圓螺母及圓螺母止動墊圈全自動裝配設(shè)備的開發(fā)與研制

鄢 飛

(博眾精工科技股份有限公司，蘇州 215200)

0 引 言

新能源汽車具有無污染、低噪聲、行駛成本低及節(jié)約能源等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，電動汽車、混合動力汽車、氫能源汽車等新能源汽車代表逐步進(jìn)入普通家庭。新能源汽車作為今后汽車發(fā)展的主要方向，需求量不可估量，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)也得到了迅速的發(fā)展。永磁電機(jī)作為新能源汽車輸出原動力之一和關(guān)鍵零部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、效率高、轉(zhuǎn)速高、輸出扭矩大、尺寸和形狀靈活多樣、對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，在航天、國防、機(jī)器人、交通等各個(gè)領(lǐng)域也都有著廣泛的應(yīng)用。圓螺母及圓螺母止動墊圈是轉(zhuǎn)子組件不可缺少的部件，如圖1所示，轉(zhuǎn)子上下層鐵心/磁鋼之間的相互排斥力和轉(zhuǎn)子鐵心厚度的尺寸公差都是依靠圓螺母的鎖緊力來保證的，止動墊圈是以中心軸的卡槽和圓螺母外側(cè)的4個(gè)卡槽為卡點(diǎn)，來防止圓螺母松動，10 000～15 000 r/min的轉(zhuǎn)速下，一旦出現(xiàn)螺母松動，其后果是不堪設(shè)想的。

圖1 永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子示意圖

在市場需求巨大的情況下，反觀國內(nèi)市場及各大電機(jī)制造廠家，其同類部件的裝配工藝卻依然靠人工手動裝配，用普通圓螺母扳手和沖頭來完成圓螺母的擰緊及圓螺母與止動墊圈的對槽與折彎，人工目測扭矩扳手上的扭矩值，不僅增加工人勞動強(qiáng)度，效率低，裝配壓力及螺母扭矩?zé)o法保證，相關(guān)數(shù)據(jù)依靠人工記錄，降低了出廠合格率。相關(guān)的創(chuàng)新發(fā)明也還是以圓螺母本身的防松和圓螺母本身的改進(jìn)[2-6]，以及鎖螺母扳手及工具的研發(fā)[7-11]為主導(dǎo)，相關(guān)的專用設(shè)備的研發(fā)屈指可數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的全自動化裝配及檢測，對接現(xiàn)代化工廠的需要，降低勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率和出廠合格率，本文結(jié)合客戶的現(xiàn)實(shí)迫切需求，設(shè)計(jì)了一臺全自動圓螺母及圓螺母止動墊圈裝配設(shè)備。

1 設(shè)計(jì)原理

圓螺母及圓螺母止動墊圈全自動裝配設(shè)備設(shè)計(jì)6個(gè)工作位，由環(huán)形線體移栽工裝板完成工裝及產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運(yùn)，工位分配及具體流程如圖2、圖3所示。第一工位為上料工位，由六軸機(jī)器人將“中心軸”由料車移栽至設(shè)備內(nèi)部“工裝板”后，設(shè)備對其進(jìn)行裝配到位及傾斜檢測，檢測合格后由環(huán)形線體輸送至第二工位“疊壓工位”，六軸機(jī)器人分別夾取“上端板”，“下端板”和“2～6段鐵心”至“疊壓工位”的進(jìn)出工位上料機(jī)構(gòu)上，“疊壓工位”自動獨(dú)立喂料，分別將物料疊壓至“中心軸”，并壓裝到位，區(qū)間疊壓時(shí)均有壓力檢測和高度檢測；工裝板移動至第三工位，由工位上“止動墊圈”供料器自動完成供料經(jīng)過自動分離后由工位機(jī)械手自動完成“圓螺母止動墊圈”的安裝；第四工位時(shí)，伺服壓機(jī)精壓轉(zhuǎn)子至規(guī)定壓力，“止動墊片定位機(jī)構(gòu)”進(jìn)入夾緊“圓螺母止動墊圈”的外部折彎部分，擰盤自動從圓螺母供料器吸取物料后，至裝配位擰入“圓螺母”至初定位置和初定扭矩，切換“相機(jī)”對其進(jìn)行檢測，系統(tǒng)反饋需要校正的角度，重新由擰盤對“圓螺母”進(jìn)行轉(zhuǎn)動，直到達(dá)到規(guī)定扭矩及槽口對齊，“相機(jī)”進(jìn)行復(fù)檢，并將角度信號傳至第五工位；機(jī)構(gòu)壓住轉(zhuǎn)子后，翹刀機(jī)構(gòu)通過“相機(jī)”的角度信號，自動對準(zhǔn)需要翹起的“止動墊圈”卡扣邊，翹刀通過水平運(yùn)動及翹刀斜角，使“止動墊片”的卡扣卡入“圓螺母”的卡槽內(nèi)，使圓螺母、墊片及中心軸處于相對扣合的狀態(tài)；完成后的轉(zhuǎn)子通過第六工位下料。

