六自由度機(jī)械手在發(fā)動(dòng)機(jī)總裝中的應(yīng)用

劉 迪，王 瑋，魯華麗，劉湘鵬，李 欽

（湖北三江航天江河化工科技有限公司，湖北宜昌 444200）

0 引言

近年來，湖北三江航天江河化工科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“公司”）的裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)急劇增加，配套發(fā)動(dòng)機(jī)配方調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)需求量也隨之上升。標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是每個(gè)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)正式裝藥前用于配方調(diào)試的試驗(yàn)裝備，通用型號(hào)主要是直徑112 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“112 發(fā)動(dòng)機(jī)”）。112 發(fā)動(dòng)機(jī)在總裝時(shí)已經(jīng)裝好了配方藥，這一狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)是易燃、易爆的有毒危險(xiǎn)化學(xué)品，采用人工方式大批量重復(fù)裝配容易疲勞、出現(xiàn)操作失誤，給生產(chǎn)工作帶來安全隱患。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)裝配效率，減少人為操作疲勞而引起的安全問題，公司引進(jìn)六自由度機(jī)械手裝配平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)112 發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配自動(dòng)化。

1 六自由度機(jī)械手及其在112 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中的應(yīng)用

1.1 六自由度機(jī)械手組成及工作要求

六自由度機(jī)械手由一系列關(guān)節(jié)和連桿組成，這些關(guān)節(jié)可以完成滑動(dòng)（線性）或旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)動(dòng)）運(yùn)動(dòng)，連桿連接這些關(guān)節(jié)組成連續(xù)可靠的機(jī)構(gòu)。

在工業(yè)應(yīng)用中，六自由度機(jī)械手一般有底盤（腰）、大臂、中臂、小臂、手腕旋轉(zhuǎn)，手腕的俯和仰六個(gè)自由度，在手腕頂部則通過手爪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)于負(fù)載目標(biāo)的抓?。▓D1）。六自由度機(jī)械手作為模擬工業(yè)機(jī)械手動(dòng)作的原型機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)裝配或拆卸過程中對(duì)零部件的抓取與放置，這里不要求具有較重的負(fù)載能力，但對(duì)抓取動(dòng)作精度有較高要求。為提高機(jī)械手抓取動(dòng)作的定位精度，在手腕上設(shè)置有工業(yè)防爆相機(jī)配合光電檢測(cè)定位視覺系統(tǒng)，可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行識(shí)別并對(duì)其放置方位進(jìn)行確認(rèn)。機(jī)械手的手爪采用平行氣爪機(jī)構(gòu)，夾持部分為兩個(gè)V 形銅質(zhì)塊，氣爪機(jī)構(gòu)帶有鎖緊功能，防止意外斷電斷氣導(dǎo)致抓取零件掉落產(chǎn)生危險(xiǎn)。

圖1 六自由度機(jī)械手實(shí)物

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配環(huán)境的要求，六自由度機(jī)械手需要：滿足Ⅱ類危險(xiǎn)場(chǎng)所（防爆等級(jí)為Exd ⅡBT4，防護(hù)等級(jí)為IP55）防爆要求，在IIB 類危險(xiǎn)場(chǎng)合下，對(duì)于發(fā)熱設(shè)備采用隔爆型“d”防爆形式，將可能產(chǎn)生火花、電弧和危險(xiǎn)溫度的電氣零部件均放入隔爆外殼內(nèi)；設(shè)備溫度組別符合T4 要求，135 ℃＜T≤200 ℃；電氣元件及傳感器選用IP55 以上防護(hù)等級(jí)。

1.2 六自由度機(jī)械手裝配平臺(tái)搭建

1.2.1 人工裝配過程

公司112 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際人工裝配過程：人工操作主要是放置墊圈，將噴管和過渡法蘭裝配，再將過渡法蘭與112 發(fā)動(dòng)機(jī)直筒段裝配，最后將前封蓋與112 發(fā)動(dòng)機(jī)直筒段連接，把點(diǎn)火藥包放入燃燒室前端，從噴管引出點(diǎn)火線，最終與前端推力座及尾部噴管螺母蓋裝配到一起，完成112 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程。

1.2.2 搭建六自由度機(jī)械手自動(dòng)裝配平臺(tái)

