某清洗生產(chǎn)線后端設(shè)計(jì)分析

向 鵬，王康寧，胡耀文，柳 帥，謝欣霖

(1.成都供電公司變電運(yùn)維工區(qū)，四川 成都 610081；2.重慶電力高等?？茖W(xué)校， 重慶 400053；3.貴州習(xí)水鼎泰能源開發(fā)有限公司，貴州 遵義 564611)

重慶是全國最大的摩、汽配集散地，在摩、汽裝配生產(chǎn)之前，不僅需要對大量圓管配件提前進(jìn)行吹掃管件表面的灰塵、金屬屑等，而且需要對經(jīng)過吹掃后的工件進(jìn)行有序排列，但目前絕大部分生產(chǎn)廠家的清洗工藝均處于原始作坊階段，其干燥、吹掃、收納生產(chǎn)線的工藝存在以下不足：1)依賴人工單件生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低下，用人成本高；2)工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，也不適應(yīng)清洗車間的大規(guī)模生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離輸送；3)對于已建成清洗車間，不同尺寸工件的適應(yīng)范圍窄。

為了適應(yīng)清洗車間的需求，提高清洗后續(xù)干燥、吹掃、收納生產(chǎn)工序的靈活性與適應(yīng)性，解決生產(chǎn)成本及人工勞動(dòng)強(qiáng)度存在的問題[1]，本文中對重慶某減震器制造有限公司的清洗生產(chǎn)車間的后續(xù)干燥、吹掃、收納生產(chǎn)工序進(jìn)行了改造：將自然干燥、人工除渣、人工收納這些生產(chǎn)工序改由自給料式機(jī)器人來完成，其具有自動(dòng)干燥、吹掃、收納功能，取得了一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 工藝描述

1)給料機(jī)器人將工件依次鋪排于吹掃擺動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)的每節(jié)鏈排上[2]。

2)吹掃擺動(dòng)機(jī)構(gòu)每接受1個(gè)工件，鏈傳動(dòng)便前進(jìn)1個(gè)節(jié)位，直至工件布滿為止。

3)當(dāng)工件布滿后，吹掃擺動(dòng)機(jī)構(gòu)中的四桿調(diào)距機(jī)構(gòu)在正、反向絲桿螺母機(jī)構(gòu)的作用下，對被吹掃工件實(shí)施夾緊動(dòng)作[3]。

4)四桿調(diào)距機(jī)構(gòu)夾持工件的夾持部位，表面布有若干孔徑為φ1 mm的噴嘴。當(dāng)吹掃通管時(shí)，高壓空氣開通單邊氣閥吹掃；當(dāng)吹掃盲管時(shí)，高壓空氣開通雙邊氣閥吹掃。

5)對工件吹掃、擺動(dòng)的時(shí)間節(jié)拍：吹掃3～5 min/次、往復(fù)5°擺動(dòng)倒渣3～5/次。

6)吹掃除渣結(jié)束后，收納機(jī)構(gòu)中的工件收納接料板，對接吹掃擺動(dòng)機(jī)構(gòu)出料端，工件通過多掌收納機(jī)械手，將工件自動(dòng)收納于接料盤中，用于下道工序。

1.2 機(jī)器人設(shè)備概述

1)干燥、吹掃、收納段共設(shè)置3臺(tái)自給料式機(jī)器人(給料機(jī)器人平面裝配如圖1所示[4]，給料機(jī)器人數(shù)字效果圖如圖2所示[5])、3臺(tái)吹掃擺動(dòng)裝置、1個(gè)壓縮空氣站、3臺(tái)工件收納裝置。

