□ 劉曉琳 □ 薛家興 □ 霍建民 □ 潘 剛

1.一汽鑄造有限公司 鑄造模具設(shè)備廠 長春 130103 2.一汽鑄造有限公司 鑄造一廠 長春 130103

1 設(shè)計(jì)背景

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,國民對(duì)汽車的需求量不斷加大,帶動(dòng)了汽車鑄造行業(yè)的快速發(fā)展[1-3]。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體作為汽車的重要組成部件,生產(chǎn)效率和質(zhì)量直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)能和性能[4-6]。因汽車型號(hào)的多樣化,發(fā)動(dòng)機(jī)缸體產(chǎn)品種類繁多,且質(zhì)量和外形差異大。雖然在生產(chǎn)過程中應(yīng)用機(jī)器人能有效代替人工完成缸體的搬運(yùn)、碼垛等工作,但是一種夾具夾臂只能對(duì)應(yīng)完成一種缸體的生產(chǎn)[7-8]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體種類切換時(shí),需要人工來更換搬運(yùn)機(jī)器人的夾具夾臂,勞動(dòng)強(qiáng)度提高,更換時(shí)間長,影響生產(chǎn)效率,并且夾具夾臂的制作和維護(hù)費(fèi)用也較高[9-10]。

雖然國內(nèi)重載發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的搬運(yùn)實(shí)現(xiàn)了由人工到機(jī)器人的跨越,但是機(jī)器人夾具的通用性問題仍需研究解決。筆者結(jié)合夾具柔性化設(shè)計(jì)理念,設(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)缸體搬運(yùn)機(jī)器人夾具。詳細(xì)介紹夾具的結(jié)構(gòu)和工作原理,并對(duì)夾具液壓缸選取和液壓系統(tǒng)原理進(jìn)行闡述。通過對(duì)夾具及夾臂夾塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)多種發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的混線生產(chǎn),不僅節(jié)約人工更換夾具的時(shí)間,提高生產(chǎn)效率,而且降低夾具制作及維護(hù)成本,具有良好的實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體分析

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是一種薄壁多孔的鑄鐵工件,結(jié)構(gòu)如圖1所示。重型卡車使用的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體形狀相對(duì)復(fù)雜,體積大,材料為HT250灰鐵鑄件,外表面經(jīng)過噴粉處理后,不能作為機(jī)器人搬運(yùn)的抓取點(diǎn),只能考慮通過缸筒抓取。因此,對(duì)夾具的要求非常高,既要保證抓取的可靠性,又要保證耐用性。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體產(chǎn)品種類多,外形尺寸和質(zhì)量差異大,并且生產(chǎn)過程中經(jīng)常要進(jìn)行切換,在更換夾具過程中耽誤時(shí)間,影響生產(chǎn)效率。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體尺寸見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體尺寸

3 夾具結(jié)構(gòu)

夾具的功能為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抓取發(fā)動(dòng)機(jī)缸體,夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

夾具主要由法蘭接口、安裝底座、液壓油缸組件、夾臂總成、長條燈、視覺相機(jī)、位移傳感器等組成。為保證機(jī)器人抓取發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的穩(wěn)定性,夾具采用靠面內(nèi)撐形式,如圖3所示。

圖3 夾具靠面內(nèi)撐形式

夾具通過法蘭接口與機(jī)器人相連接,通過視覺拍照識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)缸體特征點(diǎn),進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的型號(hào)判定和定位。確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體型號(hào)和位置后,通過位移傳感器提供油缸活塞桿位置信號(hào)。夾臂到達(dá)可插入的位置,油缸停止動(dòng)作,機(jī)器人將夾具夾臂精準(zhǔn)插入發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的第二、第五缸孔內(nèi)。機(jī)器人到達(dá)抓取位置后,液壓油缸在液壓系統(tǒng)的控制下推動(dòng)夾具,通過壓力反饋和位移傳感器的位移反饋,雙重控制完成發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的夾緊動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位抓取工作。

4 夾具夾臂設(shè)計(jì)

夾具夾臂總成主要包括固定臂、方法蘭、限位墊塊、夾塊等,結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 夾具夾臂總成結(jié)構(gòu)

夾臂焊件由方法蘭和固定臂焊接而成,材料均為Q235鋼。限位墊塊、防掉鉤均由45號(hào)鋼加工而成,表面發(fā)黑處理。夾塊由Cr12MoV鋼加工,洛氏硬度HRC 58～62淬火處理,表面開槽以增大摩擦力。固定臂上設(shè)有安裝槽,夾塊通過四個(gè)螺栓固定在安裝槽內(nèi)。夾臂總成通過方法蘭與夾具安裝底座連接,更好地承受油缸作用力。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體產(chǎn)品種類多樣,生產(chǎn)交替頻繁,原有夾具需要更換夾臂總成,浪費(fèi)時(shí)間,影響生產(chǎn)效率。對(duì)夾具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),只需要更換不同類型的夾塊,拆裝夾塊四個(gè)螺栓即可,花費(fèi)時(shí)長10 min。夾塊設(shè)計(jì)如圖5所示。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體尺寸不同,B、C、E型缸孔可使用同一種型號(hào)夾塊;A、D型與其它型號(hào)差異較大,分別使用一種型號(hào)夾塊。由此,共設(shè)計(jì)三種不同型號(hào)的上下夾塊,厚度不同。A型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體對(duì)應(yīng)1號(hào)上夾塊、1號(hào)下夾塊,B、C、E型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體對(duì)應(yīng)1號(hào)上夾快、2號(hào)下夾塊,D型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體對(duì)應(yīng)2號(hào)上夾塊、2號(hào)下夾塊。夾塊上刻有對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體型號(hào)和厚度的凹版字,方便工作人員更換夾塊時(shí)選取。

