周 軍 錢 丹

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

港口起重機械是國家海洋工程建設不可或缺的主要機械設備[1]。為了提高我國港口機械制造水平核心競爭力，響應“中國制造2025”號召，企業(yè)急需結(jié)合先進制造技術，實現(xiàn)港口起重機械關鍵零件、部件、結(jié)構(gòu)件的智能制造[2]。目前，工程人員針對港口起重機，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化[3-4]、虛擬裝配[5]、故障診斷[6-7]等方面進行了深入研究，提高了我國港口機械制造整體水平。但針對起重機械關鍵零部件的研究與改進還較少。其中，轉(zhuǎn)銷部件是連接吊具與集裝箱的港口起重機關鍵工件，廣泛應用于吊具、吊具上架和超高架等港口機械產(chǎn)品。作為重要受力零件，轉(zhuǎn)銷產(chǎn)品對表面加工精度及熱處理工藝要求高，工件需成型美觀，同時要保證一定的抗拉伸強度及抗扭矩強度。

目前，轉(zhuǎn)銷產(chǎn)品的工作流程主要包括：裝件、加工、進行拉伸試驗、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，工藝流程見圖1。針對部分工序仍存在自動化實現(xiàn)難度高、工藝過程需結(jié)合人工輔助等情況，從生產(chǎn)全流程入手，以實現(xiàn)制造過程全自動化為目標，深入分析轉(zhuǎn)銷部件關鍵工序制造瓶頸，針對滾絲加工工序和自動拉伸試驗工序設計相應的工裝，實現(xiàn)生產(chǎn)線自動化和無人化，并為將來打造全數(shù)字化車間打下良好基礎。

圖1 轉(zhuǎn)銷工作站工藝流程

2 不連續(xù)圓弧面的定位工裝

2.1 工裝設計

轉(zhuǎn)銷加工的工序主要為車削桿身、大頭端部滾絲及后續(xù)的銑面工序。滾絲加工過程中，滾絲機帶動工件沿中心軸線旋轉(zhuǎn)，滾絲工序加工完成后轉(zhuǎn)銷呈無序停止狀態(tài)，后續(xù)銑面加工需采用人工調(diào)整裝夾并加工的方法。為實現(xiàn)轉(zhuǎn)銷部件的全自動流程化生產(chǎn)，需引入機械手臂完成工件自滾絲機至加工中心的工序轉(zhuǎn)換任務，但機器人從滾絲機處取下工件放到加工中心過程中，無法識別工件大頭位置，導致加工中心無法對工件裝夾定位。針對上述工序瓶頸，設計了一種轉(zhuǎn)銷端部不連續(xù)圓弧面的定位方法。通過定位工裝，可以使工件在滾絲加工后，在工裝上對工件大頭平面進行調(diào)整定位，保證機器人抓取工件到加工中心的狀態(tài)一致，使得后續(xù)工序順利開展，減少人工干預，提高生產(chǎn)制造效率。定位工裝由驅(qū)動電機、壓桿、托架、活動擋片、驅(qū)動輪和限位器等組成(見圖2)。

1.接近限位 2.活動擋片 3.托架 4.壓桿 5.驅(qū)動電機 6.驅(qū)動輪圖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)過滾絲工序的轉(zhuǎn)銷，其工件大頭呈現(xiàn)無序狀態(tài)，但滾絲后工件進入加工中心完成銑、鉆工序時，大頭平面是加工中心加工的基準面，在進入加工中心加工前，需對轉(zhuǎn)銷大頭平面進行定位，見圖3箭頭位置。

圖3 轉(zhuǎn)銷大頭平面

完成滾絲的轉(zhuǎn)銷放置在定位工裝上，驅(qū)動輪上方壓桿壓到工件上，避免驅(qū)動輪在工作時打滑。工裝上的電機帶動工件沿中心軸線回轉(zhuǎn)，當工件旋轉(zhuǎn)到平面朝下時，彈簧托架頂升，觸發(fā)托架旁邊的接近限位開關使電機停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)銷工件保持平面水平的狀態(tài)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)銷大頭平面的定位。

2.3 定位工裝工作原理

由機械手臂放置在定位工裝上的轉(zhuǎn)銷部件，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)銷部件工件大頭水平放置狀態(tài)時，彈簧將擋片彈起，擋片處于接近開關的感知范圍內(nèi)，接近限位發(fā)出信號，電機不啟動，壓桿升起松開工件，機械手臂將大頭水平狀態(tài)下的轉(zhuǎn)銷工件從工裝上取走，并進行后續(xù)工藝流程。

當轉(zhuǎn)銷工件大頭為豎直狀態(tài)時，定位工裝工作原理見圖4。擋片被壓下，但不處于接近限位的感知范圍內(nèi)，電機啟動帶動工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速設置為30 r/min，在轉(zhuǎn)銷大頭平面與活動擋片相對角度旋轉(zhuǎn)超過33.71°后，擋片開始上升，完成90°旋轉(zhuǎn)的同時擋片觸發(fā)限位，電機停止轉(zhuǎn)動，壓桿升起松開轉(zhuǎn)銷部件，轉(zhuǎn)銷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，當轉(zhuǎn)銷工件大頭為向右傾斜狀態(tài)放置時，定位工裝工作原理與豎直狀態(tài)類似。

當轉(zhuǎn)銷工件大頭為向左傾斜狀態(tài)放置時，定位工裝工作原理見圖5，擋片被壓下且不處于接近限位的感知范圍，電機啟動帶動工件向右旋轉(zhuǎn)，但由于擋片彈力作用，工件處于停滯狀態(tài)；2 s后電機發(fā)生換向，在轉(zhuǎn)銷大頭平面與活動擋片相對角度旋轉(zhuǎn)超過33.71°后，擋片開始上升，并在工件完成90°旋轉(zhuǎn)的同時觸發(fā)限位，電機停止轉(zhuǎn)動。

