張 勇 張守健

（1.東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，遼寧 沈陽 110167；2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110169）

0 引言

隨著我國工業(yè)自動化水平的不斷發(fā)展，以機器人為代表的自動化生產技術正廣泛應用于汽車、冶金、化工以及制造等行業(yè)，機器人自動化生產技術的應用不僅可以提升生產效率，而且還可以降低生產成本、減輕工人的勞動強度。而在作為國之重器的核工業(yè)，自動化生產技術更是擁有廣闊的應用前景。該文以一個燃料組件自動化生產線為例，論述移載機器人在組件自動化生產中的設計與應用。

1 組件自動化生產工藝流程分析

組件生產的工藝流程大體可以分為單棒預制、集束、組裝、焊接以及檢測等工序；前序預制好的單棒經輸送機被運送至集束工作站；在集束工作站中，按照一定的截面形狀對單棒進行集合排列，形成棒束，隨后將其運送至組裝工作站；在組裝工作站中，棒束與六角管進行穿管裝配，隨后被運送至焊接工作站進行焊接，再將焊接好的組件送至檢測設備進行檢測。

為了兼顧不同品類組件工藝流程的要求以及實際場地的限制，組件的各個部件在工序流轉過程中往往需要進行較大范圍的移動。如圖1所示，按照上述的工藝流程，物料由1流轉至2，并與來自5的物料進行組裝后移動至4，經由3焊接完成后成為組件流轉至6，在運送至下一序進行檢測。因此，該文提出了一種大范圍移載機器人以及組件抓手的設計，以滿足組件在自動化生產過程中的移載搬運要求。

圖1 組件自動生產工藝布局（簡圖）

2 移載機器人設計

由于物料在不同工作站的移動既有在X方向的運動，也有在Y方向的運動，且不同工作站夾具的定位高度不同，因此將移載機器人設計為三軸龍門式，如圖2所示，立柱橫跨于生產線兩側，在立柱上布置縱梁，采用1根橫梁連接兩側縱梁，橫梁可以沿X方向運動，在橫梁上設有載板，在載板上布置1根豎梁，載板可沿橫梁的Y方向運動，豎梁沿載板的Z方向運動，如此，形成了一個運動范圍覆蓋整個組件生產線的移載機器人。如圖3所示，橫梁、縱梁以及豎梁均采用不同規(guī)格的方鋼管焊接而成，其上安裝有矩形導軌，對應載板上裝有滾輪，橫梁可以沿導軌方向進行移動，三軸均采用齒輪齒條傳動，并采用伺服電機和減速機進行驅動。

圖2 組件移載機器人工作范圍

圖3 組件移載機器人三軸結構

與Y軸、Z軸略有不同的是，由于X軸驅動是將橫梁跨于生產線兩側，驅動齒輪也位于橫梁兩端，因此為了使橫梁兩端都產生驅動力，同時節(jié)省成本，在X軸采用了將電機布置在中間，兩側使用傳動軸傳遞扭矩的方式。如圖4所示，伺服電機與T型雙出減速機相連，在減速機輸出端通過聯軸器連接驅動軸；該驅動軸的另一端為法蘭形式，使用1根傳動軸，兩側安裝法蘭，分別與驅動軸和轉接軸對接相連，轉接軸通過連軸器與芯軸相連，芯軸上安裝齒輪，通過與齒條嚙合將動力傳遞出去，使橫梁移動；由于傳動軸較長，因此在兩側各設有1個支撐軸承座來對傳動軸進行支撐，以保證傳動軸處于水平狀態(tài)[1]。

圖4 組件移載機器人X軸驅動機構

3 組件夾手設計

組件夾手的設計如圖5所示，組件夾手由夾手主體、導軌滑塊、連接板、左右旋絲杠、電機、氣爪、手指以及定位檢測機構等組成。由于組件尺寸較長（成品長度超過4 m），因此為了加持穩(wěn)定，需要增大夾手兩端夾持點的間距；同時，在夾手上布置導軌滑塊，使用電機驅動左、右旋絲杠調整夾手的間距；在夾手主體上設置接近傳感器，并在夾手連接板上設置金屬感應擋片，當傳感器檢測到金屬擋片時，反饋信號使電機停止，夾手所在位置即為所需要的間距位置?？梢愿鶕煌瑠A持間距的需要對傳感器的位置進行調節(jié)。對于某些在中間工序需要移載的部件，它的可抓取位置相對于工件來說并不是對稱的，為了滿足在上下序取放時不與加工設備互相干涉的要求，在中間也設置了1個夾手，方便在該工況下使用一側的2個夾手進行夾持。

