翅片式換熱器短U管自動(dòng)裝配方法與裝置研究

摘? 要：換熱器是空調(diào)系統(tǒng)中四大核心部件之一，在翅片式換熱器生產(chǎn)制造過(guò)程中短U管裝配工序憑借個(gè)人記憶確定系統(tǒng)管路回路，進(jìn)行人工裝配，極易產(chǎn)生裝配錯(cuò)誤，導(dǎo)致質(zhì)量問(wèn)題?，F(xiàn)介紹一種更為先進(jìn)的翅片式換熱器中短U管自動(dòng)裝配方法及裝置，其特性在于使用信息系統(tǒng)及PLC系統(tǒng)傳輸產(chǎn)品參數(shù)，利用機(jī)器人系統(tǒng)及視覺(jué)系統(tǒng)分析來(lái)料工件的管口偏差及位置偏差并補(bǔ)償給機(jī)器人，完成短U管準(zhǔn)確安裝，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的自動(dòng)化安裝，避免人工裝配作業(yè)錯(cuò)誤。

關(guān)鍵詞：換熱器;短U管;機(jī)器人系統(tǒng);視覺(jué)系統(tǒng)

0? ? 引言

隨著人民生活水平的不斷提高及中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)在各行業(yè)均占據(jù)了舉足輕重的地位。我國(guó)空調(diào)產(chǎn)能占全球總產(chǎn)能近80%，未來(lái)隨著“一帶一路”倡議的進(jìn)一步推進(jìn)，東南亞地區(qū)制造業(yè)輸出計(jì)劃必然助推家電企業(yè)出口增長(zhǎng)。翅片式換熱器是空調(diào)領(lǐng)域廣泛采用的換熱器型式[1]，它通過(guò)在基管上加裝翅片來(lái)達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、片型研究、管型研究以及相關(guān)換熱器工藝的不斷發(fā)展過(guò)程中，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)，但是制造過(guò)程卻沒(méi)有太大的突破，短U管作為換熱器銅管回路的連接部件，是翅片式換熱器的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)回路的牢靠連接，起到密封作用。

1? ? 通用裝配方法及問(wèn)題

目前，行業(yè)內(nèi)翅片式換熱器中短U管主要是通過(guò)人工進(jìn)行裝配，自動(dòng)化水平較低，短U管安裝質(zhì)量一致性差，且生產(chǎn)效率低。作業(yè)過(guò)程中，人工拿取短U管，如圖1所示;再根據(jù)系統(tǒng)回路的設(shè)計(jì)要求，插入長(zhǎng)U管的管口中，達(dá)到設(shè)計(jì)回路要求，如圖2所示。此作業(yè)過(guò)程因圖紙數(shù)量達(dá)到幾百種，對(duì)圖紙熟悉程度差異性、人工技能熟練程度差異性、效率差異性可達(dá)到300%。

行業(yè)內(nèi)普遍無(wú)法使用自動(dòng)化裝備實(shí)現(xiàn)此功能，其主要原因包括：

（1）工件精度高：短U管中心距尺寸公差為±0.2 mm，短U管口外徑尺寸公差為±0.05 mm，短U管插入深度公差為

±1 mm。

（2）短U管缺陷：短U管在加工過(guò)程中存在管口毛刺、不圓、碰扁等質(zhì)量缺陷。

（3）基管缺陷：在加工過(guò)程中傳熱管存在皺紋、裂紋、切口和偏斜等缺陷，難以保證一致性[2]。

（4）定位精度：換熱器翅片相對(duì)較軟，不同工件存在一致性差異，無(wú)法實(shí)現(xiàn)換熱器及銅管的精準(zhǔn)定位。

因此，換熱器的短U管采用人工裝配，人工控制安裝位置、深度、插入角度，存在大量重復(fù)性動(dòng)作，易疲勞，易產(chǎn)生質(zhì)量波動(dòng)。

2? ? 自動(dòng)裝配方法及裝置

鑒于上述問(wèn)題，需要一種用于短U管自動(dòng)安裝的方法及裝置，提升效率，保證質(zhì)量一致性，滿足大批量生產(chǎn)需求。筆者提供了一種用于短U管自動(dòng)安裝的裝置，可實(shí)現(xiàn)換熱器短U管的自動(dòng)夾取及安裝。該裝置主要由工件輸送定位系統(tǒng)、短U管上料系統(tǒng)、短U管分料系統(tǒng)、機(jī)器人安裝系統(tǒng)、短U管夾取及插入系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)組成。

2.1? ? 整體系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)利用機(jī)器人系統(tǒng)帶動(dòng)夾取及插入裝置，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)分析來(lái)料工件的管口偏差及位置偏差并補(bǔ)償給機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)短U管準(zhǔn)確安裝。整體流程為：換熱器本體通過(guò)固定工裝夾緊在自動(dòng)輸送線上輸送;依次輸送至短U管安裝工位，氣動(dòng)式阻擋器進(jìn)行定位;工件定位系統(tǒng)對(duì)換熱器進(jìn)行機(jī)械式固定;機(jī)器人帶動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)工件管口進(jìn)行拍照;視覺(jué)系統(tǒng)分析管口位置偏差，將實(shí)際坐標(biāo)偏差反饋給機(jī)器人進(jìn)行補(bǔ)償;機(jī)器人帶動(dòng)短U管夾取及插入裝置夾取短U管，通過(guò)機(jī)器人安裝短U管;完成本循環(huán)內(nèi)安裝，機(jī)器人返回原點(diǎn)位置。工件定位系統(tǒng)松開(kāi)工件，進(jìn)入下一循環(huán);同時(shí)，輔助短U管分料系統(tǒng)對(duì)零散短U管進(jìn)行自動(dòng)分離及擺放。

