汽車空調(diào)組件安裝中前圍機(jī)械手軌跡控制與安裝調(diào)試

翁旻昱

摘 要：以上汽大眾寧波工廠二期前圍機(jī)械手的安裝調(diào)試為例，針對前圍機(jī)械手軌跡控制與安裝調(diào)試需求，制定了詳細(xì)的安裝計(jì)劃，著重對汽車空調(diào)組件安裝中前圍機(jī)械手軌跡控制與安裝調(diào)試的相關(guān)內(nèi)容作一分析闡述。安裝工作完成后極大地提升了汽車空調(diào)組件的組裝效率。期望本文的撰寫可以為相似項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào)系統(tǒng);機(jī)械手;氣動(dòng)機(jī)械臂;軌跡控制

汽車工業(yè)是我國支柱型產(chǎn)業(yè)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的增長點(diǎn)，從1960年第一臺空調(diào)裝配在一汽紅旗轎車上開始，汽車便迎來了空調(diào)裝置。機(jī)械手優(yōu)點(diǎn)眾多，主要由機(jī)械部分、傳感部分和控制部分組成。本項(xiàng)目的機(jī)械手分為五大部分，即行走軌道、行走電機(jī)部分、氣動(dòng)手臂、機(jī)械夾具和電器柜控制。鑒于汽車前圍在整個(gè)流水線安裝中至關(guān)重要，因而做好軌道安裝是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本次項(xiàng)目軌道安裝過程中特別對每塊鋼板質(zhì)量進(jìn)行了現(xiàn)場檢測，確保軌道誤差小于0.2mm。等待吊裝工作完成后，在安裝軌道導(dǎo)向軌時(shí)要嚴(yán)格將平行誤差控制在2mm以內(nèi)，且需要對軌道平整度進(jìn)行二次檢測，保證軌道安裝質(zhì)量。

1 項(xiàng)目概況

2017年2月上海維荻機(jī)電技術(shù)有限公司承接上汽大眾寧波工廠二期前圍機(jī)械手的安裝調(diào)試，項(xiàng)目地點(diǎn)位于浙江省寧波市慈溪市海濱路258號，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)安裝工作均由上海維荻機(jī)電技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)。具體的安裝內(nèi)容包括機(jī)械手驅(qū)動(dòng)安裝、行走軌道安裝、氣動(dòng)機(jī)械臂安裝與軌跡控制等內(nèi)容。計(jì)劃在第一周內(nèi)完成機(jī)械設(shè)備的安裝工作，第二周開展電氣安裝調(diào)試，積極控制好整體工程工期和質(zhì)量，對每天的施工情況加以匯總，爭取在提前2天內(nèi)完成調(diào)試工作。

2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)與自由度選取

2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三部分組成，手部的作用是抓持工件，按照結(jié)構(gòu)可以分為夾持型、吸附型和托持型。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮及旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)方式統(tǒng)稱為機(jī)械手的自由度，當(dāng)自由度越大，機(jī)械手的靈活性也會(huì)越強(qiáng)，一般來說，機(jī)械手的自由度有2～3個(gè)。從我國當(dāng)前機(jī)械手應(yīng)用情況來看，如果按照驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以將機(jī)械手分為液壓式、電動(dòng)式、氣動(dòng)式和機(jī)械式機(jī)械手這四種;如果按照適用范圍來分類，可以將機(jī)械手分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種形式;按照運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式的不同可以將機(jī)械手分為連續(xù)性控制機(jī)械手和點(diǎn)位控制機(jī)械手兩種[1]。

機(jī)械手的結(jié)構(gòu)由氣控機(jī)械手、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)基座組成，具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中的“1”是機(jī)械手的氣控機(jī)械手，“2”是機(jī)械手的XY軸絲杠組，“3”是機(jī)械手的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，“4”是機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)基座。機(jī)械手的夾緊裝置采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)基座的作用是支撐氣控機(jī)械手、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)三部分。

2.2 坐標(biāo)形式與自由度

汽車空調(diào)組件安裝中常見的機(jī)械手按照坐標(biāo)形式的不同大致可以分為4種：直角坐標(biāo)型機(jī)械手、球坐標(biāo)型機(jī)械手（極坐標(biāo)型機(jī)械手）、圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手以及多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。此次項(xiàng)目所采用的機(jī)械手坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，因圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)相比于其他三種，更加簡單緊湊，定位精度也高于其他三種，占地面積較小。坐標(biāo)形式確定之后，按照本次項(xiàng)目的實(shí)際安裝需求，機(jī)械手的自由度有3個(gè)，即手臂伸縮、手臂升降與手臂回轉(zhuǎn)。