圖5 組件移載機器人夾手R1結構及組成

夾手的夾持采用氣爪作為執(zhí)行元件，在氣爪下方安裝夾持手指，材質為Q235B，2個夾持手指閉合時中間的形狀為六邊形，可以適應組件及部件外形的外形尺寸，手指與組件相接觸的部分采用非金屬聚甲醛材質，可以保護組件及部件外表面不被刮傷。在中間夾手的附近設置工件檢測裝置，用于在抓取前檢測工件是否存在，當設備上有組件時，檢測裝置被壓起，檢測桿觸發(fā)接近傳感器，反饋工件存在，執(zhí)行下一步抓取動作。

4 夾持力校核計算

在生產線所涉及的組件中，最重的為200 kg，因此取最大m=200 kg帶入計算，因為組件外形為六邊形，所以夾取方式剛好為菱形夾取[2]，由公式（1）可以計算出氣爪的夾持力。

式中：F為氣爪夾持力；m為工件重量；a為移載機器人Z軸加速度；α為氣爪夾持角度，菱形抓取α=120°；S為安全系數，S=2。

由計算得知，抓取組件所需要的最大抓取力為7134.2 N，折合每個氣爪需要出力7134.2/3=2378 N，而所選取的ZIMMER GH6460-B氣爪在6 bar時抓取力為3000 N＞2378 N，因此滿足相關要求。

5 生產中多品種工件的移載

由于組件的生產屬于多品種、小批量的生產，且每一個品種所組成的部件在外形、結構和尺寸上也不盡相同，因此使用單一夾手變換抓取間距的方式已經不能滿足多數部件的拾取要求。為使生產連續(xù)進行，減少換產頻率，在實際使用中，采用了若干個夾手，對應不同工件的拾取，并利用機器人工具快換裝置進行不同夾手之間的快速、自動更換[3]。

組件移載機器人上的工具快換裝置采用一對多的形式，即在移載機器人的Z軸末端設置夾手快換盤（機器人側），如圖6所示，在若干個針對不同工件拾取的夾手上設置夾手快換盤（工具側），如圖7所示，當兩側的快換盤結合時，可以使電源、氣體以及I/O信號等從機器人連通到末端夾手。

圖6 組件移載機器人夾手快換盤（機器人側）

圖7 組件移載機器人夾手快換盤（工具側）

表1以2種組件為例，列舉了移載機器人在生產中的工作內容以及對應的交互設備，從表1中可以看出，通過使用總計4個不同結構的組件夾手（R1～R4），可以覆蓋項目內不同品種的組件以及滿足其部件的生產需要，大大提升了生產線的柔性。

表1 組件移載機器人工作內容

6 生產中工件的跌落保護

組件本身附加值較高、造價昂貴，生產轉運中如果發(fā)生意外導致組件掉落損壞，就會造成較大的經濟損失，移載機器人為應對生產中的突發(fā)狀況，應該具備在意外斷氣和斷電條件下的保護功能：1） 夾手對組件的保護功能。首先在夾手氣動夾持的氣路中，采用三位五通中卸閥配合氣控單向閥對氣路進行封閉[4]，不會出現因氣缸活塞縮回而導致工件掉落的情況；其次，在夾手上增加彈簧夾緊器（如圖8所示），夾緊器可以在斷電或斷氣時利用彈簧力將當前位置鎖死[5]，并且由于2個夾手手指組合形成六邊形結構，因此可以在這時拖住組件使其不會掉落。夾手部分的氣動原理如圖9所示。2）Z軸部分對組件的保護功能。首先，移載機器人的Z軸伺服電機具有抱閘，如果斷電，抱閘會立即打開鎖住齒輪齒條，使Z軸不會下落，同時還在橫梁載板上設置了1個氣動導軌鎖，如圖10所示；當斷電或斷氣時，可以固定Z軸與載板的相對位置，避免Z軸滑落，該結構彌補了當Z軸齒輪損壞或與齒條脫開時，電機抱閘不能防止Z軸下落的情況。Z軸的抱死保證了整個提升系統(tǒng)不會意外跌落，同時也保障了組件的安全。

圖8 工件防跌落夾緊器

圖9 夾手氣動原理圖

圖10 Z軸導軌鎖

7 結語

采用自動化組裝焊接組件是核元件生產形式的一次大膽嘗試，組件工序間的自動化流轉也是移載機器人在該行業(yè)的一次成功應用。

該文分析了組件自動化生產中的工藝特點，針對其特點設計了一種大范圍移載機器人及其末端夾手，解決了組件在自動化生產過程中的成品組件與部件的移載搬運問題。

對于組件移載搬運過程中對可靠性和安全性的要求，移載機器人在夾手和Z軸擁有多重保護，確保即使車間內資源供給發(fā)生意外故障，也不會造成組件損壞，解決了在采用自動化生產方式下組件的安全問題。

目前該項目在內蒙古某核燃料元件公司已經調試驗收完成并上線運行，期待自動化的生產方式能夠在該領域中不斷推廣。