注：1-支架組件、2-外殼組件、3-內(nèi)六角螺釘M6×12、4-給料槽組件、5-頂料翻板組件、6-滑軌鉸支組件、7-頂料滑軌、8-滑軌鉸支組件、9-鉸支支撐、10-翻板滑塊組件、11-翻板連桿組件、12-凸輪機(jī)構(gòu)支撐、13-搖桿鉸支支撐、14-搖桿、15-滑塊組件、16-凸輪、17-凸輪機(jī)構(gòu)支撐架、18-連桿、19-取料滑軌、20-取料V形塊組件、21-取料限位擋組件、22-鉸支支撐、23-取料滑塊組件、24-鉸支支撐、25-行走絲桿螺母套、26-螺母套支撐、27-行走滑塊組件、28-行走滑軌、29-行走絲桿、30-手爪、31-手爪連桿、32-手爪搖桿、33-手爪曲柄(不完整齒輪)、34-機(jī)械手后架板、35-手臂升降絲桿螺母套組件、36-手臂升降絲桿、37-升降絲桿上鉸支組件、38-頂箱組件、39-頂箱聯(lián)架組件、40-頂箱箱蓋、41-升降滑軌鉸支、42-升降滑軌、43-后臂外殼、44-升降滑塊組件、45-手臂一次伸縮線性軌道組件、45-1-滑塊固定架、45-2-六角螺母M6、45-3-內(nèi)六角螺釘M6、45-4-鋼珠φ6、45-5-滑塊、45-6-內(nèi)六角螺釘M6、45-7-滑塊、45-8-圓柱頭螺釘M2、45-9-鋼珠限位板、46-前臂外殼、47-手臂二次伸縮滑塊連接筋、48-抓握限位塊、49-行走電機(jī)、50-電機(jī)定位架、51-聯(lián)軸器組件、52-行走絲桿鉸支組件、53-行走滑軌鉸支組件、54-鉸支支撐、55-行走機(jī)構(gòu)支撐、56-第一段伸縮電機(jī)、57-聯(lián)軸器組件、58-第一段伸縮絲桿、59-第一段伸縮絲桿螺母套組件、60-第一段伸縮絲桿鉸支組件、61-手爪水平伸縮滑軌、62-手爪水平伸縮絲桿、63-手爪抓握電機(jī)、64-手爪水平行走電機(jī)、65-翻板定位螺栓M10組件、66-螺母套支撐、67-絲桿螺母套、68-滑軌停止位片、69-內(nèi)六角螺釘M6、70-聯(lián)軸器組件、71-內(nèi)六角螺釘M6、72-滑軌鉸支、73-軸承壓蓋、74-滾動(dòng)球軸承6200、75-軸用卡圈、76-機(jī)械手前架板、77-軸套、78-內(nèi)六角螺釘M6、79-墊圈、80-小軸、81-小軸、82-軸套、83-聯(lián)軸器組件、84-滑塊組件、85-壓板、86-軸承座、87-齒輪軸1、88-軸用卡圈φ10、89-墊圈、90-齒輪軸2、91-墊圈、92-凸輪機(jī)構(gòu)電機(jī)、93-凸輪機(jī)構(gòu)鉸支組件、94-聯(lián)軸器組件、95-凸輪機(jī)構(gòu)鉸支軸組件、96-凸輪機(jī)構(gòu)電機(jī)定位架、97-機(jī)器人主干往復(fù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)、98-機(jī)器人手臂升降電機(jī)、99-旋轉(zhuǎn)電機(jī)定位架組件、100-主干旋轉(zhuǎn)軸、101-聯(lián)軸器組件、102-主干臺(tái)面、103-臺(tái)面裙邊、104-升降電機(jī)固定架、105-主干底面、106-底面裙邊組件、107-內(nèi)六角螺釘、108-滾柱限位板、109-內(nèi)六角螺釘M6、110-軸承內(nèi)圈、111-軸承壓蓋、112-內(nèi)六角螺釘M6、113-內(nèi)六角螺釘M6、114-調(diào)整墊圈、115-軸承座、116-圓錐滾子軸承30203、117-聯(lián)軸器組件、118-組合軸承支撐、119-鋼珠、120-滾柱、121-軸承外圈、122-鉸支組件、123-鉸支軸、124-軸套、125-鉸支組件、126-軸套、127-簡易鉸支、128-搖桿上鉸支組件、129-鉸支軸、130-簡易鉸支、131-滾輪支撐、132-墊圈、133-靠輪支撐、134-內(nèi)六角螺釘M6、135-輪軸、136-滾輪、137-靠輪定位架組件、138-內(nèi)六角螺母M6、139-靠輪組件、140-內(nèi)六角螺釘M4、141-靠輪軸、142-圓錐滾子軸承30205、143-調(diào)整墊圈、144-內(nèi)六角螺釘M6、145-軸承壓蓋、146-鎖緊螺母、147-內(nèi)六角螺釘M10、148-翻板鉸支套、149-外軸套、150-翻板鉸支座、151-內(nèi)六角螺釘M6、152-內(nèi)六角螺釘M6、153-內(nèi)軸套、154-內(nèi)六角螺釘M6、155-軸承壓蓋、156-軸用彈簧卡圈、157-調(diào)整墊圈、158-向心球軸承6202、159-軸承座、160-平鍵、161-調(diào)整墊圈、162-聯(lián)軸器組件、163-凸輪軸、164-向心球軸承626、165-短軸、166-六角螺母M6、167-滑塊、靠輪定位架、168-內(nèi)六角螺釘M6、169-雙向凹面螺紋軸、170-鋼珠、171-壓蓋。

