的燃氣表放到托盤上；托盤送料裝置將空托盤從下層送往上層，實現(xiàn)托盤的供應，新的托盤由工人從料架下方放入；托盤碼垛裝置將放滿燃氣表的托盤從裝料工位送往碼垛工位。最上層托盤下有兩排滾輪，推料裝置由鏈輪鏈條帶動，推動托盤到達指定工位，如圖12所示。碼垛工位的托盤一層一層往下降，實現(xiàn)托盤堆疊碼垛。碼完垛的托盤由叉車或送料小車運走。

4 生產線實現(xiàn)

按照生產線的布局規(guī)劃，最終實現(xiàn)的燃氣表成表自動裝配生產線如圖13所示。

該自動裝配生產線的控制系統(tǒng)采用西門子的PLC S7-300型控制器+威倫觸摸屏[7-8]，用于執(zhí)行指令輸入、手自動控制切換、參數設置、裝配產量與質量統(tǒng)計、監(jiān)控畫面顯示以及故障原因顯示等[7]。生產線實地安裝調試投入運行后，經過幾個班次試生產，各模塊結構穩(wěn)固，運行穩(wěn)定，節(jié)拍均在10s以內，依據此生產節(jié)拍可輕松完成年產300萬只表的生產任務。

圖12 成表碼垛流程示意Fig.12 Table palletizing process diagram

圖13 自動化生產線現(xiàn)場實物Fig.13 Automated production line site physical map

5 結語

本文設計了一種包含9個生產模塊的燃氣表成表自動裝配生產線，與現(xiàn)有的手工裝配相比具有諸多優(yōu)點。生產線主體采用帶有工裝板的直線導軌輸送形式，以西門子PLC為主控系統(tǒng)，各個模塊并行流水線作業(yè)，大大提高整體效率。該自動裝配線攻克了小型異型工件自動裝配不易實現(xiàn)的難題，實現(xiàn)了整個成表裝配過程的全自動低能高效運行。該生產線在企業(yè)的投入使用，促進了燃氣表裝配行業(yè)更好地實現(xiàn)生產自動化、操作規(guī)范化，具有廣闊的市場應用前景。

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