一種用于氣閥部件裝配的機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

申靖宇，謝群，李雪，巴鵬

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159；2.沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)有限公司，沈陽 110141)

往復(fù)式壓縮機(jī)是一種依靠活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行氣體壓縮的機(jī)械裝備，廣泛應(yīng)用于石油化工、礦山、船舶等領(lǐng)域。氣閥是用于控制氣體進(jìn)出氣缸[1]，主要有進(jìn)氣閥和排氣閥兩種，是往復(fù)式壓縮機(jī)的重要組成部分。

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，人力成本的攀升，要求企業(yè)提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，將員工人身安全放在第一位。對(duì)此，國外制造業(yè)紛紛投入大量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化裝配。利用機(jī)器人的識(shí)別、定位、檢測(cè)、補(bǔ)償、避碰等功能可以大幅提高生產(chǎn)效率[2]，縮短生產(chǎn)周期，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低成本。由于大型往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥部件尺寸大，質(zhì)量高達(dá)30kg，需天車輔助，并且安裝位置狹小，因此長期以來氣閥部件裝配都存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)率低下、操作困難等缺點(diǎn)?；谝陨显蛟O(shè)計(jì)出一種用于氣閥裝配的機(jī)器人專用末端執(zhí)行器，將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到氣閥裝配過程中，由機(jī)器人代替人工來完成氣閥部件的自動(dòng)裝配，解決氣閥裝配空間狹小，操作困難和不易抓取的難題。

1 氣閥裝配工藝分析

1.1 裝配工藝流程

往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥部件包括銅墊、氣閥、壓閥罩、閥孔蓋，如圖1所示。

圖1 氣閥部件結(jié)構(gòu)圖

氣閥部件與閥孔的配合方式均為間隙配合，間隙為0.2～0.5mm。目前氣閥的裝配全部由人工完成，主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：(1)涂防銹油。在裝配之前對(duì)所有零件噴涂防銹油，靜置幾分鐘使防銹油布滿零件的表面。(2)安放銅墊。銅墊起密封作用，安放在氣閥止口處。(3)安裝氣閥。氣閥外圓面上對(duì)稱分布兩個(gè)短銷，稱為掛銷。與掛銷相對(duì)應(yīng)的閥孔內(nèi)壁處開有環(huán)槽，環(huán)槽有兩個(gè)缺口；裝配氣閥時(shí)，保證掛銷通過缺口進(jìn)入環(huán)槽，使氣閥頂緊銅墊；最后將氣閥旋轉(zhuǎn)一定角度，使掛銷離開環(huán)槽缺口處，氣閥安裝完成。閥孔內(nèi)一共有兩處掛銷與環(huán)槽的配合，一處位于閥孔底部，一處位于閥口處，兩處掛銷的作用是保證閥孔水平或朝下時(shí)，工人松手后氣閥和壓閥罩不發(fā)生翻覆和掉落[3]。(4)安裝壓閥罩。壓閥罩的安裝方法與氣閥相同，先將壓閥罩裝入閥孔，然后旋轉(zhuǎn)一定角度。(5)安裝閥孔蓋。安裝閥蓋前先放置閥口銅墊，然后用天車吊起閥孔蓋，對(duì)準(zhǔn)閥孔，將閥孔蓋安裝到位，整個(gè)裝配完成。

根據(jù)目前氣閥裝配的工藝流程，確定氣閥裝配機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)由末端執(zhí)行器、六軸工業(yè)機(jī)器人和移動(dòng)平臺(tái)組成，如圖2所示。

圖2 氣閥裝配機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

1.2 末端執(zhí)行器功能分析

目前氣閥部件裝配存在以下工藝難點(diǎn)：(1)空間狹小，操作困難。閥孔較深并且徑向尺寸與氣閥外徑相當(dāng)，只能單人操作，無法協(xié)同作業(yè)。(2)缺乏專用夾持工具，抓取困難。受制于閥孔尺寸，夾持工具無法進(jìn)入閥孔，只能人工徒手抓??；氣閥表面經(jīng)過拋光和噴涂防銹油處理，表面光滑，工人徒手抓取困難。(3)裝配過程效率低下。往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥部件尺寸大，質(zhì)量重，需要天車輔助才能完成裝配；天車水平移動(dòng)和升降位置精度低，并且調(diào)整過程緩慢，占用大量資源，耗時(shí)耗力。