圖5 工件左傾狀態(tài)放置在定位工裝上的工作原理

3 設計擰螺母機工裝

轉(zhuǎn)銷部件在加工制造過程中，為保證其具有一定的抗拉強度及抗扭強度，需要對轉(zhuǎn)銷部件進行力學拉伸實驗。拉伸力學實驗的基礎是在轉(zhuǎn)銷工件的端部安裝一個螺母，傳統(tǒng)人工安裝螺母的形式不能保證產(chǎn)品力學試驗的穩(wěn)定性，不能為轉(zhuǎn)銷部件質(zhì)量檢測提供統(tǒng)一化標準。為此，設計并應用一種新結(jié)構(gòu)、新工藝形式的擰螺母機，實現(xiàn)快速、高效的轉(zhuǎn)銷工件全自動擰緊螺母，去除人為因素，提高拉力試驗的穩(wěn)定性與一致性，實現(xiàn)生產(chǎn)線自動化運行。

3.1 擰螺母機結(jié)構(gòu)組成

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

1.三色燈 2.氣動手爪 3.擰螺母機構(gòu) 4.按鈕盒 5.導桿 6.伺服電機 7.Y軸電缸圖6 擰螺母機三維結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 擰螺母機機械工作原理

首先，機械手臂夾持轉(zhuǎn)銷工件上料至擰螺母機構(gòu)的氣動夾爪處，氣動夾爪張開、夾緊并固定工件的位置。隨后，伺服電機帶動擰螺母機構(gòu)中的螺母旋轉(zhuǎn)；減速機調(diào)整減速比，將電機的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為低速旋轉(zhuǎn)；編碼器主要用于計數(shù)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，并反饋給控制系統(tǒng)；幾種部件共同作用，實現(xiàn)螺母的定速旋轉(zhuǎn)。同時，Y軸導桿機構(gòu)與Y軸電缸共同完成擰螺母機構(gòu)的上升動作，螺母旋轉(zhuǎn)上行，與轉(zhuǎn)銷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)，確定螺母機構(gòu)上行的距離。通過以上步驟，完成轉(zhuǎn)銷工件的螺母擰緊動作，并保證擰緊圈數(shù)恒定，一定程度上提高了拉力試驗的穩(wěn)定性與一致性。

3.3 擰螺母機控制原理

首先進行產(chǎn)品型號設定和類別的選擇，在工件數(shù)據(jù)欄中錄入工件型號與對應參數(shù)。其中，夾持長度為夾持頂面到螺紋底面的距離、螺距即螺牙的距離、螺紋長度代表轉(zhuǎn)銷上螺紋的長度距離、螺母厚度表示設定螺母的厚度。同時可將各型號工件的參數(shù)保存至系統(tǒng)中，當需要某型號工件的數(shù)據(jù)時，可從系統(tǒng)中直接調(diào)用。

完成轉(zhuǎn)銷產(chǎn)品型號設定和類別的選擇后，需要進行設備運行前準備，即設備回原點操作。在設備通電時，系統(tǒng)會提示升降軸現(xiàn)在所處的狀態(tài)，是需要回原點還是處在手動狀態(tài)。在手動狀態(tài)，操作畫面中的原點重啟按鈕允許重啟，則按住復位按鈕2 s后，升降軸開始啟動并回原點。

運行前準備工作完成后即開始上螺母工序。擰螺母機在上螺母的狀態(tài)下，按下“啟動”按鈕，發(fā)出上料請求信號給上位機，由機器人夾取轉(zhuǎn)銷放入擰螺母機夾爪處，到位后回發(fā)上料已到位信號給擰螺母機；擰螺母機的螺桿有料檢測光電開關檢測到有料信號，夾爪夾緊；夾緊后發(fā)出機器人撤離請求信號，機器人夾爪松開后離開。

由人工將螺母放入螺母模具中，然后再次按下啟動按鈕，擰螺母機根據(jù)設定的參數(shù)開始自動運行。升降機構(gòu)開始上升，當上升到擰螺母啟動位時，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)按與上升速度匹配的速度開始旋轉(zhuǎn)，直至將螺母擰到所需的位置后停止；升降機構(gòu)開始下降，直至下降到起始位時停止并發(fā)出卸料請求信號；當機器人夾爪抓住轉(zhuǎn)銷時回發(fā)上料已到位通知信號，擰螺母機夾爪松開，機器人夾爪抓住轉(zhuǎn)銷卸料取出，取出后再次循環(huán)，完成螺母上料工作。

在完成轉(zhuǎn)銷部件力學檢測工序后，需進行卸螺母工作，轉(zhuǎn)銷的上料和夾緊過程同上；由人工再次按下啟動按鈕，升降機構(gòu)開始上升，當上升到卸螺母啟動位時，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)正、反旋轉(zhuǎn)數(shù)次，使螺母進入載具中，后按與下降速度匹配的速度開始反向旋轉(zhuǎn)，直至升降機構(gòu)下降到起始位時停止，并發(fā)出卸料請求信號，夾爪松開，機器人抓住轉(zhuǎn)銷卸料取出。

4 結(jié)語

通過對大型港口起重機械關鍵零件轉(zhuǎn)銷部件工藝流程分析，提取轉(zhuǎn)銷部件制造過程中的關鍵工序，針對滾絲加工工序和自動拉伸試驗工序深入分析并設計自動化方案，實現(xiàn)了工藝流程的自動化銜接，有效降低了工人的勞動強度，設備可靠性好，在降低成本的同時，能有效提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。