空調(diào)連桿自動涂油機器人設(shè)計

朱金達, 劉慶磊，鄧 飛，牛虎利，高思齊，劉兆奐

(河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

空調(diào)連桿是空調(diào)必不可缺的部件之一，通過它來控制和調(diào)節(jié)空調(diào)的導(dǎo)風(fēng)機構(gòu)，保證空調(diào)正常運轉(zhuǎn)，涂油潤滑是保證空調(diào)連桿正常平穩(wěn)運行的關(guān)鍵。目前，現(xiàn)場的空調(diào)連桿涂油方式大多采用手工涂油，工人利用毛刷蘸涂一定量的潤滑油對空調(diào)連桿進行涂抹?？照{(diào)連桿的涂油效果受人為因素的影響較大，由于空調(diào)連桿包含鋸齒狀部分，人工對鋸齒狀部分進行涂油時，手工涂油無法保證涂油的精度與準(zhǔn)確度，存在漏涂、多涂、涂抹不均等情況?？照{(diào)連桿涂油軌跡如圖1所示，圖中粗線部分是需要涂油的部位。此外，空調(diào)連桿雙面均需要進行涂油處理，一面涂油完畢后需要進行翻面處理，翻面過程中經(jīng)常會對已涂油部分進行粘抹，造成一定的污染。另外，手工涂油作業(yè)工作量大、涂油速度慢、涂油效率低下。為此，設(shè)計開發(fā)了一種具有自動涂油功能的空調(diào)連桿涂油機器人。

圖1 空調(diào)連桿涂油軌跡Fig.1 Oiling track of air conditioner connecting rod

關(guān)于相關(guān)涂油設(shè)備的設(shè)計，程顯吉[1]針對枕軌螺栓涂油手工操作難度大等問題，設(shè)計牙嵌式?jīng)_擊裝置，實現(xiàn)枕軌螺栓的自動涂油和擰緊。王淑坤等[2]設(shè)計了沖壓模具半自動涂油機，通過涂油傳送裝置實現(xiàn)料片的定位、上下面涂油、輸送、托起等，提高了生產(chǎn)效率。王琪等[3]依據(jù)涂油鹵化工作原理和回收過濾工作原理，設(shè)計了全氣動控制且?guī)в谢厥展δ艿淖詣油坑脱b置，用于發(fā)動機裝配線的涂油工作。在此基礎(chǔ)上，本文借鑒現(xiàn)有類似工業(yè)設(shè)備[4-8]的本體結(jié)構(gòu)和位姿運動，不僅參考可吸式涂油頭與油料過濾回收設(shè)備，還參考了龍門式結(jié)構(gòu)。因龍門式框架結(jié)構(gòu)具有制作簡單、負載大與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點，所以采用直角坐標(biāo)龍門框架形式設(shè)計了空調(diào)連桿自動涂油機器人，實現(xiàn)空調(diào)連桿的精準(zhǔn)與快速涂油。

1 總體設(shè)計方案

1.1 設(shè)計要求

能夠連續(xù)地完成工件不同形狀、不同部位的涂油工作，并實現(xiàn)空間軌跡的精準(zhǔn)控制；涂油均勻、準(zhǔn)確，行走速度快，能夠高效、靈活地作業(yè)；自動涂油機應(yīng)操作簡單、移動方便、穩(wěn)定性好；減少人工參與，減輕其勞動強度。具體參數(shù)要求如表1所示。

表1 涂油機設(shè)計技術(shù)參數(shù)Tab.1 Design technical parameters of oiler

1.2 設(shè)計思路

本文采用模具盒設(shè)計，模具盒既能作為工件的定位，提高涂油的精度，又具有容量大的特點，避免工人頻繁更換工件所浪費的時間。涂油機器人采用X-Y-Z直角坐標(biāo)形式，Z軸為涂油軸，X-Y為涂油工作平面，采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、負載大的龍門式結(jié)構(gòu)。控制系統(tǒng)選用性價比較高的西門子S7-200 SMART作為自動涂油機集成控制系統(tǒng)，搭配傳感器及其他輔助模塊完成涂油機的控制。

1.3 工藝路線

工人首先將工件進行上料，上料完成后，將裝滿空調(diào)連桿的模具盒安裝到涂油機固定位置；啟動涂油機器人，涂油機器人對模具盒上空調(diào)連桿的一面進行涂油工作；完成一面工作后，涂油機器人涂油頭自動回到初始位置，并提示涂油工作完成；工人將模具盒翻轉(zhuǎn)，涂油機器人開始對空調(diào)連桿的另一側(cè)進行涂油；背面完成涂油后，工人取下工件，工件進入后續(xù)工藝。具體涂油流程工藝路線如圖2所示。

