基于機(jī)器人浮動(dòng)功能的冰箱壓縮機(jī)曲軸磨削生產(chǎn)線研究

陳祝權(quán)，林粵科，張曉瑾，林君健

(廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州510700)

在機(jī)械制造領(lǐng)域，切削、磨削加工是應(yīng)用較廣泛的加工方法［1］。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代機(jī)械加工要求的不斷提高，磨削技術(shù)也處在不斷發(fā)展之中［2］。磨削生產(chǎn)過(guò)程中的手動(dòng)操作、人工上下料等傳統(tǒng)生產(chǎn)方式已無(wú)法滿足高速發(fā)展的機(jī)械、電子電氣、汽車(chē)及家用電器等工業(yè)需要。在磨削生產(chǎn)中用機(jī)器人［3］代替人工操作，構(gòu)成自動(dòng)化生產(chǎn)單元或組成柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線，是進(jìn)行高速、高效、高質(zhì)量磨削生產(chǎn)的一種有效方法，也是現(xiàn)代磨削生產(chǎn)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

現(xiàn)代化大生產(chǎn)對(duì)生產(chǎn)和工藝設(shè)備提出了柔性化的要求［4］，由于冰箱壓縮機(jī)曲軸零件自身結(jié)構(gòu)的特殊性，以及磨削加工中上下料過(guò)程對(duì)柔性要求較高，目前業(yè)內(nèi)還沒(méi)有使用機(jī)器人代替人工進(jìn)行曲軸磨削加工自動(dòng)上下料的生產(chǎn)線。以冰箱壓縮機(jī)曲軸磨削工藝為應(yīng)用對(duì)象，成功開(kāi)發(fā)出基于工業(yè)機(jī)器人的冰箱壓縮機(jī)曲軸磨削加工柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線。

1 零件及其工藝分析

冰箱用的壓縮機(jī)中，曲軸是重要的運(yùn)動(dòng)部件，其受力情況比較復(fù)雜，在周期性的氣體壓力和慣性力作用下，會(huì)產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。這就要求曲軸的材質(zhì)要有足夠的剛度和強(qiáng)度，尤其是耐疲勞強(qiáng)度。曲軸的主軸徑和曲軸徑分別在機(jī)座孔和滑塊孔內(nèi)作變速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故曲軸零件必須滿足與其他傳動(dòng)零部件的配合精度要求［5］。而作為曲軸零件機(jī)加工的終端工藝，磨削加工是曲軸成品精度的重要保證。

如圖1所示，為冰箱壓縮機(jī)中曲軸零件的示意圖。該曲軸整體結(jié)構(gòu)由相互平行的主軸徑和曲軸徑及兩軸之間的半圓形平衡塊組成。該曲軸需磨削加工的位置分別為主軸徑即軸A 外圓，平衡塊端面B 以及曲軸徑即軸C 外圓。

圖1 曲軸零件示意圖

該曲軸磨削加工工序共4 道，分別為:無(wú)心磨床［6］粗磨軸A 外圓(工序10)、端面磨床［7］磨端面B(工序20)、無(wú)心磨精磨軸A 外圓(工序30)、外圓磨床磨軸C 外圓(工序40)，具體工藝流程如圖2所示。

圖2 曲軸磨削工藝流程圖

生產(chǎn)運(yùn)作過(guò)程中，工序10、工序20 及工序30 平均節(jié)拍為13 s，即每13 s 完成一個(gè)工件的上下料與加工。工序40 平均節(jié)拍為23 s，即每23 s 完成一個(gè)工件上下料與加工。因前后工序生產(chǎn)節(jié)拍不一致，目前業(yè)內(nèi)曲軸磨削車(chē)間按照每2 臺(tái)外圓磨床與前3 道工序各1 臺(tái)磨床的比例配置，以滿足曲軸磨削工藝生產(chǎn)效率要求。

2 整線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)磨削加工生產(chǎn)成本削減，并提高生產(chǎn)效率，將順次完成4 道磨削加工工序的5 臺(tái)磨床布局成類(lèi)L 型，從目前的5 名工人操作轉(zhuǎn)變成1 名工人、2臺(tái)六自由度工業(yè)機(jī)器人，以及外加轉(zhuǎn)工序所需的傳送線，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化生產(chǎn)。生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)平面布局如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)線平面布局圖

