燃?xì)獗沓杀碜詣?dòng)裝配生產(chǎn)線的研究與設(shè)計(jì)

徐 鵬，顧 歡，李 陽(yáng)，李 林

（中船重工第七一六研究所，連云港 222061）

燃?xì)庥?jì)量表是國(guó)家規(guī)定的強(qiáng)制檢定計(jì)量?jī)x器，其設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平與質(zhì)量穩(wěn)定性事關(guān)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快以及城市燃?xì)馄占奥实牟粩嗵岣撸瑖?guó)內(nèi)燃?xì)獗硇枨罅扛咚僭鲩L(zhǎng)[1-2]。燃?xì)獗淼木薮笫袌?chǎng)需求，對(duì)燃?xì)獗硌b備生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量提出了更高要求，迫切需要提升燃?xì)獗淼闹圃煅b備水平，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化制造。

由于燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、品種多樣、裝配精度要求高，燃?xì)獗砩a(chǎn)制造智能化實(shí)施難度較大，故燃?xì)獗砩a(chǎn)仍主要以人工為主，不僅效率低下，而且產(chǎn)品返修率高，因此其生產(chǎn)制造能力遠(yuǎn)低于市場(chǎng)需求。為此，本文對(duì)燃?xì)獗沓杀碜詣?dòng)化裝配部分進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)了一條包括9個(gè)作業(yè)模塊的燃?xì)獗沓杀碜詣?dòng)裝配生產(chǎn)線，對(duì)提高裝配效率，減少操作人員數(shù)量，提高成表裝配質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 加工對(duì)象的描述及裝配工藝

燃?xì)獗硎且环N依靠燃?xì)獾膲毫?duì)外做功，通過(guò)傳動(dòng)鏈推動(dòng)計(jì)數(shù)器組件進(jìn)行精確計(jì)數(shù)的一種計(jì)量裝置，是用于我國(guó)工用及民用燃?xì)饬髁抠Q(mào)易結(jié)算的強(qiáng)制檢定計(jì)量?jī)x表[3]。燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)組成如圖1所示，由圖可知燃?xì)獗碇饕缮仙w、下蓋、封圈、機(jī)芯組件、計(jì)數(shù)器組件等幾十種零部件組成，零部件種類(lèi)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件制造及裝配工藝工序較多，裝配精度要求高。

圖1 燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure composition of the gas meter

燃?xì)獗沓杀硌b配是指將組裝好的機(jī)芯體組件裝入到上下蓋中并壓封，其主要工藝流程如圖2所示。

圖2 燃?xì)獗沓杀硌b配工藝Fig.2 Gas meter table assembly process

2 生產(chǎn)線整體布局

燃?xì)獗沓杀碜詣?dòng)裝配生產(chǎn)線根據(jù)裝配工藝及最優(yōu)生產(chǎn)節(jié)拍的選擇設(shè)計(jì)了整體布局[4-5]，如圖3所示，共包括9個(gè)生產(chǎn)模塊：導(dǎo)軌輸送模塊、上蓋上料模塊、上蓋內(nèi)軸涂油模塊、磁鋼組裝與裝配模塊、上蓋涂膠模塊、機(jī)芯上料與裝配模塊、下蓋上料與裝配模塊、封圈上料與裝配模塊、成表碼垛模塊[6]。本生產(chǎn)線采用帶有工裝板的直線導(dǎo)軌對(duì)工件進(jìn)行輸送，然后工件被自動(dòng)送入各個(gè)工位并裝配零件，整個(gè)裝配過(guò)程連續(xù)依次進(jìn)行，且各工位并行流水線作業(yè)，大大提高整體效率。