圖2 自動涂油流程工藝Fig.2 Automatic oiling process

2 自動涂油機器人機械系統(tǒng)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

用UG對空調(diào)連桿自動涂油機器人進行三維建模，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，由涂油Z軸、涂油Y軸、涂油X軸、龍門支撐結(jié)構(gòu)、吸塑模具盒和集成控制系統(tǒng)等組成[9]。涂油軸主要包括直線導(dǎo)軌、電機、限位傳感器、滑塊、工作平臺等零件。Z軸為涂油軸，可以上下移動；Y軸為Z軸安裝軸，帶動Z軸實現(xiàn)Y方向移動；X軸為工作平臺安裝軸，工作平臺安裝在滑塊上，由同步帶帶動在X方向移動。根據(jù)設(shè)計工作臺尺寸要求設(shè)計空調(diào)連桿模具盒，模具盒可以一次容納8個工件。為了減輕自動涂油機器人的質(zhì)量，機身采用質(zhì)量較輕的鋁合金材質(zhì)?？刂葡到y(tǒng)由PLC、觸摸屏、低壓電器等構(gòu)成[2]。設(shè)備工作原理：先將8個空調(diào)連桿放入模具盒中，把模具盒放在X軸工作平臺固定安裝位置，隨后Z軸下降至模具盒初始位置，根據(jù)設(shè)計好的涂油路線，PLC控制Y軸帶著Z軸在Y方向上移動[10-11]，模具盒在工作平臺上由同步帶帶動工作平臺在X方向上移動，Z方向上的涂油頭根據(jù)設(shè)定好的溫度和進給量進行涂油。

圖3 空調(diào)連桿自動涂油機器人整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of automatic oiling robot of air conditioning connecting rod

2.2 運動分析

自動涂油機器人的核心技術(shù)是控制噴頭與工作臺的運動，自動涂油機器人有X-Y-Z3個方向的運動。其中主要運動是涂油頭在X-Y水平面內(nèi)運動，根據(jù)空調(diào)連桿涂油的部分設(shè)定運動曲線，由42型步進電機提供動力進行涂油作業(yè)。

2.2.1Z軸方向運動

涂油Z軸由步進電機帶動齒形同步帶直線導(dǎo)軌運動，同步帶直線導(dǎo)軌具有定位精度高、高速靜音、運行穩(wěn)定等特點。目前市場上齒形同步帶直線導(dǎo)軌的重復(fù)定位精度可達到0.04 mm。搭配42型步進電機運行，速度最高可以達到500 mm/s。但步進電機在啟動和停機的過程中存在的誤差是不可避免的，在這兩段過渡區(qū)間內(nèi)，選擇合適的控制步進電機的啟停方式和控制電路，可以有效減少涂油過程中的工藝誤差[12]。

2.2.2X-Y水平方向運動

空調(diào)連桿的涂油主要是水平面的軌跡運動。空調(diào)連桿這類小型涂油件對外形尺寸沒有過大的要求，齒形同步帶能夠很好地滿足涂油精度要求。自動涂油機的X-Y水平方向運動結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水平運動結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of horizontal motion

采用龍門式結(jié)構(gòu)[13]，X方向和Y方向沒有任何干涉，電機B轉(zhuǎn)動帶動涂油頭在X方向上移動，移動距離ΔX=ΔB。同理Y方向上，由電機A帶動工作平臺在Y方向上進行運動。移動的距離為ΔY=ΔA。通過電機A與電機B的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)涂油頭在工作平臺上X-Y方向上的運動。其中ΔA，ΔB分別表示2個電機帶動同步帶移動的距離，ΔX，ΔY分別表示噴頭在X，Y方向的移動距離。X與Y方向的位移為

(1)

同理X與Y方向速度相等，

(2)

式中：d0為步進電機的齒輪中徑；n為步進電機轉(zhuǎn)速。

自動涂油機龍門式執(zhí)行機構(gòu)，X軸、Y軸、Z軸正交式運行結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)涂油的精準(zhǔn)定位。同時空間更加簡單，效率也更高。

3 自動涂油機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

空調(diào)連桿自動涂油機器人控制系統(tǒng)由可編程控制器(PLC)、人機交互界面(HMI)、電機驅(qū)動器、傳感器等組成[14]。控制系統(tǒng)硬件如圖5所示，利用計算機編寫好程序后下載到PLC，PLC給步進驅(qū)動器脈沖信號控制步進電機轉(zhuǎn)動完成涂油動作。通過限位傳感器對各軸的位置進行保護，當(dāng)軸超出行程時，行程開關(guān)將信號傳送到PLC，PLC做出相應(yīng)反應(yīng)。PLC將步進電機行走的路徑反饋到人機交互界面上，通過人機界面上顯示涂油頭的位置及涂油工作的進度，當(dāng)超出行程系統(tǒng)時急停并自動報警。

圖5 自動涂油機控制系統(tǒng)硬件圖Fig.5 Hardware diagram of automatic oiler control system

人機交互界面使用的觸摸屏已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，觸摸屏能夠滿足自動涂油機器人控制系統(tǒng)的坐標(biāo)位置輸入與顯示功能，通過CAD等制圖軟件根據(jù)模具規(guī)劃好涂油路徑，由USB接口輸入，顯示到觸摸屏后，對輸入軌跡行程進行合理性判斷，判斷合理后電機根據(jù)軌跡進行運動，完成涂油工作。