2.3 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案

作為機(jī)械手的重要組成部分，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在機(jī)械手中發(fā)揮著重要的作用，機(jī)械手的工作性能很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案。按照動(dòng)力源的不同，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可以分為四種，即液壓驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)及機(jī)械驅(qū)動(dòng)。因?yàn)閷?shí)際安裝需求，所設(shè)計(jì)的三自由度機(jī)械手是一種混合式的機(jī)械手，擁有電動(dòng)式驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng)兩者共同的優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)省行程開關(guān)與PLC的I/O端口方面發(fā)揮著重要的作用，具有操作簡單和精準(zhǔn)定位的優(yōu)勢[2]。

3 機(jī)械手控制系統(tǒng)工作原理

通過應(yīng)用機(jī)械手控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手工作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)時(shí)間和速度等的控制，可以幫助機(jī)械手按照作業(yè)要求完成各項(xiàng)工作任務(wù)。機(jī)械手控制系統(tǒng)工作原理是通過機(jī)械手對每一個(gè)自由度電機(jī)加以控制，進(jìn)而完成特定工作，同時(shí)接收來自傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編寫程序?qū)崿F(xiàn)所要功能。

4 機(jī)械手安裝技術(shù)探究

4.1 動(dòng)作流程規(guī)劃

此次機(jī)械手動(dòng)作規(guī)劃方案的具體內(nèi)容是：當(dāng)汽車空調(diào)組件到達(dá)時(shí)機(jī)械手系統(tǒng)即開始動(dòng)作步進(jìn)，促使電機(jī)驅(qū)動(dòng)縱軸上升，而另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫軸會(huì)按照預(yù)先設(shè)置好的流程向前走，此時(shí)轉(zhuǎn)盤直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)作用可以讓機(jī)械手整體運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)到汽車空調(diào)組件實(shí)際的安裝部位。然后，步進(jìn)電機(jī)可以再次驅(qū)動(dòng)縱軸發(fā)生下降，到達(dá)指定位置時(shí)可以氣閥放氣，松開組件，此時(shí)一個(gè)動(dòng)作流程完成，系統(tǒng)回位后繼續(xù)開始下一波動(dòng)作。

4.2 行走軌道安裝

兩根行走軌軌道由3cm鋼板拼成，表面經(jīng)過熱處理可以保證硬度和耐磨損度，要求軌道整體高低差不能超過2mm，尤其是拼接接頭處不得出現(xiàn)高低不平。另外，因?yàn)殡姍C(jī)小車是靠硬質(zhì)軸承輪運(yùn)動(dòng)，軌道接頭有高低，會(huì)在使用過程中產(chǎn)生跳動(dòng)和聲響，如果情況嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致小車偏轉(zhuǎn)造成停車擠住。因此，鑒于行走軌道安裝極易受到其他因素的影響，為了充分保證行走軌道安裝的安全性與順利性，此次安裝首先對用在安裝中的每塊鋼板質(zhì)量進(jìn)行了現(xiàn)場檢測，保證軌道誤差不高于0.2mm，采用的檢測工具以電子數(shù)顯卡尺為主;而后對安裝作業(yè)面進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)地測量，明確鋼構(gòu)的水平情況，一般水平高低相差5cm是可以通過后期安裝調(diào)節(jié)軌道吊腳板找回;最后在現(xiàn)場標(biāo)記激光打線并拉線標(biāo)記便于安裝，此過程需要注意的一點(diǎn)是，拉線必須固定在現(xiàn)場，安裝軌道吊腳板后要再次測量水平高低，進(jìn)而完成軌道板的鋪設(shè)。移動(dòng)小車安裝較為簡單，等待吊裝工作完成后，軌道導(dǎo)向軌的安裝要特別注意平行誤差，需要將平行誤差控制在2mm以內(nèi)，切記不可以緊靠軌道板。如果安裝過程中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向輪靠軌道板太緊，則要立即進(jìn)行調(diào)整，保證兩者之間保留1～2mm間隙。另外，還需要對軌道平整度進(jìn)行二次檢測。

