沈 姣，汪 軍

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院，江蘇 無錫 214000）

0 引言

叉車是工業(yè)短距離搬運工具中的主力軍，廣泛應(yīng)用于倉儲、碼頭和工廠車間等場所[1]。叉車車架由油箱、尾架和連接板等零部件組焊而成，用于支撐發(fā)動機、前后橋、配重和門架部件，車架的焊接質(zhì)量直接影響叉車的使用性能。因而，叉車車架的制作過程需要使用專業(yè)的焊接模具，車架在焊接模具上組焊前，需要將油箱、尾架和筋板等零部件搬運并精確擺放到模具上。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是人工將前道工序焊接好的油箱翻轉(zhuǎn)過來，再將油箱搬運到機器人抓取的位置，等待機器人將油箱搬運到模具上，其生產(chǎn)工藝勞動強度大、效率低，而且操作者在作業(yè)區(qū)域的安全性不能滿足要求[2-3]。隨著機器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種各樣的工業(yè)機器人得到了日益廣泛的實際應(yīng)用，本文基于PLC 邏輯控制器控制靈活、可靠性高、操作簡單以及搬運機器人體積小、質(zhì)量輕、維修方便、高效快捷、簡單實用的諸多優(yōu)良特性[4-6]，設(shè)計了一套基于PLC 控制的全自動叉車油箱上料裝置，該裝置有效實現(xiàn)了叉車油箱進入焊接模具進行組焊前的油箱自動輸送、臨時支撐、油箱翻轉(zhuǎn)以及油箱組件焊接前的精確定位等多種功能，實現(xiàn)了叉車油箱上料的無人化，保障了油箱組件的定位精度和焊接成品質(zhì)量，提高了叉車車架焊接線的生產(chǎn)效率。同時，通過人機分離的整體布局設(shè)計，保障了生產(chǎn)線操作員的人身安全。

1 機械部分設(shè)計

1.1 上料工藝分析

通常情況下，叉車的油箱分為左油箱和右油箱，均由厚度為6 mm 的鋼板焊接而成，其整體結(jié)構(gòu)基本對稱，圖1 中所示為左油箱。叉車油箱是四面體形的焊接件，由4 個薄板零件組焊而成，油箱有外側(cè)面M 和內(nèi)側(cè)面N，因而焊縫難以一次成形。為保證所有焊縫均可方便焊接，油箱焊接作業(yè)時需要將內(nèi)側(cè)面N 朝上擺放，而該油箱在車架模具上組焊擺放時，又需要將其外側(cè)面M 朝上擺放，因而需要將油箱翻轉(zhuǎn)180°。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是靠人工進行翻轉(zhuǎn)，由于油箱質(zhì)量大，人工翻轉(zhuǎn)費時、費力、工作效率低。另外，根據(jù)安全生產(chǎn)的相關(guān)要求，人工作業(yè)區(qū)與機器人作業(yè)區(qū)必須可靠分開，因而人工焊接好的油箱必須要通過專門的輸送裝置運送到機器人作業(yè)區(qū)域，在叉車車架整體組焊前，搬運機器人必須將油箱翻轉(zhuǎn)180°存放，使油箱外側(cè)面M 朝上，然后再利用定位機構(gòu)進行二次精確定位，從而確保搬運機器人放置油箱后油箱在車架組焊模具上焊接前的準確定位，以滿足自動化焊接前的定位要求[7]。

圖1 叉車左油箱

1.2 油箱上料機構(gòu)

如圖2所示，叉車油箱的全自動上料機構(gòu)主要由3個部分組成：輸送機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)架和定位裝置?？紤]到人、機分離和生產(chǎn)安全性的要求，油箱上料機構(gòu)整體分為2個工作機構(gòu)，輸送機構(gòu)和焊接前反轉(zhuǎn)、定位機構(gòu)，整體呈直線形布局。輸送機構(gòu)的主要功能是將前道工序焊接好的油箱運送到搬運機器人的抓取位置，搬運機器人抓取油箱后將其放置到翻轉(zhuǎn)架上，翻轉(zhuǎn)架安裝在定位裝置的底座上，用于臨時支放油箱，等待搬運機器人對油箱進行翻轉(zhuǎn)放置至定位裝置，最后由定位裝置對油箱進行二次精確定位，做好叉車車架組焊前的準備工作。