圖2 圓螺母及圓螺母止動墊圈全自動裝配線工位示意圖

圖3 圓螺母及圓螺母止動墊圈全自動裝配流程圖

2 結(jié)構(gòu)分析

圓螺母及圓螺母止動墊圈全自動裝配設(shè)備是整套轉(zhuǎn)子組件自動裝配線的其中一站，由六軸機(jī)器人把”中心軸、鐵心、前端板及后端板”移栽到“中心軸、鐵心及端板裝配工位”壓裝，再由單站設(shè)備內(nèi)部“循環(huán)線體”通過“工裝板”移栽，在設(shè)備內(nèi)部各個(gè)工位點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)工藝的裝配及檢測，整套轉(zhuǎn)子組件自動裝配線和轉(zhuǎn)子裝配線示意圖如圖4、圖5所示。

圖4 整套轉(zhuǎn)子組件裝配線示意圖

圖5 轉(zhuǎn)子裝配線示意圖

2套倍速鏈線體及2套擺渡機(jī)構(gòu)組成循環(huán)輸送線，如圖6所示。工裝板在該循環(huán)內(nèi)不停循環(huán)運(yùn)載，在倍速鏈下方相應(yīng)的工位，設(shè)計(jì)有頂升、阻擋及托底機(jī)構(gòu)。

圖6 循環(huán)線體示意圖

圓螺母止動墊圈裝配工位如圖7所示。人工將圓螺母止動墊圈依次排列至止動墊圈供料器的載具上；啟動后，止動墊圈輸送至移栽機(jī)構(gòu)；移栽到位后，由磁鐵微吸將其固定；移栽機(jī)構(gòu)上移后，機(jī)械手移動夾??；待裝載轉(zhuǎn)子的工裝板移栽至該工位后，機(jī)械手將其安裝至轉(zhuǎn)子中心軸內(nèi)。

圖7 圓螺母止動墊圈裝配工位示意圖

圓螺母裝配流程及工位示意如圖8、圖9所示。工裝板流至該工位，機(jī)構(gòu)檢測工裝板，自動阻擋，并舉升定位和托底；伺服壓機(jī)下行壓住轉(zhuǎn)子，直至壓到預(yù)定的壓力和高度；止動墊片定位機(jī)構(gòu)固定住圓螺母止動墊片；擰盤移動至圓螺母供料器，吸取圓螺母至擰盤上，再移動至裝配工位；擰盤下行，自動擰入，加載力矩，直至預(yù)設(shè)力矩；擰盤再次移動至圓螺母供料器工位等待，讓視覺系統(tǒng)進(jìn)入裝配工位，視覺系統(tǒng)檢測螺母與止動墊片槽角度差(圖10)；系統(tǒng)自動識別最近的對槽角，信號傳遞給擰盤和翹刀；擰盤再次進(jìn)入裝配工位調(diào)整螺絲與止動墊片槽角度，直到達(dá)到規(guī)定扭矩且最近槽與止動墊片對齊一致；視覺系統(tǒng)檢測合格后，如圖11所示，止動墊片定位機(jī)構(gòu)松脫，壓機(jī)上行定位機(jī)構(gòu)下落，工裝板流至下一工位。

圖8 圓螺母裝配流程

圖9 圓螺母裝配工位示意圖

圖10 槽偏差

圖11 槽對齊

自動翹圓螺母止動墊片裝配流程工位如圖12所示。工裝板流至該工位，機(jī)構(gòu)檢測工裝板，自動阻擋，并舉升定位和托底；機(jī)構(gòu)在接收前面視覺系統(tǒng)的信號后，自動找到槽口方向，翹刀自動旋轉(zhuǎn)360°，對準(zhǔn)需要翹起的止動墊片翹邊；壓機(jī)下行壓住轉(zhuǎn)子，直至壓到預(yù)定的壓力；翹刀進(jìn)刀，利用刀頭斜面使止動墊圈止動部位翹進(jìn)圓螺母止動槽；安裝完畢后，壓機(jī)上行，定位機(jī)構(gòu)下落，裝配完畢。流程圖如圖13所示。