其中，原有機(jī)床分別為半自動(dòng)無(wú)心磨床1、端面磨床、半自動(dòng)無(wú)心磨床2、外圓磨床1 和外圓磨床2。新增部分為2 臺(tái)六自由度工業(yè)機(jī)器人和4 段傳送線，其中傳送線1 包括機(jī)械手1、輸送線體1 和機(jī)械手2，傳送線2 包括輸送線體2 和機(jī)械手3，傳送線3 包括機(jī)械手4、輸送線體3 和機(jī)械手5，傳送線4 包括輸送線體4、機(jī)械手6 和皮帶輸送線。整線程序流程圖如圖4所示。

圖4 曲軸磨削自動(dòng)生產(chǎn)線程序流程圖

依照程序流程，該曲軸磨削加工自動(dòng)化生產(chǎn)線在機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳送與控制系統(tǒng)的精確控制下，不斷循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，便能實(shí)現(xiàn)由1 名工人加2 臺(tái)機(jī)器人代替原來(lái)5 名工人負(fù)責(zé)的全部工作。

其中，機(jī)器人上料過(guò)程為該生產(chǎn)線最大的難點(diǎn)。

3 機(jī)器人上料實(shí)驗(yàn)

生產(chǎn)中，工序10 與工序30 均為無(wú)心磨削，在半自動(dòng)無(wú)心磨床上進(jìn)行。半自動(dòng)無(wú)心磨床已集成有自動(dòng)上下料輸送線及自動(dòng)定位夾具，對(duì)工件上料無(wú)特別要求。工序20 原來(lái)由人工負(fù)責(zé)上下料，上料時(shí)工人將工件軸A 塞進(jìn)卡盤(pán)孔并使端面B 與卡盤(pán)孔端面定位點(diǎn)貼合。工序40 由人工負(fù)責(zé)上下料，上料時(shí)工人將工件軸A 塞進(jìn)卡盤(pán)孔并使端面B 與卡盤(pán)孔端面貼合，同時(shí)使工件繞軸A 旋轉(zhuǎn)，使平衡塊突耳與卡盤(pán)孔端面上的偏心定位塊的定位點(diǎn)貼合，如圖5所示。

可知，工序20 與工序40 上料均為柔性操作，故由人工上料時(shí)可保證工件和機(jī)床均不受損壞。若換用普通氣缸組合件或簡(jiǎn)單線性模組機(jī)械手按工藝要求進(jìn)行上料，會(huì)造成硬碰撞，故該生產(chǎn)線選用具有浮動(dòng)功能的進(jìn)口品牌六自由度工業(yè)機(jī)器人代替以上兩工序的工人進(jìn)行上下料操作。

圖5 工序40 定位裝夾姿態(tài)

機(jī)器人浮動(dòng)功能是指機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中，開(kāi)啟浮動(dòng)功能后，機(jī)器人可以受外力改變姿態(tài)，即手爪在抓取工件往指定方向前進(jìn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)與工裝完全貼合甚至預(yù)緊，避免碰撞和摩擦。浮動(dòng)力的大小可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置，以保障機(jī)器人和手爪能按要求完成動(dòng)作，并且不至于受力過(guò)大而影響壽命。

以工序40 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該工序上料既要使工件端面B 與卡盤(pán)孔端面貼合，又要使平衡塊突耳與偏心定位塊貼合。該生產(chǎn)線選用了帶夾緊與旋轉(zhuǎn)一體的氣缸作為機(jī)器人上料末端執(zhí)行器［3］，如圖6所示，并在上料過(guò)程中啟用了機(jī)器人在直角坐標(biāo)系下的浮動(dòng)功能，使得工件上料時(shí)可達(dá)到人工上料的定位裝夾標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 工序40 機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

上料實(shí)驗(yàn)時(shí)，機(jī)器人2 的上料手爪從傳送線上抓取已完成工序30 的工件，進(jìn)入磨床后，下料手爪將已完成工序40 的工件取出，并將待加工工件送進(jìn)卡盤(pán)孔，送進(jìn)工件的方向及工件端面頂貼后工件的旋轉(zhuǎn)方向如圖7所示。