圖2 油箱上料機構(gòu)

1.2.1 油箱輸送機構(gòu)

為減輕機構(gòu)的整體質(zhì)量，同時保證機構(gòu)強度，降低制造難度和成本，設(shè)計了油箱輸送機構(gòu)，如圖3 所示，油箱輸送機構(gòu)的底座采用質(zhì)量輕、剛性好的中空矩形管組焊而成，結(jié)構(gòu)簡單，便于維護。底座上方安裝有2 根金屬導(dǎo)軌，搬運滑臺在氣缸活塞桿的驅(qū)動下，可以沿著導(dǎo)軌平移滑動。搬運滑臺上對稱分布有2 組定位塊，分別用于定位左、右油箱，其中2 個側(cè)定位塊用于油箱的側(cè)向定位，端定位塊用于油箱的一端定位，可以滿足油箱翻轉(zhuǎn)前的定位要求。在油箱的定位過程中，為減輕人工推動油箱的勞動強度，在滑臺上均勻安裝有數(shù)組萬向球，可以將油箱與搬運滑臺之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦?？紤]到工作安全性，輸送機構(gòu)也分為人工操作區(qū)MA 和搬運機器人作業(yè)區(qū)RA 兩個作業(yè)區(qū)域。人工搬運油箱上料時，氣缸活塞桿伸出，搬運滑臺移動到MA 區(qū)域，操作員將油箱放置到搬運滑臺上，人工移動油箱與定位塊靠緊后，手動按下電氣控制按鈕，氣缸氣管控制電磁閥動作，氣缸活塞桿縮回，搬運滑臺移動到底座的RA區(qū)域，有效實現(xiàn)了人工作業(yè)區(qū)與機器人作業(yè)區(qū)的嚴格分離，確保了操作員的人身安全。

圖3 輸送機構(gòu)

1.2.2 油箱翻轉(zhuǎn)架

油箱翻轉(zhuǎn)架如圖4 所示，翻轉(zhuǎn)架用于臨時支放待翻轉(zhuǎn)油箱，方便搬運機器人進行翻轉(zhuǎn)油箱作業(yè)。其整體結(jié)構(gòu)由6根矩形管焊接而成，質(zhì)量輕、剛性好，結(jié)構(gòu)簡單。翻轉(zhuǎn)架底部的固定板用于將翻轉(zhuǎn)架焊接固定在定位裝置上。作業(yè)時，油箱擺放在兩端的矩形管上，為保證放置待翻轉(zhuǎn)油箱時的平穩(wěn)性，必須保證兩端矩形管的安裝精度，且需對其焊縫進行拋光、打磨修整。由于未設(shè)計油箱定位裝置，翻轉(zhuǎn)架的相關(guān)尺寸需根據(jù)油箱尺寸進行嚴格控制。

圖4 油箱翻轉(zhuǎn)架

1.2.3 油箱定位裝置

油箱定位裝置如圖5 所示，油箱定位裝置分為左、右2 組定位區(qū)域，分別用于定位左油箱和右油箱。其機構(gòu)底座也是由矩形管組焊而成，底座上部結(jié)構(gòu)為矩形管網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)構(gòu)的整體剛度。定位鋼板固定在底座的上部，定位鋼板上安裝有端定位架、側(cè)定位架和均勻分布的萬向球組，側(cè)定位架是由圓柱桿和滾動軸承組合而成，可以有效減小油箱組焊前精確定位移動時的運行摩擦阻力。雙導(dǎo)桿氣缸安裝在定位鋼板的下側(cè)面，雙導(dǎo)桿氣缸安裝在定位鋼板的上側(cè)面，雙導(dǎo)桿氣缸上安裝有油箱推板[8]，定位過程中油箱推板可以用來推動油箱。定位鋼板上2 個方向的定位架可以有效保證油箱的最終定位精度，萬向球組可以減小滑動時的摩擦力，方便油箱順暢移動。進行油箱二次精確定位時，雙導(dǎo)桿氣缸的活塞桿先縮回，推動油箱與側(cè)定位架正確接觸后，雙導(dǎo)桿氣缸的活塞桿再縮回，推動油箱與端定位架正確接觸，油箱的二次精確定位全程由PLC 控制定位氣缸自動操作完成，保證了定位精度。為保證定位過程中的平穩(wěn)性，本文設(shè)計的油箱全自動上料裝置采用剛性和抗側(cè)向力性能更好的雙導(dǎo)桿氣缸。