為完成112 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程，搭建了六自由度機(jī)械手自動(dòng)裝配平臺(tái)，其中主要有：①六自由度機(jī)械手主要在裝配過程中完成上下料抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)、放置工作；②擰緊工位機(jī)主要負(fù)責(zé)螺紋擰緊工作，與它配合工作的是配有兩個(gè)可水平移動(dòng)自動(dòng)卡盤的工作臺(tái)，一個(gè)為待裝配自動(dòng)卡盤，另一個(gè)為裝配自動(dòng)卡盤，兩個(gè)卡盤可根據(jù)產(chǎn)品尺寸調(diào)節(jié)卡緊大小和力矩。在裝配自動(dòng)卡盤工作時(shí)，可對(duì)待裝配自動(dòng)卡盤進(jìn)行零件上料，這樣可減少六自由度機(jī)械手的等待時(shí)間，提高效率。同時(shí)擰緊工位機(jī)上還配有扭矩檢測(cè)記錄傳感器，可實(shí)現(xiàn)定力矩自動(dòng)擰緊并檢測(cè)實(shí)際擰緊扭矩，記錄存檔；③物料臺(tái)主要是在固定坐標(biāo)位置存放各零件，按零件尺寸和形狀做好分區(qū)和設(shè)置適應(yīng)的工位卡具；④控制平臺(tái)負(fù)責(zé)六自由度機(jī)械手、擰緊工位機(jī)和自動(dòng)卡盤工作臺(tái)的協(xié)調(diào)控制，并且配有人工操作功能部件，預(yù)留擴(kuò)展編程接口以方便后期調(diào)試擴(kuò)展功能；⑤此外還有零件暫存車、成品存放車（圖2）。

圖2 六自由度機(jī)械手自動(dòng)裝配平臺(tái)

整個(gè)控制平臺(tái)配套的電氣元件及傳感器也采用防爆標(biāo)準(zhǔn)，防爆等級(jí)達(dá)到ExdⅡBT4，獨(dú)立操作單元也具有意外急停、斷電保護(hù)等特殊情況處置措施。

為滿足設(shè)備生產(chǎn)安全運(yùn)行的要求，本平臺(tái)配備了防爆遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行視頻監(jiān)視，同時(shí)可對(duì)監(jiān)視畫面進(jìn)行保存，保存時(shí)間不少于90 d。

1.2.3 自動(dòng)裝配工藝過程

在物料臺(tái)上準(zhǔn)備好要裝配的零部件，各零部件有區(qū)域劃分和固定工位。六自由度機(jī)械手根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)和工業(yè)相機(jī)光電檢測(cè)定位系統(tǒng)，精確定位目標(biāo)零件，根據(jù)規(guī)劃路線實(shí)現(xiàn)抓取轉(zhuǎn)運(yùn)，放置到擰緊工位機(jī)的待裝配自動(dòng)卡盤，擰緊工位機(jī)自動(dòng)卡盤卡緊同時(shí)進(jìn)行擰緊工序，檢測(cè)擰緊扭矩。在擰緊工位機(jī)完成裝配后，六自由度機(jī)械手下料，將發(fā)動(dòng)機(jī)成品放置存放車，這樣就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)上料、檢測(cè)裝配、人機(jī)隔離以及人員遠(yuǎn)距離操控。

2 六自由度機(jī)械手在裝配中的應(yīng)用對(duì)比

通過六自由度機(jī)械手在112 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中的應(yīng)用，初步實(shí)現(xiàn)了小尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的自動(dòng)化，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率。該平臺(tái)在車間一個(gè)月的使用情況見表1。

由表1 可以得出，在減少1/2 人員數(shù)量的同時(shí)裝配量提升一倍，人員的工作強(qiáng)度較大減小，改善了工作環(huán)境，同時(shí)避免了裝配過程中與發(fā)動(dòng)機(jī)的直接接觸，降低了人員安全風(fēng)險(xiǎn)，在配備一套六自由度機(jī)械手自動(dòng)裝配平臺(tái)的情況下滿足了目前生產(chǎn)的要求。后期可以根據(jù)使用頻率、生產(chǎn)任務(wù)量適當(dāng)調(diào)整，以達(dá)到更高效率。

表1 實(shí)施前后生產(chǎn)情況對(duì)比

3 結(jié)論與展望

隨著科研生產(chǎn)任務(wù)的與日俱增，公司裝藥量大幅增加，同時(shí)配套的112 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配任務(wù)制約著生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)施，公司在解決瓶頸改善員工工作環(huán)境的過程中，初步嘗試了自動(dòng)化裝配方案，在整個(gè)方案實(shí)施的過程中，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，并且在國內(nèi)同行業(yè)中首次使用。這次六自由度機(jī)械手平臺(tái)的使用，不僅解決了112 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配瓶頸，而且減少了員工工作強(qiáng)度，避免了人員操作疲勞而產(chǎn)生安全隱患，從安全生產(chǎn)本質(zhì)上提高了112 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的安全性，為公司設(shè)備自動(dòng)化升級(jí)改造提供參考。