圖5 夾塊設(shè)計(jì)

夾具夾臂上設(shè)計(jì)有限位墊塊,防止抓取時(shí)過位與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體碰撞,損壞夾具主體。每個(gè)夾臂上有防掉鉤,能夠可靠保證液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體不掉落。夾臂三維圖更能直觀地展現(xiàn)夾臂的構(gòu)造,如圖6所示。

圖6 夾臂三維圖

5 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)由液壓站、液壓油缸等組成,在夾具抓取發(fā)動(dòng)機(jī)缸體時(shí)提供液壓驅(qū)動(dòng)力。

根據(jù)最重的A型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體計(jì)算選取液壓缸,A型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體質(zhì)量為370 kg,重力為3 700 N。液壓缸活塞桿推力G為:

G=πD2Pη/4

(1)

式中:D為液壓缸直徑;η為傳動(dòng)效率,取0.9;P為液壓系統(tǒng)總壓力,為10 MPa。

將G為3 700 N代入式(1),得到液壓缸直徑約為22.9 cm。因此,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取直徑為25 cm的液壓缸。

液壓系統(tǒng)內(nèi)有液壓表組件,實(shí)時(shí)顯示主油路及各控制油路的壓力值。液壓站中的回油過濾器用于過濾液壓油,確保液壓油的清潔度?；赜瓦^濾器帶濾芯堵塞發(fā)訊器,濾芯不能使用后,報(bào)警提醒。液壓系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 液壓系統(tǒng)原理

夾具在工作時(shí),電機(jī)帶動(dòng)油泵,液壓油從油箱中經(jīng)過精濾器進(jìn)入管路中。比例換向閥通過可編程序控制器進(jìn)行換向。液壓油經(jīng)過比例換向閥后進(jìn)入液壓油缸的無桿腔,推動(dòng)夾臂運(yùn)動(dòng),直至夾緊發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。將發(fā)動(dòng)機(jī)缸體搬運(yùn)到位后,比例換向閥換向,液壓油進(jìn)入液壓缸的有桿腔,帶動(dòng)夾臂松開發(fā)動(dòng)機(jī)缸體,液壓油經(jīng)過回油精濾器回到油箱內(nèi)。液壓系統(tǒng)主回路中安裝有單向閥,起到穩(wěn)壓保護(hù)的作用。安裝有液控單向閥,能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖,避免液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障或突發(fā)斷電時(shí)夾具失去液壓力,發(fā)動(dòng)機(jī)缸體突然掉落,造成事故發(fā)生。

液壓系統(tǒng)還具有油箱供油檢測設(shè)備,包括供油檢測裝置和供油報(bào)警裝置。供油檢測裝置負(fù)責(zé)供油管路的供油情況檢測,當(dāng)出現(xiàn)供油中斷時(shí),供油檢測裝置向可編程序控制器發(fā)出供油中斷信號(hào)。可編程序控制器接收到供油中斷信號(hào)后,控制供油報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警提示聲。

6 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體識(shí)別定位

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的識(shí)別定位依靠安裝在夾具上的視覺相機(jī)、長條燈等實(shí)現(xiàn),引導(dǎo)夾具完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的型號(hào)識(shí)別和定位抓取。

首先通過九點(diǎn)法,對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人與視覺相機(jī)建立坐標(biāo)系。然后使用In-Sight Explorer軟件對(duì)所有型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行模板標(biāo)定,并將發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的特征部位保存到視覺相機(jī)內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體到達(dá)搬運(yùn)機(jī)器人工作區(qū)域后,進(jìn)行拍照識(shí)別。識(shí)別出發(fā)動(dòng)機(jī)缸體型號(hào)后,可編程序控制器控制夾具夾臂打開至可進(jìn)入第二、第五缸孔的位置,系統(tǒng)默認(rèn)記憶上一次搬運(yùn)機(jī)器人工作循環(huán)中夾具的開度。當(dāng)搬運(yùn)機(jī)器人拍照識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)缸體型號(hào)發(fā)生切換時(shí),會(huì)根據(jù)信號(hào)自動(dòng)調(diào)整夾具的開度,保證夾取效率和準(zhǔn)確度。

7 結(jié)束語

為了解決發(fā)動(dòng)機(jī)缸體搬運(yùn)機(jī)器人夾具通用性的問題,結(jié)合夾具柔性化設(shè)計(jì)理念,設(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)缸體搬運(yùn)機(jī)器人夾具。詳細(xì)介紹了夾具的結(jié)構(gòu)和工作原理,并對(duì)夾具液壓缸選取和液壓系統(tǒng)原理進(jìn)行了闡述。通過對(duì)夾具及夾臂夾塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),可以兼容多種發(fā)動(dòng)機(jī)缸體,實(shí)現(xiàn)了多種發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的混線生產(chǎn)。

夾具已投入鑄造廠生產(chǎn),實(shí)際使用結(jié)果表明運(yùn)行穩(wěn)定可靠。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體切換時(shí),人工更換夾臂時(shí)間為30 min,夾具更換夾塊時(shí)間為10 min,更換時(shí)間縮短66%,并且由原來兩人完成減少為一人即可完成。這一夾具提高了生產(chǎn)效率,制作及維護(hù)成本低,具有良好的實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值。