圖3 生產(chǎn)線布局示意Fig.3 Production line layout

圖4 導(dǎo)軌輸送模塊示意Fig.4 Guide rail conveyor module diagram

成表自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的工作過(guò)程：三坐標(biāo)機(jī)械手將上蓋放入導(dǎo)軌輸送模塊的工裝板上，并移動(dòng)到下一工位；機(jī)械手對(duì)上蓋內(nèi)軸涂油；磁鋼組裝設(shè)備將磁鋼體與磁鋼內(nèi)外套組裝成一體，然后機(jī)械手抓取磁鋼組涂油，再裝配到上蓋中；涂膠機(jī)對(duì)上蓋涂膠；機(jī)械手抓取出氣管，對(duì)出氣管上下端涂油，然后裝配機(jī)械手將出氣管裝到機(jī)芯上；機(jī)芯裝出氣管后，機(jī)械手將機(jī)芯翻轉(zhuǎn)180°裝入上蓋；機(jī)械手抓取下蓋扣合到上蓋上；將封圈套入下蓋上，然后對(duì)封圈進(jìn)行預(yù)彎；預(yù)彎后的成表被搬運(yùn)機(jī)械手放入托盤(pán)內(nèi)，當(dāng)一層托盤(pán)放滿后，托盤(pán)被碼垛裝置堆疊成垛，堆好的垛由叉車(chē)或小車(chē)送出。

3 生產(chǎn)線關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)軌輸送模塊設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌輸送模塊以步進(jìn)的方式輸送，7 s為一步，將工件送入下一工位，如圖4所示。工裝板采用直線導(dǎo)軌輸送，輸送方式為環(huán)狀輸送，使得工裝板為連續(xù)式供應(yīng)。工裝板由氣缸與定位銷(xiāo)定位，特點(diǎn)是輸送平穩(wěn)、定位精度高、使用壽命長(zhǎng)、不易損壞、維護(hù)成本低。

3.2 磁鋼組裝與裝配模塊設(shè)計(jì)

磁鋼組裝與裝配模塊是將零散的磁鋼外套、磁鋼內(nèi)套及磁鋼體組裝成組件后裝入上蓋。磁鋼組裝與裝配模塊由轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)、振動(dòng)盤(pán)、托盤(pán)送料裝置、裝配機(jī)械手、磁鋼組裝配機(jī)械手、自動(dòng)涂油裝置組成，如圖5所示。

圖5 磁鋼組裝與裝配模塊示意Fig.5 Magnetic steel assembly module diagram

轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)由減速機(jī)帶動(dòng)，分割器傳動(dòng)，可進(jìn)行間歇式轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)上裝有工裝，用來(lái)定位工件；振動(dòng)盤(pán)用于輸送磁鋼內(nèi)套及磁鋼外套；磁鋼體送料采用托盤(pán)送料裝置，托盤(pán)疊層放置，由人工將磁鋼體預(yù)裝在托盤(pán)上；裝配機(jī)械手主要由機(jī)座、直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、氣缸、夾料手等部件構(gòu)成，機(jī)械手可以在X與Y 2個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，夾料手可根據(jù)零件的種類(lèi)進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，此模塊中有3個(gè)裝配機(jī)械手，分別為磁鋼裝配機(jī)械手、磁鋼內(nèi)套裝配機(jī)械手、磁鋼外套裝配機(jī)械手；磁鋼組裝配機(jī)械手與裝配機(jī)械手類(lèi)似，不同之處在于機(jī)械手前端可進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)由轉(zhuǎn)動(dòng)氣缸控制；自動(dòng)涂油裝置能夠自動(dòng)供油，使用與維護(hù)方便。

該模塊自動(dòng)化工作流程：磁組組件自動(dòng)上料，其中磁鋼外套及磁鋼內(nèi)套均由振動(dòng)盤(pán)自動(dòng)上料，磁鋼體為堆垛式上料。第一工位采用機(jī)械手對(duì)磁鋼內(nèi)套自動(dòng)上料移載至轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)工裝內(nèi)，利用磁鋼內(nèi)套異形卡口進(jìn)行定位；第二工位采用機(jī)械手抓取磁鋼放入磁鋼內(nèi)套后開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)下壓，使磁鋼上面的卡槽卡入磁鋼內(nèi)套相應(yīng)位置中，如圖6（a）所示。磁鋼裝配機(jī)械手上裝有扭矩控制裝置，在磁鋼卡到位后自動(dòng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手縮回，完成磁鋼的裝配，工件被送入下一工位；第三工位主要完成磁鋼外套的自動(dòng)上料組裝，磁鋼外套由離心上料機(jī)上料，由機(jī)械手抓取后卡入磁鋼內(nèi)套上；第四工位機(jī)械手抓取磁鋼組，在涂油位置涂油后，機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)90°，將磁鋼組裝入上蓋中相應(yīng)位置，如圖 6（b）和 6（c）所示。