由于目前業(yè)內(nèi)還沒(méi)有機(jī)器人浮動(dòng)功能的操作標(biāo)準(zhǔn)文件，也沒(méi)有關(guān)于浮動(dòng)力設(shè)置的指導(dǎo)規(guī)范，故在調(diào)試單機(jī)上料時(shí)，需通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)才能找出最佳浮動(dòng)力條件，既保證機(jī)器人滿足柔性上料要求，又不損壞機(jī)器人和末端執(zhí)行器。

圖7 工序40 上料方向

預(yù)先編輯好機(jī)器人上下料程序，逐步改變浮動(dòng)力的大小，并在各種浮動(dòng)力設(shè)置條件下進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，如圖8所示。

圖8 機(jī)器人浮動(dòng)力前4 組實(shí)驗(yàn)設(shè)置

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)每組浮動(dòng)力設(shè)置條件下的多次上料完成姿態(tài)觀察記錄，發(fā)現(xiàn)以上各設(shè)置條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)端面B 與卡盤(pán)孔端面貼合，均會(huì)留有約1 mm 左右的間隙，如圖9所示。

圖9 前4 組實(shí)驗(yàn)上料完成姿態(tài)

繼續(xù)增加浮動(dòng)力至120 N，進(jìn)行第5 組實(shí)驗(yàn)，如圖10所示。上料完成后工件的端面B 與卡盤(pán)孔貼合，但平衡塊突耳仍留有間隙，如圖11所示。

圖10 機(jī)器人浮動(dòng)力第5 組實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖11 第5 組實(shí)驗(yàn)上料完成姿態(tài)

由圖11 可知:機(jī)器人上料手爪將工件送到端面貼合后工件無(wú)法旋轉(zhuǎn)到平衡塊突耳與偏心定位塊定位點(diǎn)貼合姿態(tài)。這可能是由于旋轉(zhuǎn)方向上機(jī)器人未打開(kāi)浮動(dòng)功能，以至旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)器人及卡盤(pán)孔對(duì)工件限位所致。將x、y、z 三軸浮動(dòng)功能全部打開(kāi)后再進(jìn)行幾次實(shí)驗(yàn)，該問(wèn)題得到解決。但對(duì)y、z 軸所設(shè)置的浮動(dòng)力大小多少才是最合適，又需經(jīng)過(guò)多組設(shè)置實(shí)驗(yàn)。為此，嘗試關(guān)閉y、z 軸浮動(dòng)功能，而在開(kāi)啟直角坐標(biāo)x軸方向浮動(dòng)功能的同時(shí)，開(kāi)啟關(guān)節(jié)坐標(biāo)末三軸的浮動(dòng)功能，以自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)工件時(shí)所需的微小浮動(dòng)量。經(jīng)過(guò)多組實(shí)驗(yàn)，找到合適的浮動(dòng)力設(shè)置條件如圖12所示。此狀態(tài)下上料完成姿態(tài)全部符合人工上料最佳標(biāo)準(zhǔn)，如圖13所示，并較大程度上保護(hù)了機(jī)器人和末端執(zhí)行器。

圖12 機(jī)器人浮動(dòng)力合適設(shè)置條件

圖13 機(jī)器人上料最佳完成姿態(tài)

4 生產(chǎn)線試運(yùn)行及分析

該生產(chǎn)線按照?qǐng)D3 的位置和尺寸布局各機(jī)器人、傳送線和磨床，以盡量接近真實(shí)環(huán)境進(jìn)行模擬試運(yùn)行。經(jīng)過(guò)幾個(gè)班次試運(yùn)行，各段傳送線結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)拍均在10 s 以內(nèi)，機(jī)器人1 及機(jī)器人2 均可代替工人完成柔性上下料工作，重復(fù)精度高，并且節(jié)拍均在11 s 以內(nèi)，完全滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

文中介紹了工業(yè)機(jī)器人在冰箱壓縮機(jī)曲軸磨削加工生產(chǎn)中的應(yīng)用，以工業(yè)機(jī)器人、傳送線和磨床集成開(kāi)發(fā)了冰箱壓縮機(jī)曲軸磨削加工機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線。試運(yùn)行結(jié)果表明:(1)壓縮機(jī)曲軸磨削加工原需5名工人負(fù)責(zé)的上下料工作，由該生產(chǎn)線和1 名工人替代完成，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)高度自動(dòng)化;(2)設(shè)定合適的機(jī)器人上料浮動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)高度柔性化生產(chǎn);(3)整條生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，可靠性高，可提高生產(chǎn)效率，利于在業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。

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