圖2 給料機(jī)器人數(shù)字效果圖

2)每臺(tái)機(jī)器人根據(jù)工件的取件位置，可完成沿X、Y、Z軸的線性運(yùn)動(dòng)與Z軸的旋轉(zhuǎn)行動(dòng)。

3)機(jī)器人在鋪排工件時(shí)，機(jī)械手鋪排工件的動(dòng)作節(jié)拍與吹掃擺動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)的線速度同步。

4)當(dāng)機(jī)器人鋪排工件完成后，機(jī)器人手臂退回待工區(qū)域、掃擺動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)部分停止輸送。

5)吹掃擺動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)工件的規(guī)格，自動(dòng)運(yùn)行四桿調(diào)距機(jī)構(gòu)夾持工件。

6)自動(dòng)打開壓縮空氣氣閥，對工件進(jìn)行吹掃，同時(shí)對工件進(jìn)行同步擺動(dòng)倒渣動(dòng)作。

2 主要設(shè)備及工作原理

2.1 機(jī)器人給、取料機(jī)構(gòu)及工作原理

設(shè)計(jì)機(jī)器人給、取料機(jī)構(gòu)數(shù)字效果圖如圖3所示。機(jī)器人給、取料機(jī)構(gòu)工作原理如圖4、圖5所示。

圖3 機(jī)器人給、取料機(jī)構(gòu)數(shù)字效果圖

注：6-滑軌鉸支組件、7-頂料滑軌、8-滑軌鉸支組件、9-鉸支支撐、10-翻板滑塊組件、11-翻板連桿組件、12-凸輪機(jī)構(gòu)支撐、13-搖桿鉸支支撐、14-搖桿、15-滑塊組件、16-凸輪、17-凸輪機(jī)構(gòu)支撐架、18-連桿、19-取料滑軌、20-取料V形塊組件、21-取料限位擋組件、22-鉸支支撐、23-取料滑塊組件、24-鉸支支撐、25-行走絲桿螺母套、26-螺母套支撐、27-行走滑塊組件、28-行走滑軌。

注：6-滑塊鉸支組件、7-頂料滑塊、8-滑塊鉸支組件、10-頂料滑塊、11-翻板連桿組件、14-搖桿、15-滑塊組件、16-凸輪、18-連桿、19-取料滑軌、23-取料滑塊組件、93-搖桿鉸支組件、154～159-凸輪鉸支組件、167-滑塊、靠輪定位架。

在圖4中，凸輪(件16)通過滑塊、靠輪定位機(jī)架(件167)與滑塊組件(件15)帶動(dòng)搖桿(件14)沿?fù)u桿鉸支組件(件93)做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)[6]；搖桿(件14)通過連桿(件18)帶動(dòng)取料滑塊組件(件23)在去料滑軌(件19)導(dǎo)向下做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；翻板連桿組件(件11)在取料滑組件(件23)的作用下，帶動(dòng)頂料滑塊(件10)在頂料滑軌(件7)上做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)頂料滑軌(件7)繞著滑塊鉸支組件(件6)做往復(fù)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)頂料滑軌(件7)的頂料功能，完成取料滑塊組件(件23)的取料動(dòng)作。