圖5 油箱定位裝置

1.3 搬運機器人設(shè)計

1.3.1 工作站整體結(jié)構(gòu)

路越來越平坦寬闊。農(nóng)人的燈亮起來，遙遙在望的城市燈火讓一杭有種重新回家的親切感。這時，迎面走過來三個青年男子。戴蛤蟆鏡，穿牛仔褲。一個紅頭發(fā)，一個光頭，另一個特征不明顯。一杭本能地放慢腳步，與雪螢低著頭并排前行，卻能感覺到這一伙人正在觀察他們。

油箱上料機構(gòu)只是叉車車架焊接工作站的一部分，增加搬運、焊接機器人后的自動化工作站整體結(jié)構(gòu)布局如圖6 所示。整個工作站包括搬運機器人、焊接模具和焊接機器人。搬運機器人的夾爪實現(xiàn)油箱的上料過程，同時可以將油箱放置到焊接模具上，焊接機器人實現(xiàn)對工件的焊接，搬運機器人可以通過機器人地軌實現(xiàn)大范圍移動。

圖6 自動化工作站

1.3.2 油箱翻轉(zhuǎn)搬運過程

全自動上料裝置的油箱輸送和預(yù)定位由人力和自動輸送裝置配合完成，而油箱的翻轉(zhuǎn)和定位放置則是由搬運機器人全自動自主完成。首先，人工將前道工序已焊接好的左或右油箱的N 側(cè)朝上擺放到輸送機構(gòu)的搬運滑臺上，搬運滑臺自動移動到搬運機器人的指定抓取位置后，由搬運機器人的夾爪以指定姿態(tài)A 抓取待翻轉(zhuǎn)的油箱，搬運機器人抓穩(wěn)油箱之后將其有效抬起并旋轉(zhuǎn)，最終以指定姿態(tài)B將油箱放置到油箱翻轉(zhuǎn)架上，此時油箱的N側(cè)朝右，如圖7所示。油箱放置穩(wěn)定后，搬運機器人的夾爪松開，搬運機器人復(fù)位，準備進行下一個翻轉(zhuǎn)動作。

圖7 翻轉(zhuǎn)前上料

如圖8 所示，搬運機器人的夾爪以指定姿態(tài)C 從油箱的左側(cè)（M 側(cè)）抓取待翻轉(zhuǎn)的油箱，同樣是將油箱有效抬起后，首先在豎直平面內(nèi)順時針旋轉(zhuǎn)90°，然后將待翻轉(zhuǎn)的油箱擺放到定位裝置上后，搬運機器人的夾爪松開，左或右定位裝置上的2 個方向定位氣缸隨即產(chǎn)生動作，對油箱進行二次精確定位。搬運機器人和定位氣缸的動作都是在PLC 的統(tǒng)一控制下進行，從而可以保證動作協(xié)調(diào)一致[9]。定位裝置設(shè)計有2個區(qū)域，左區(qū)域用于放置左油箱，右區(qū)域用于放置右油箱。

圖8 翻轉(zhuǎn)與定位

1.3.3 定位氣缸選擇

油箱定位裝置中選用的是雙導(dǎo)桿氣缸，該類型氣缸采用加長型支承導(dǎo)向，導(dǎo)向性能好，其固定板三面均有安裝孔，便于多位置安裝加載，氣缸本體除軸向外，其余各面均有安裝孔位，可以提供多種安裝固定方式，安裝簡單，氣缸兩側(cè)有兩組進、排氣口供實際需要選用，氣缸本體前端防撞墊可用于調(diào)整氣缸的行程，并可以緩解沖擊，氣缸的不回轉(zhuǎn)精度高，非常適用于精確導(dǎo)向，能夠保證較高的運行精度。另外，氣缸配備的與活塞桿平行的2 個導(dǎo)桿，具有一定的抗彎、抗扭和較強的側(cè)向負載能力。氣缸活塞桿推力的計算公式為：