3.1 控制系統(tǒng)硬件接線圖設(shè)計

空調(diào)連桿的涂油工藝需 3個自由度完成輪廓軌跡構(gòu)建，其中涂油頭沿Y,Z方向往復(fù)運動，工作臺執(zhí)行X方向位移。所以在解析其控制對象時，利用傳感器與步進電機對3個自由度的位移變量、運動方向、運動速度進行指令調(diào)控。為限制各自由度的位移量、位置點，空調(diào)連桿自動涂油機器人共需3組位置傳感器，同時涂油頭需要一組溫度傳感器以達到膠水最佳流動性。自動涂油機器人需要對3組步進電機進行控制。通過限位傳感器保證自動涂油機在運行的過程中不會發(fā)生碰撞等危險動作，保護設(shè)備與操作者的安全。自動涂油機器人控制系統(tǒng)硬件接線圖設(shè)計如圖6所示，對各軸進行限位開關(guān)及原點復(fù)位開關(guān)設(shè)計，在PLC輸出端采用3個位置控制模塊對3個軸電機進行控制。

圖6 控制系統(tǒng)硬件接線圖Fig.6 Hardware wiring diagram of control system

自動涂油機器人PLC選用西門子公司生產(chǎn)的S7-200 SMART作為控制系統(tǒng)核心。S7-200 SMART具有抗干擾能力強、性價比高、數(shù)據(jù)處理能力強、編程簡單、維修方便等優(yōu)點。同時能夠?qū)θS實現(xiàn)100 kHz的高速輸出，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，定位精度±0.04 mm，滿足自動涂油機器人的設(shè)計要求[14]。自動涂油機器人的位置控制采用3個EM253定位控制模塊，實現(xiàn)對三軸步進電機的控制。EM253輸出頻率能夠達到200 kHz，滿足步進電機的轉(zhuǎn)速要求。

3.2 控制方式研究和控制流程分析

自動涂油機器人通過點位控制信號實現(xiàn) 3個自由度驅(qū)動電機的脈沖信號轉(zhuǎn)換，并利用步進電機自有模式，實現(xiàn)脈沖信號生成數(shù)字模擬信號，嚴(yán)格控制了 3 組對應(yīng)電機角位移量變化[15]。自動涂油機器人控制流程如圖7所示。

圖7 控制流程Fig.7 Control flow

按下啟動按鈕后，系統(tǒng)初始化開始自檢，系統(tǒng)將會自動將三軸各運動一個行程，檢查各軸有無故障，無故障則在顯示屏顯示各軸運行正常，若有故障顯示對應(yīng)故障軸，提示人工檢修。油道檢測同理。當(dāng)各軸和油路都正常之后，輸入涂油路徑，系統(tǒng)檢測涂油路徑是否符合行程，符合行程進行涂油。若不符合行程，屏幕顯示超出行程，修改路徑。涂油過程中系統(tǒng)會自動檢測行程開關(guān)的狀態(tài)，若碰到行程開關(guān)，系統(tǒng)急停，提示故障[16]。完成涂油后，發(fā)出聲音提示結(jié)束，人工將模具盒翻轉(zhuǎn)，完成另一面涂油。

4 虛擬裝配及仿真

在UG中對空調(diào)連桿自動涂油機進行虛擬拆裝，并對空調(diào)連桿自動涂油機器人單個涂油路徑進行仿真分析。給定3個軸初速度為300 mm/s，得各軸時間與位移關(guān)系圖，其中X軸與Y軸的位移圖如圖8和圖9所示。仿真結(jié)果表明，自動涂油機器人運行穩(wěn)定，無干涉現(xiàn)象。通過仿真圖像可得，結(jié)構(gòu)緊湊合理，涂完一個空調(diào)連桿的時間為18.6 s。經(jīng)過實際車間調(diào)研得知，目前人工涂油時間需要28 s左右，自動涂油比人工涂油效率約提高了40%。

圖8 X軸方向位移圖Fig.8 X-axis displacement diagram

圖9 Y軸方向位移圖Fig.9 Y-axis displacement diagram

5 結(jié) 語

本文研發(fā)了一種為空調(diào)連桿自動涂油的直角坐標(biāo)機器人，制定了涂油工藝技術(shù)路線，設(shè)計了整機結(jié)構(gòu)與控制方案，實現(xiàn)了對空調(diào)連桿復(fù)雜路徑的涂油，解決了人工涂油存在的少涂、漏涂、質(zhì)量差、勞動強度大等實際難題。

該機器人具有以下優(yōu)點：1)空間軌跡的精準(zhǔn)控制，涂油均勻、準(zhǔn)確；2)模具盒容載大，一次可涂12個工件；3)行走速度快，高效、靈活。

該設(shè)備雖然提高了涂油的效率與質(zhì)量，卻還不能實現(xiàn)自動上料與自動翻轉(zhuǎn)的全自動化涂油，今后會將設(shè)計重點放到上、下料裝置與自動翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)空調(diào)連桿的全自動涂油上。