圖6 機(jī)器人手爪機(jī)構(gòu)原理效果圖

2.2 機(jī)器人手爪及工作原理

機(jī)器人手爪機(jī)構(gòu)原理效果圖如圖6所示，機(jī)器人手爪機(jī)構(gòu)原理平面圖如圖7所示。在圖7中，手爪由兩個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成[7-8]，其中曲柄由兩個(gè)局部齒輪組成，當(dāng)兩個(gè)嚙合合在一起的手爪曲柄(件33)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過手爪搖桿(件32)及手爪連桿(件31)帶動(dòng)手爪(件30)實(shí)現(xiàn)手爪開合功能。

注：30—手爪、31—手爪連桿、32—手爪搖桿、33—手爪曲柄、34—機(jī)械手后架板、47—手臂二次伸縮滑塊連接筋、48—抓握運(yùn)動(dòng)限位塊。

2.3 機(jī)器人手臂工作原理

機(jī)器人手臂工作原理結(jié)構(gòu)平面圖如圖8所示。機(jī)器人手臂工作原理數(shù)字樣機(jī)效果圖如圖9所示。

注：43—后臂外殼、45—手臂一次伸縮線性軌道組件、46—前臂外殼、56—第一段伸縮電機(jī)、57—聯(lián)軸器組件、58—第一段伸縮絲桿、59—第一段伸縮絲桿螺母套組件、60—第一段伸縮絲桿鉸支組件、61—手爪水平伸縮滑軌、62—手爪水平伸縮絲桿、63—手爪抓握電機(jī)、64—手爪水平行走電機(jī)。

圖9 機(jī)器人手臂效果圖

手爪抓握工件的動(dòng)力由手爪抓握電機(jī)(件63)提供；手爪在手爪水平伸縮滑軌(件61)導(dǎo)向的作用下，沿著Y軸方向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力由手爪水平行走電機(jī)(件64)提供；前臂(件46)在手臂一次伸縮線性軌道組件(件45)的作用下，沿著Y軸方向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力由第一段伸縮電機(jī)(件56)提供。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

為了滿足工廠清洗生產(chǎn)線的后續(xù)干燥、吹掃、收納工藝，截至目前，在改造方案中的清洗段設(shè)置有2條自動(dòng)清洗生產(chǎn)線。8臺(tái)清洗裝置的清洗溫度為40～60 ℃、清洗時(shí)間為10 min；2臺(tái)清洗裝置的清洗溫度為60～80 ℃、清洗時(shí)間為20 min；干燥段設(shè)置有容積為50 m3、烘烤溫度為80～100 ℃的3座烘房；3臺(tái)200 000 Kcal/h燃?xì)鉄犸L(fēng)鍋爐，可滿足每小時(shí)干燥、吹掃、收納工件質(zhì)量為4 320 kg的生產(chǎn)量。以上設(shè)備運(yùn)行1天(清洗裝置每天運(yùn)行8 h、熱風(fēng)鍋爐明天運(yùn)行1 h)所需要的總熱量為777 480～924 870 Kcal/d，將這部分熱量折算成電能為904～1 075 kW·h/d，天然氣為92～109 m3/d；根據(jù)璧山現(xiàn)行的電價(jià)(0.744元/kW·h)與天然氣價(jià)(2.32元/m3)分別得到不同生產(chǎn)方式的運(yùn)行成本：

1)原始生產(chǎn)方式采用人工鋪排工件，在滿足產(chǎn)能需求的情況下，最少需要5個(gè)人工，支付人工成本為1 500元/天；

2)采用自動(dòng)給、取料機(jī)器人滿足目前產(chǎn)能的情況下，完成干燥、吹掃、收納工作需要支付電力運(yùn)行成本：672.58～799.8元/天。

由計(jì)算可知，采用自動(dòng)給、取料機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工，運(yùn)行成本可以節(jié)約46.68%～55.16%，因此，將傳統(tǒng)人工鋪排工件改為自動(dòng)給、取料機(jī)器人作為該清洗生產(chǎn)線的自動(dòng)鋪排工藝具有極大的運(yùn)行成本優(yōu)勢。

4 結(jié)論

改造后的設(shè)備運(yùn)行多月， 生產(chǎn)流水線更順暢，設(shè)備布局更加合理，適應(yīng)工件能力更強(qiáng)，運(yùn)行成本得到明顯降低，自動(dòng)化生產(chǎn)能力更強(qiáng)，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在工業(yè)生產(chǎn)中具有一定的推廣價(jià)值。