由此總結(jié)出整個(gè)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)需要解決三個(gè)關(guān)鍵問題，第一、保證夾持工具能順利進(jìn)入狹小的閥孔，不發(fā)生任何干涉。第二、實(shí)現(xiàn)一種夾持工具能適用所有氣閥部件。第三、減小夾持工具的尺寸和質(zhì)量，降低機(jī)器人末端的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

以2D-90MG往復(fù)式壓縮機(jī)為研究對(duì)象，測(cè)得氣閥相關(guān)部件的參數(shù)如表1所示。

表1 2D-90MG往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥相關(guān)參數(shù) mm

由表1可知?dú)忾y部件形狀各不相同，難以使用一種夾持工具進(jìn)行抓取。若使用多種夾持工具，則需要增加專用的工具更換裝置，不但大大增加機(jī)器人的成本，同時(shí)更換工具降低機(jī)器人的裝配效率。另外氣閥的裝配位置位于閥孔最深處，夾持工具必須有足夠的長度以保證氣閥能安裝到位。氣閥部件外形尺寸和閥孔直徑相當(dāng)，夾持工具截面尺寸必須小于閥孔尺寸。如果夾持工具過長，勢(shì)必會(huì)使機(jī)器人末端關(guān)節(jié)形成較大的懸臂負(fù)載[4]?？紤]到裝配機(jī)器人的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其工作剛度和穩(wěn)定性必然降低，精度無法保證。

2.1 末端執(zhí)行器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)人工裝配氣閥部件的工藝要求，再結(jié)合機(jī)器人自動(dòng)裝配的特點(diǎn)，擬定機(jī)器人裝配氣閥部件流程如下：裝氣閥→旋轉(zhuǎn)氣閥→裝壓閥罩→旋轉(zhuǎn)壓閥罩→裝閥孔蓋。由于銅墊較薄，厚度僅為2mm，難以夾持，故采用人工方式將銅墊安放到位?；谝陨弦?設(shè)計(jì)出一種適用于所有氣閥部件裝配的末端執(zhí)行器，如圖3所示，由電磁鐵、連接體、薄型帶導(dǎo)桿氣缸和機(jī)器人末端連接法蘭組成。

圖3 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

該末端執(zhí)行器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)基于電磁吸附原理，設(shè)計(jì)并選用環(huán)形電磁鐵，實(shí)現(xiàn)一個(gè)電磁鐵可吸附多個(gè)異形工件。既解決了氣閥部件抓取的問題，又減少了工具的使用數(shù)量，避免更換工具的麻煩。環(huán)形電磁鐵的設(shè)計(jì)在滿足吸附力的前提下，可以降低末端執(zhí)行器的質(zhì)量，使結(jié)構(gòu)輕量化。

(2)整體結(jié)構(gòu)緊湊，末端執(zhí)行器可以順利進(jìn)出閥孔。活動(dòng)部件少，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，誤差小，位置精確。

(3)通用性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本。針對(duì)不同尺寸的氣閥部件，換用不同型號(hào)的電磁鐵和氣缸即可。

2.2 電磁鐵參數(shù)設(shè)計(jì)

電磁鐵通電后吸附能力強(qiáng)，可以快速吸附平面工件、曲面工件，特殊定制的電磁鐵磁力可調(diào)，還可以吸附異形工件。此外，電磁鐵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，動(dòng)作迅速，安裝方便，成本低廉，安全可靠，使用壽命較長，因此廣泛應(yīng)用于鐵磁性零件搬運(yùn)、定位和固定。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)氣閥部件均為鐵磁性材料，且工件表面平整，形狀規(guī)則，面積較大，適合選用電磁鐵以磁力來吸附零件進(jìn)行裝配。環(huán)形電磁鐵中空的設(shè)計(jì)可以吸附凸型零件[5]。