2.2? ? 各系統(tǒng)細(xì)化構(gòu)成

本系統(tǒng)中工件輸送定位系統(tǒng)主要由自動(dòng)輸送線、工裝板、氣動(dòng)式阻擋器、工件定位裝置組成。換熱器安裝在工裝板上，在Y方向起到固定作用。工裝板在自動(dòng)輸送線上沿X方向輸送，輸送線采用積放式滾筒，輸送線主程序與短U管自動(dòng)安裝裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，當(dāng)?shù)谝患ぜ斔椭磷钃跗魑恢脮r(shí)，阻擋器啟動(dòng)，工件輸送完成后，輸送線停止，實(shí)現(xiàn)工件X方向定位。工件定位裝置采用鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，整體強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性滿足使用要求。工件到位后，信息管理系統(tǒng)中的工位RFID讀卡器讀取工裝板內(nèi)置RFID中產(chǎn)品工藝信息，根據(jù)不同工件的高度，采用伺服電機(jī)控制，自動(dòng)進(jìn)行上下升降調(diào)節(jié)，通過(guò)上下部夾緊氣缸對(duì)工件進(jìn)行固定，實(shí)現(xiàn)X/Z方向高精度定位。

本系統(tǒng)中機(jī)器人系統(tǒng)包括1臺(tái)6軸機(jī)器人、夾取及插入裝置、控制系統(tǒng)，機(jī)器人負(fù)載為90 kg，機(jī)器人最大回轉(zhuǎn)半徑2 700 mm，重復(fù)安裝精度±0.07 mm，滿足短U管中心距尺寸公差為±0.2 mm的要求及工件臂展覆蓋要求。為滿足短U管形狀要求，夾取及插入裝置為非標(biāo)設(shè)計(jì)夾具，包括固定底座、短U管夾爪移動(dòng)氣缸、氣爪底座板、夾取氣爪、銅管管口擴(kuò)口頭等。由機(jī)器人驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)短U管的抓取和插入動(dòng)作。

本系統(tǒng)中視覺(jué)系統(tǒng)包括1套視覺(jué)系統(tǒng)軟件、1套工業(yè)相機(jī)、1套LED照明光源及1套通信系統(tǒng)。視覺(jué)系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)圖像進(jìn)行采集，根據(jù)需求做必要的處理，將處理結(jié)果反饋給主機(jī)或決策者，從而完成智能感知的任務(wù)[3]。工業(yè)相機(jī)固定在機(jī)器人端部，機(jī)器人帶動(dòng)工業(yè)相機(jī)對(duì)第1件工件進(jìn)行拍照。視覺(jué)系統(tǒng)將拍攝到的工件的實(shí)際管口坐標(biāo)反饋給信息系統(tǒng)，然后與示教時(shí)工件的標(biāo)定管口坐標(biāo)進(jìn)行比較，通過(guò)測(cè)量視覺(jué)校正計(jì)算后得到的位置P′和實(shí)際位置P在世界坐標(biāo)系x-y平面上的偏差，來(lái)反映視覺(jué)校正結(jié)果的精確度[4]。如圖3所示，將視覺(jué)系統(tǒng)計(jì)算偏差值補(bǔ)償給機(jī)器人系統(tǒng)。設(shè)備要求銅管內(nèi)徑7.10～7.20 mm，喇叭后外徑8.7～12.0 mm，如視覺(jué)系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)到管口內(nèi)徑尺寸偏差，將進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警或利用銅管管口擴(kuò)口頭對(duì)管口進(jìn)行擴(kuò)口。

本系統(tǒng)中分料系統(tǒng)包括振動(dòng)盤(pán)系統(tǒng)、短U管分料系統(tǒng)及短U管輸送系統(tǒng)。分料系統(tǒng)包含分料馬達(dá)、分料撥輪、送料電機(jī)、送料皮帶等，其主要功能為將零散短U管進(jìn)行分料、規(guī)整、排序及定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)夾取。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了短U管自動(dòng)裝配的一種方法及裝置，其主要用于解決員工重復(fù)性作業(yè)問(wèn)題。該裝置能提高效率，同時(shí)保證短U管安裝質(zhì)量的一致性。

該裝置通過(guò)使用上位機(jī)將整套系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通，信息系統(tǒng)傳輸工藝裝備工藝數(shù)據(jù)、參數(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列號(hào)調(diào)取、寫(xiě)入功能，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)驅(qū)動(dòng)工藝裝備的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整及反饋。采用視覺(jué)系統(tǒng)及機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行高精度定位及安裝，相比傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置具有更高的精度、一致性及穩(wěn)定性。

[參考文獻(xiàn)]

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[3] 桂衛(wèi)華，陽(yáng)春華，徐德剛，等.基于機(jī)器視覺(jué)的礦物浮選過(guò)程監(jiān)控技術(shù)研究進(jìn)展[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013，39（11）：1879-1888.

[4] 吳廣雨，張偉軍，楊保佳.機(jī)器人視覺(jué)裝配中的精確定位策略研究[J].機(jī)械與電子，2020，38（3）：75-80.

收稿日期：2020-06-23

作者簡(jiǎn)介：何冬明（1982—），男，陜西人，工程師，研究方向：自動(dòng)化裝備工藝及制造方法。