圖6 磁鋼裝配過(guò)程示意Fig.6 Magnetic steel assembly process diagram

3.3 機(jī)芯上料與裝配模塊設(shè)計(jì)

機(jī)芯上料與裝配模塊由送料小車(chē)、輥道輸送機(jī)、托盤(pán)升降裝置、三坐標(biāo)機(jī)械手、導(dǎo)軌輸送機(jī)、振動(dòng)盤(pán)、出氣管涂油裝置、出氣管裝配機(jī)械手、機(jī)芯裝配機(jī)械手組成，如圖7所示。

圖7 機(jī)芯上料與裝配模塊示意Fig.7 Movement loading and assembly module diagram

送料小車(chē)負(fù)責(zé)運(yùn)載裝有機(jī)芯的托盤(pán)垛；輥道輸送機(jī)將托盤(pán)垛自動(dòng)送入托盤(pán)升降裝置；托盤(pán)升降裝置將裝好機(jī)芯的托盤(pán)升到工作位置，等待機(jī)械手抓取機(jī)芯；三坐標(biāo)機(jī)械手抓取機(jī)芯放到工裝內(nèi)，并將空托盤(pán)取下放到托盤(pán)卸載位置；導(dǎo)軌輸送機(jī)將機(jī)芯依次送入各個(gè)工位；振動(dòng)盤(pán)自動(dòng)將出氣管送入指定工位；出氣管涂油裝置由1個(gè)機(jī)械手和2個(gè)海綿盒構(gòu)成，如圖8所示。機(jī)械手夾住出氣管中部轉(zhuǎn)動(dòng)90°到達(dá)海綿盒處，然后上下移動(dòng)，分別將上下端伸入海綿盒內(nèi)，使出氣管上下端都涂上油脂；出氣管裝配機(jī)械手主要由機(jī)座、直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、氣缸、夾料手等部件構(gòu)成，夾料部分可旋轉(zhuǎn)并帶有力矩控制裝置。機(jī)械手先將出氣管裝入安裝孔，再將出氣管旋到指定位置后自動(dòng)停止，然后機(jī)械手縮回，完成出氣管的裝配；機(jī)芯裝配機(jī)械手的夾料部分可翻轉(zhuǎn)180°，將機(jī)芯倒扣入上蓋中。

圖8 出氣管涂油裝置示意Fig.8 Outlet pipe oiling device diagram

托盤(pán)升降裝置由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鏈輪鏈條傳動(dòng)。鏈條上裝有擋塊，用來(lái)放置托盤(pán)，如圖9所示。當(dāng)機(jī)械手把最上層的空托盤(pán)取走后，下一層的托盤(pán)上升到最上層。當(dāng)裝有上蓋的托盤(pán)剩余不多時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，通知人員補(bǔ)充托盤(pán)，何時(shí)補(bǔ)充托盤(pán)可由人工設(shè)定。

圖9 托盤(pán)升降裝置原理Fig.9 Tray lifting device schematic

3.4 封圈上料與裝配模塊設(shè)計(jì)

封圈上料與裝配模塊由封圈送料裝置、裝配機(jī)械手、封圈預(yù)彎裝置組成，如圖10所示。

封圈呈十字交叉方式由人工疊放到一個(gè)特制托盤(pán)中，由8個(gè)立柱固定，此方式可避免封圈相互之間疊層卡??；三坐標(biāo)裝配機(jī)械手的取料手由6個(gè)小吸盤(pán)構(gòu)成，可以吸住封圈裝入指定位置；封圈預(yù)彎裝置通過(guò)氣缸在2個(gè)位置預(yù)彎封圈，使封圈固定住上下蓋，不讓上下蓋脫落。

圖10 封圈上料與裝配模塊示意Fig.10 Ring loading and assembly module diagram

3.5 成表碼垛模塊設(shè)計(jì)