本文定位裝置中選用的氣缸直徑為32 mm，氣源氣壓為0.7 MPa，產(chǎn)生的推力F= 562 N。

2 電氣部分設(shè)計

2.1 PLC選型

可編程控制器PLC是一種無觸點設(shè)備，不需要根據(jù)用戶的使用要求專門定制控制器，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，使用方便，編程簡單，功能強，性價比高，非常適合用于批量生產(chǎn)[10]。自動化生產(chǎn)線采用PLC控制，系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試、維修工作量小，在自動化工廠中得到了廣泛的應(yīng)用[11-12]。本文選用的PLC型號為三菱Q系列Q06UDV。

2.2 PLC程序

Q 系列PLC 的基本組成包括電源模塊、CPU 模塊、基板、I/O 模塊等，其最大輸入、輸出點數(shù)達4 096 點，最大程序存儲器容量為252 000步，采用擴展存儲器后可以達到32 MB，基本指令的處理周期為34 ns，適合各種中等復(fù)雜機械、自動生產(chǎn)線的控制場合。通過擴展基板與I/O 模塊可以增加I/O 點數(shù)，通過擴展存儲器卡可增加程序存儲器容量，本文設(shè)計的叉車油箱上料系統(tǒng)采用三菱PLC 系統(tǒng)特有的CC-LINK 遠程I/O 模塊設(shè)計，最多可連接64 個遠程I/O 站，可以用螺絲或DIN 導(dǎo)軌將遠程I/O模塊安裝到控制柜中，其體積小，且所有模塊中均采用了光耦隔離。本文PLC程序設(shè)計中的部分遠程I/O分配信息如表1所示。

表1 部分遠程I/O分配信息

叉車油箱全自動上料裝置的PLC 控制流程如圖9所示。

圖9 PLC控制流程

PLC控制程序部分代碼如下：

3 測試驗證與效果分析

通過對叉車車架生產(chǎn)線的自動化改造升級，在不增加人員的前提下，滿足了計劃年產(chǎn)35 000 臺小噸位叉車的生產(chǎn)要求。基于PLC 控制的叉車油箱全自動上料裝置是車架焊接生產(chǎn)線的重要組成部分，該上料裝置投入使用后，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率均大幅度提升。自動化工作站分為南線、北線兩個部分，分別由4 組油箱自動化焊接單元和1 臺上下料搬運機器人組成，每個單元包含自制雙回轉(zhuǎn)變位機和自動化柔性焊接模具，可以實現(xiàn)油箱自動上下料、自動焊接和故障自動停止、報警，主要適用于K/K2/H 系列小噸位叉車車架左、右油箱的自動化焊接，經(jīng)實際測算，產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍約為171 s/臺，南、北線合計單班生產(chǎn)產(chǎn)能大于140 臺。 整條生產(chǎn)線改造前后的生產(chǎn)效能對比如表2所示。

4 結(jié)束語

叉車車架焊接生產(chǎn)線主要是將零部件組焊成一個整體。油箱作為車架最主要的組成部件之一，也是由薄鋼板組焊而成，現(xiàn)有的生產(chǎn)方式為人力手工搬運，焊接前組裝、定位均需要憑借人工經(jīng)驗，費時費力，生產(chǎn)效率低下且極易導(dǎo)致成品質(zhì)量不穩(wěn)定。提高零部件上料工序的自動化程度，可以有效提升叉車車架生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和成品質(zhì)量。采用本文設(shè)計的油箱全自動上料裝置，生產(chǎn)線可以在工作站PLC 的統(tǒng)一指揮下自主、協(xié)調(diào)運行，減輕操作員的勞動強度，提高生產(chǎn)線的工作效率，保障產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。與此同時，通過人工作業(yè)區(qū)與機器人作業(yè)區(qū)的有效分離設(shè)計，切實保障了生產(chǎn)線上操作員的人身安全。