劉 迪，王 瑋，魯華麗，劉湘鵬，李 欽

（湖北三江航天江河化工科技有限公司，湖北宜昌 444200）

0 引言

近年來，湖北三江航天江河化工科技有限公司（以下簡稱“公司”）的裝藥發(fā)動機型號急劇增加，配套發(fā)動機配方調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)評定試驗發(fā)動機需求量也隨之上升。標(biāo)準(zhǔn)評定試驗發(fā)動機是每個型號發(fā)動機正式裝藥前用于配方調(diào)試的試驗裝備，通用型號主要是直徑112 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試驗發(fā)動機（以下簡稱“112 發(fā)動機”）。112 發(fā)動機在總裝時已經(jīng)裝好了配方藥，這一狀態(tài)下的發(fā)動機是易燃、易爆的有毒危險化學(xué)品，采用人工方式大批量重復(fù)裝配容易疲勞、出現(xiàn)操作失誤，給生產(chǎn)工作帶來安全隱患。為提高發(fā)動機裝配效率，減少人為操作疲勞而引起的安全問題，公司引進六自由度機械手裝配平臺，實現(xiàn)112 發(fā)動機的裝配自動化。

1 六自由度機械手及其在112 發(fā)動機裝配中的應(yīng)用

1.1 六自由度機械手組成及工作要求

六自由度機械手由一系列關(guān)節(jié)和連桿組成，這些關(guān)節(jié)可以完成滑動（線性）或旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)動）運動，連桿連接這些關(guān)節(jié)組成連續(xù)可靠的機構(gòu)。

在工業(yè)應(yīng)用中，六自由度機械手一般有底盤（腰）、大臂、中臂、小臂、手腕旋轉(zhuǎn)，手腕的俯和仰六個自由度，在手腕頂部則通過手爪機構(gòu)實現(xiàn)對于負載目標(biāo)的抓?。▓D1）。六自由度機械手作為模擬工業(yè)機械手動作的原型機，主要實現(xiàn)裝配或拆卸過程中對零部件的抓取與放置，這里不要求具有較重的負載能力，但對抓取動作精度有較高要求。為提高機械手抓取動作的定位精度，在手腕上設(shè)置有工業(yè)防爆相機配合光電檢測定位視覺系統(tǒng)，可對產(chǎn)品進行識別并對其放置方位進行確認。機械手的手爪采用平行氣爪機構(gòu)，夾持部分為兩個V 形銅質(zhì)塊，氣爪機構(gòu)帶有鎖緊功能，防止意外斷電斷氣導(dǎo)致抓取零件掉落產(chǎn)生危險。

圖1 六自由度機械手實物

根據(jù)發(fā)動機裝配環(huán)境的要求，六自由度機械手需要：滿足Ⅱ類危險場所（防爆等級為Exd ⅡBT4，防護等級為IP55）防爆要求，在IIB 類危險場合下，對于發(fā)熱設(shè)備采用隔爆型“d”防爆形式，將可能產(chǎn)生火花、電弧和危險溫度的電氣零部件均放入隔爆外殼內(nèi)；設(shè)備溫度組別符合T4 要求，135 ℃＜T≤200 ℃；電氣元件及傳感器選用IP55 以上防護等級。

1.2 六自由度機械手裝配平臺搭建

1.2.1 人工裝配過程

公司112 發(fā)動機實際人工裝配過程：人工操作主要是放置墊圈，將噴管和過渡法蘭裝配，再將過渡法蘭與112 發(fā)動機直筒段裝配，最后將前封蓋與112 發(fā)動機直筒段連接，把點火藥包放入燃燒室前端，從噴管引出點火線，最終與前端推力座及尾部噴管螺母蓋裝配到一起，完成112 發(fā)動機裝配過程。