電磁鐵的主要參數(shù)有外形尺寸、吸附力、驅(qū)動(dòng)電源。電磁鐵的外形尺寸根據(jù)氣閥部件和閥孔尺寸確定。

2.2.1 吸附力計(jì)算

電磁鐵的吸附力由被吸物體重量和吸附方向確定。根據(jù)工作需要，電磁鐵的吸附力F不能小于吸附工件所需的吸力F′，即F≥F′。

F′=GK1K2K3

根據(jù)電磁鐵實(shí)際工作情況，取G=6.3kg，K1=1.5，K2=1.5，f=0.3，

則F′=47.25kg

2.2.2 選擇驅(qū)動(dòng)電源類型

電磁鐵的驅(qū)動(dòng)電源參數(shù)主要包括電流形式和電壓。電流形式有交流電和直流電。在功耗方面，交流電磁鐵通交流電，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，線圈能耗高，效率較低，線圈發(fā)熱嚴(yán)重，老化快，壽命短。而直流電磁鐵磁場(chǎng)穩(wěn)定，不發(fā)生交變，線圈發(fā)熱小，功耗低[7]。

該工況下電磁鐵所需的吸附力較小，直流電磁鐵使用方便，安全可靠，故選用24V直流電源。同時(shí)，為提高電磁鐵的安全性，防止斷電失磁，配備24V蓄電池，保證工件不自行脫落。另外，直流電磁鐵的磁場(chǎng)極性不變，電磁鐵斷電后，線圈內(nèi)仍存在自感現(xiàn)象，即有磁滯效應(yīng)，導(dǎo)致電磁鐵存在剩磁，所以工件不易釋放。為此，設(shè)計(jì)去剩磁回路，彌補(bǔ)直流電磁鐵不易釋放工件的不足。

綜合以上分析結(jié)果，確定電磁鐵的規(guī)格參數(shù)如表2所示。

表2 電磁鐵規(guī)格參數(shù) mm

2.3 氣缸選型與分析

氣閥位于閥孔最深處，末端執(zhí)行器必須有一定的長度，否則無法將氣閥安裝到位?？紤]到較長的機(jī)構(gòu)會(huì)增大機(jī)器人末端的懸臂負(fù)載，因此在電磁鐵和機(jī)器人末端連接法蘭之間安裝一個(gè)帶導(dǎo)桿氣缸，利用氣缸緊湊的結(jié)構(gòu)和伸縮功能，既能滿足氣閥裝配的要求又能降低機(jī)器人末端的懸臂負(fù)載，并且整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。綜合考慮，選用SMC生產(chǎn)的薄型帶導(dǎo)桿氣缸。氣缸整體為方形，帶有兩個(gè)導(dǎo)桿，具有良好的抗彎曲和抗扭轉(zhuǎn)性能；活塞桿和導(dǎo)桿的末端通過一個(gè)端板固定在一起，使端板能夠承受較大的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載和橫向負(fù)載，可以直接將負(fù)載物體裝在端板上[8]。氣缸參數(shù)見表3。

表3 薄型帶導(dǎo)桿氣缸參數(shù) mm

末端執(zhí)行器工作時(shí)導(dǎo)桿和活塞桿承受較大的橫向載荷，為保證機(jī)器人工作精度和裝配可靠性，對(duì)末端執(zhí)行器的變形量有一定要求，防止變形量過大。薄型帶導(dǎo)桿氣缸伸長后，導(dǎo)桿和活塞桿形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，最大懸臂長度為60mm，易發(fā)生撓性變形。因此對(duì)導(dǎo)桿和活塞桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證其變形量是否滿足工作要求。氣閥部件與閥孔的配合均為間隙配合，根據(jù)表1中給出的各氣閥部件與閥孔的配合尺寸，得出氣閥部件與閥孔的最大間隙為0.5mm，所以末端執(zhí)行器最大變形量不能超過0.5mm。