成表碼垛模塊由成表翻轉(zhuǎn)機(jī)械手、不合格品輸送機(jī)、三坐標(biāo)機(jī)械手、托盤(pán)送料及碼垛裝置組成，如圖11所示。

圖11 成表碼垛模塊示意Fig.11 Table palletizing module diagram

成表翻轉(zhuǎn)機(jī)械手從輸送機(jī)上抓取裝好的燃?xì)獗矸D(zhuǎn)180°后放到另一工位上。其次，可將不合格產(chǎn)品抓取到輸送機(jī)上輸送至回收區(qū)；三坐標(biāo)機(jī)器人從輸送機(jī)上夾取裝好的燃?xì)獗矸诺酵斜P(pán)上；托盤(pán)送料裝置將空托盤(pán)從下層送往上層，實(shí)現(xiàn)托盤(pán)的供應(yīng)，新的托盤(pán)由工人從料架下方放入；托盤(pán)碼垛裝置將放滿燃?xì)獗淼耐斜P(pán)從裝料工位送往碼垛工位。最上層托盤(pán)下有兩排滾輪，推料裝置由鏈輪鏈條帶動(dòng)，推動(dòng)托盤(pán)到達(dá)指定工位，如圖12所示。碼垛工位的托盤(pán)一層一層往下降，實(shí)現(xiàn)托盤(pán)堆疊碼垛。碼完垛的托盤(pán)由叉車(chē)或送料小車(chē)運(yùn)走。

4 生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)

按照生產(chǎn)線的布局規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)的燃?xì)獗沓杀碜詣?dòng)裝配生產(chǎn)線如圖13所示。

該自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)采用西門(mén)子的PLC S7-300型控制器+威倫觸摸屏[7-8]，用于執(zhí)行指令輸入、手自動(dòng)控制切換、參數(shù)設(shè)置、裝配產(chǎn)量與質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、監(jiān)控畫(huà)面顯示以及故障原因顯示等[7]。生產(chǎn)線實(shí)地安裝調(diào)試投入運(yùn)行后，經(jīng)過(guò)幾個(gè)班次試生產(chǎn)，各模塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)拍均在10s以內(nèi)，依據(jù)此生產(chǎn)節(jié)拍可輕松完成年產(chǎn)300萬(wàn)只表的生產(chǎn)任務(wù)。

圖12 成表碼垛流程示意Fig.12 Table palletizing process diagram

圖13 自動(dòng)化生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物Fig.13 Automated production line site physical map

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種包含9個(gè)生產(chǎn)模塊的燃?xì)獗沓杀碜詣?dòng)裝配生產(chǎn)線，與現(xiàn)有的手工裝配相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)。生產(chǎn)線主體采用帶有工裝板的直線導(dǎo)軌輸送形式，以西門(mén)子PLC為主控系統(tǒng)，各個(gè)模塊并行流水線作業(yè)，大大提高整體效率。該自動(dòng)裝配線攻克了小型異型工件自動(dòng)裝配不易實(shí)現(xiàn)的難題，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)成表裝配過(guò)程的全自動(dòng)低能高效運(yùn)行。該生產(chǎn)線在企業(yè)的投入使用，促進(jìn)了燃?xì)獗硌b配行業(yè)更好地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、操作規(guī)范化，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[1]沈文新，東濤.膜式燃?xì)獗懋a(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].中國(guó)計(jì)量，2009，25（12）：31-32.

[2]遲國(guó)敬，廉偉方，李長(zhǎng)纓.中國(guó)燃?xì)獗硎袌?chǎng)容量需求狀況分析[J].城市燃?xì)猓?011，20（3）：19-24.

[3]崔學(xué)智.膜式燃?xì)獗碓O(shè)計(jì)及生產(chǎn)技術(shù)研究[D].上海：上海理工大學(xué)，2005.

[4]姜帆，楊振宇，何佳兵.自動(dòng)化裝配設(shè)備的總體設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2011，40（7）：131-133.

[5]李紹炎，鐘健，熊偉棠.自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)原理及節(jié)拍優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，7（1）：22-24.

[6]陸春元，繆玉芳，吉孫佳，等.壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的研究與設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013，1（12）：145-148.

[7]陳海霞.西門(mén)子S7-300/400 PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[8]李偉光，林思引.基于機(jī)器人的不銹鋼廚具拉伸成型自動(dòng)生產(chǎn)線構(gòu)建[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012，1（4）：75-78.