4.3 氣動(dòng)機(jī)械臂安裝與軌跡控制

氣動(dòng)機(jī)械臂是自動(dòng)機(jī)械化發(fā)展過程中形成的一種新型裝置，可以按照既定程序自動(dòng)控制手臂實(shí)現(xiàn)工具的操作。另外，氣動(dòng)機(jī)械臂避免了工作人員接觸危險(xiǎn)性工作，比如組件安裝過程中所處的高溫、高壓及放射性環(huán)境等。鑒于氣動(dòng)臂的重量約為200kg重，實(shí)際安裝過程中存在很大的難度，最后決定采用手拉葫蘆進(jìn)行吊裝工作。安裝工作完成后要及時(shí)安排接線和氣管供氣，最后需要做的工作是聯(lián)接機(jī)械夾具，在此過程中務(wù)必要在機(jī)械臂安裝后通氣再安裝。

從當(dāng)前氣動(dòng)機(jī)械臂軌跡控制應(yīng)用來看，主要的控制方法有FID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、模糊自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制這四種。FID控制方法是一種基于過程的控制方法，應(yīng)用最大的優(yōu)勢是不需要系統(tǒng)建模，控制率高，但這種方式存在難以處理系統(tǒng)模型中的不確定性問題，不宜用于氣動(dòng)機(jī)械臂高速運(yùn)動(dòng)的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制在氣動(dòng)機(jī)械臂軌跡控制中應(yīng)用廣泛，根本原因是這種控制方式具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，并利用并行分布式結(jié)構(gòu)充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系，能夠保證氣動(dòng)機(jī)械臂軌跡穩(wěn)定，在控制氣動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)位置和速度誤差中具有顯著的成效。模糊自適應(yīng)控制也不需要構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，可以利用控制知識，消除軌跡與理想值之間的誤差，直接調(diào)整控制器的參數(shù)，保證氣動(dòng)機(jī)械臂軌跡控制效果。本項(xiàng)目氣動(dòng)機(jī)械臂軌跡控制采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制，實(shí)際控制效果顯著。

4.4 控制電器柜安裝

控制電器柜安裝時(shí)要先對主電路進(jìn)行查看，確定主電路需要的功能，而后對控制電路進(jìn)行分析，通過控制電路確認(rèn)主電路，并注意控制電路有無特殊情況。在配線時(shí)，要將所有元器件的接地線全部接好，同種電壓的一起連接。電器柜的上方或者下方需要按照需求開穿線孔，孔的口徑和數(shù)量需要嚴(yán)格按照穿線數(shù)量和防水接頭的型號來確定，一般來說，穿線孔位置設(shè)置時(shí)要保證控中心到電器柜后板的距離為50mm，開孔孔徑控制為70mm。

5 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試方案包括機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備兩方面。機(jī)械設(shè)備的調(diào)試方案內(nèi)容是水平度調(diào)節(jié)依中間下沉處為準(zhǔn)兩邊調(diào)節(jié)螺栓增大夾板間隙，左右調(diào)節(jié)時(shí)一邊高低相差5mm。電氣設(shè)備的調(diào)試方案內(nèi)容是安裝全部電器設(shè)備，檢查主電路，電動(dòng)檢查接觸器控制電路，由技術(shù)人員現(xiàn)場模擬動(dòng)作檢查機(jī)械手動(dòng)作的連貫性和準(zhǔn)確度，用上汽大眾車底盤檢測設(shè)備在工作環(huán)境的穩(wěn)定性，配合上汽大眾生產(chǎn)速度調(diào)節(jié)機(jī)械手的夾取速度。調(diào)試方案驗(yàn)收依據(jù)大眾生產(chǎn)加工合同中的相關(guān)規(guī)范要求，以滿足工廠生產(chǎn)要求為準(zhǔn)。經(jīng)過現(xiàn)場測試與生產(chǎn)對比，本項(xiàng)目設(shè)備完全滿足設(shè)計(jì)要求，符合大眾下達(dá)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求，圓滿完成項(xiàng)目。

6 結(jié)論

汽車空調(diào)組件安裝中前圍機(jī)械手軌跡控制與安裝調(diào)試中涉及的知識點(diǎn)和技術(shù)內(nèi)容較多，本項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)行過程中所面臨的困難主要來自于機(jī)械手軌道控制方面，重點(diǎn)體現(xiàn)在行走軌道安裝與氣動(dòng)機(jī)械臂軌跡控制兩方面。通過分析研究，主要通過規(guī)劃動(dòng)作流程、安裝行走軌道及軌跡控制等技術(shù)完成機(jī)械手安裝工作，而后重點(diǎn)從機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備兩方面開展了系統(tǒng)調(diào)試工作。經(jīng)過現(xiàn)場測試與生產(chǎn)對比，生產(chǎn)成果滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

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