裝配閥孔蓋過程中，吸附表面處于垂直位置時(shí)，導(dǎo)桿和活塞桿懸臂長度為60mm，受力最大。電磁鐵質(zhì)量為2kg，連接體質(zhì)量為0.3kg，所有氣閥部件中閥孔蓋質(zhì)量最大，為6.3kg。考慮到機(jī)器人運(yùn)行和停止時(shí)因?yàn)榧訙p速產(chǎn)生的慣性力，簡(jiǎn)化取導(dǎo)桿和活塞桿受力為150N。導(dǎo)桿和活塞桿的材料為304不銹鋼，其性能參數(shù)如表4所示；最大等效應(yīng)力為12.291MPa，如圖4所示；最大變形量為0.0116mm，如圖5所示；機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±0.1mm，末端執(zhí)行器最大偏移為0.116mm，小于0.5mm，滿足使用要求。

表4 304不銹鋼性能參數(shù) MPa

圖4 最大等效應(yīng)力

圖5 變形結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

裝配實(shí)驗(yàn)機(jī)器人為南京埃斯頓ER30通用型六軸工業(yè)機(jī)器人，重復(fù)定位精度為±0.1mm，承載能力為30kg。裝配前氣閥部件放置到專用零件存放工位上，裝配時(shí)末端執(zhí)行器首先到達(dá)氣閥放置工位上方，使電磁鐵與氣閥表面充分接觸，電磁鐵通電，將氣閥吸起并移動(dòng)到閥孔前指定位置。氣缸伸長，機(jī)器人手臂緩慢運(yùn)動(dòng)，將氣閥送入閥孔。氣閥到達(dá)閥座后，機(jī)器人末端旋轉(zhuǎn)，使掛銷進(jìn)入環(huán)槽。電磁鐵斷電，去剩磁回路工作，電磁鐵與氣閥脫開。然后，末端執(zhí)行器返回并移動(dòng)到壓閥罩放置工位上方，準(zhǔn)備裝配壓閥罩。壓閥罩的裝配流程與氣閥相似。最后，末端執(zhí)行器吸起閥孔蓋并移動(dòng)到閥孔前，使閥孔周圍的雙頭螺柱穿入閥孔蓋上的螺栓孔，末端執(zhí)行器返回，人工擰緊螺母，裝配完成。裝配過程如圖6所示。

圖6 裝配過程

實(shí)驗(yàn)過程中末端執(zhí)行器運(yùn)行穩(wěn)定，能夠平穩(wěn)吸起氣閥部件，操作靈活，可以順利進(jìn)入閥孔將氣閥部件安裝到位。機(jī)器人和末端執(zhí)行器相互配合，滿足了實(shí)際設(shè)計(jì)和使用要求。整個(gè)裝配過程流暢，耗時(shí)5min。但當(dāng)閥孔直徑大于200mm時(shí)，人工裝配增加了調(diào)用天車輔助裝配環(huán)節(jié)，裝配一套氣閥部件耗時(shí)10min，而機(jī)器人無需天車輔助，裝配一套氣閥部件耗時(shí)仍為5min，效率提高了50%，機(jī)器人裝配的優(yōu)點(diǎn)凸顯。

4 結(jié)論

通過分析目前往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥部件裝配工藝，設(shè)計(jì)了一種新型的適用于所有氣閥部件的抓取機(jī)構(gòu)作為氣閥裝配機(jī)器人末端執(zhí)行器。對(duì)末端執(zhí)行器關(guān)鍵部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，變形量遠(yuǎn)小于工藝要求。與人工裝配比較，該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊，簡(jiǎn)單靈活，效率高和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，成功解決了氣閥人工裝配的工藝難點(diǎn)。對(duì)于不同型號(hào)的往復(fù)式壓縮機(jī)，換用不同吸力的執(zhí)行器便可完成氣閥部件裝配任務(wù)，通用性強(qiáng)。

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