1.2.2 搭建六自由度機械手自動裝配平臺

為完成112 發(fā)動機裝配過程，搭建了六自由度機械手自動裝配平臺，其中主要有：①六自由度機械手主要在裝配過程中完成上下料抓取、轉(zhuǎn)運、放置工作；②擰緊工位機主要負責(zé)螺紋擰緊工作，與它配合工作的是配有兩個可水平移動自動卡盤的工作臺，一個為待裝配自動卡盤，另一個為裝配自動卡盤，兩個卡盤可根據(jù)產(chǎn)品尺寸調(diào)節(jié)卡緊大小和力矩。在裝配自動卡盤工作時，可對待裝配自動卡盤進行零件上料，這樣可減少六自由度機械手的等待時間，提高效率。同時擰緊工位機上還配有扭矩檢測記錄傳感器，可實現(xiàn)定力矩自動擰緊并檢測實際擰緊扭矩，記錄存檔；③物料臺主要是在固定坐標(biāo)位置存放各零件，按零件尺寸和形狀做好分區(qū)和設(shè)置適應(yīng)的工位卡具；④控制平臺負責(zé)六自由度機械手、擰緊工位機和自動卡盤工作臺的協(xié)調(diào)控制，并且配有人工操作功能部件，預(yù)留擴展編程接口以方便后期調(diào)試擴展功能；⑤此外還有零件暫存車、成品存放車（圖2）。

圖2 六自由度機械手自動裝配平臺

整個控制平臺配套的電氣元件及傳感器也采用防爆標(biāo)準(zhǔn)，防爆等級達到ExdⅡBT4，獨立操作單元也具有意外急停、斷電保護等特殊情況處置措施。

為滿足設(shè)備生產(chǎn)安全運行的要求，本平臺配備了防爆遠程監(jiān)控的功能，可對現(xiàn)場進行視頻監(jiān)視，同時可對監(jiān)視畫面進行保存，保存時間不少于90 d。

1.2.3 自動裝配工藝過程

在物料臺上準(zhǔn)備好要裝配的零部件，各零部件有區(qū)域劃分和固定工位。六自由度機械手根據(jù)坐標(biāo)點和工業(yè)相機光電檢測定位系統(tǒng)，精確定位目標(biāo)零件，根據(jù)規(guī)劃路線實現(xiàn)抓取轉(zhuǎn)運，放置到擰緊工位機的待裝配自動卡盤，擰緊工位機自動卡盤卡緊同時進行擰緊工序，檢測擰緊扭矩。在擰緊工位機完成裝配后，六自由度機械手下料，將發(fā)動機成品放置存放車，這樣就實現(xiàn)了自動上料、檢測裝配、人機隔離以及人員遠距離操控。

2 六自由度機械手在裝配中的應(yīng)用對比

通過六自由度機械手在112 發(fā)動機裝配中的應(yīng)用，初步實現(xiàn)了小尺寸發(fā)動機裝配的自動化，同時也提高了生產(chǎn)效率。該平臺在車間一個月的使用情況見表1。

由表1 可以得出，在減少1/2 人員數(shù)量的同時裝配量提升一倍，人員的工作強度較大減小，改善了工作環(huán)境，同時避免了裝配過程中與發(fā)動機的直接接觸，降低了人員安全風(fēng)險，在配備一套六自由度機械手自動裝配平臺的情況下滿足了目前生產(chǎn)的要求。后期可以根據(jù)使用頻率、生產(chǎn)任務(wù)量適當(dāng)調(diào)整，以達到更高效率。

表1 實施前后生產(chǎn)情況對比

3 結(jié)論與展望

隨著科研生產(chǎn)任務(wù)的與日俱增，公司裝藥量大幅增加，同時配套的112 發(fā)動機裝配任務(wù)制約著生產(chǎn)計劃的實施，公司在解決瓶頸改善員工工作環(huán)境的過程中，初步嘗試了自動化裝配方案，在整個方案實施的過程中，取得了一定的經(jīng)驗，并且在國內(nèi)同行業(yè)中首次使用。這次六自由度機械手平臺的使用，不僅解決了112 發(fā)動機裝配瓶頸，而且減少了員工工作強度，避免了人員操作疲勞而產(chǎn)生安全隱患，從安全生產(chǎn)本質(zhì)上提高了112 發(fā)動機裝配的安全性，為公司設(shè)備自動化升級改造提供參考。