圖12 自動翹圓螺母止動墊片裝配

圖13 自動翹圓螺母止動墊片工位示意圖

視覺識別系統(tǒng)的具體工作過程如下：將待檢電機(jī)鐵心置于盡可能均勻照明的可控背景前(采用LED普通環(huán)形光源)，智能控制系統(tǒng)給圖象獲取模塊發(fā)出控制信號，工業(yè)相機(jī)將攝取到的產(chǎn)品俯視圖，經(jīng)過圖象采集卡把圖象數(shù)據(jù)采集到工控機(jī)內(nèi)存，利用自研開發(fā)的鐵心螺母處理與檢測軟件，實(shí)現(xiàn)對鐵心表面螺母檢測，通過軟件內(nèi)部算法，計(jì)算出距離缺口最近的墊片位置，視覺處理后，計(jì)算出該墊片距離最近缺口的角度，將求出的角度發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行完通過視覺處理，再次校驗(yàn)是否矯正成功。

在機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)中，圖象采集卡采集效果、光源打光效果、攝象機(jī)的拍照精度直接影響整個(gè)視覺系統(tǒng)的檢測精度，因而視覺硬件的選型至關(guān)重要。合理選擇視覺硬件是獲取質(zhì)量好、能清晰反映鐵心表面螺母特征圖象的關(guān)鍵。

目前，在機(jī)器視覺中，光源系統(tǒng)主要由光源和光學(xué)鏡頭組成，系統(tǒng)采用顯光性強(qiáng)、發(fā)光性強(qiáng)、功耗低、散熱小的LED白色環(huán)形光源作為機(jī)器視覺系統(tǒng)所需光源。工業(yè)相機(jī)采用業(yè)內(nèi)有顯著知名度的Balser 200萬象素工業(yè)相機(jī)，該相機(jī)具有出色的性價(jià)比、超小的尺寸、超高的視覺分辨率、高精度低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足該項(xiàng)目所需的最小精度要求。

視覺識別具體流程邏輯如圖14所示。

圖14 視覺系統(tǒng)工作流程

3 性能測試(應(yīng)用分析)

該設(shè)備對應(yīng)的電機(jī)規(guī)格尺寸如表1所示。設(shè)備調(diào)試成功后經(jīng)過量產(chǎn)測試、負(fù)重能力測試、無故障運(yùn)行時(shí)間測試等一系列嚴(yán)格性能檢測，測試后性能參數(shù)如表2所示。

表1 設(shè)備適應(yīng)電機(jī)尺寸

表2 設(shè)備性能參數(shù)表

4 結(jié) 語

該設(shè)備相關(guān)專利可詳見：ZL201 920 943 026.8，ZL201 920 942 992.8及ZL201 920 942 980.5，現(xiàn)已投產(chǎn)使用。與傳統(tǒng)裝配相比，自動化設(shè)備只需要輔助上料，其他均由設(shè)備自動完成，上料頻率為一天一次，效率大大提升，工人勞動強(qiáng)度大大降低。在裝配時(shí)，依靠視覺系統(tǒng)精確定位，檢測偏差在±0.1°，機(jī)構(gòu)重復(fù)定位精度在±0.03 mm,保證卡槽能夠?qū)R，翹刀能夠一次對刀到位，不損傷物料。應(yīng)用伺服壓機(jī)，實(shí)時(shí)反映壓力和高度數(shù)據(jù)，精度可達(dá)到±0.01 mm，壓力曲線輸出并上傳工廠級管理系統(tǒng)記錄。在扭矩方面，使用扭力傳感器和伺服擰盤，精度±0.1 N·m；從實(shí)際運(yùn)行來看，達(dá)到了預(yù)期期望，原設(shè)計(jì)功能都能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，自動化程度高，人力需求少，生產(chǎn)效率及產(chǎn)品合格率高，操控方便，檢測數(shù)據(jù)、圖片、壓力曲線等參數(shù)實(shí)時(shí)對接MCS系統(tǒng)，安全性能高等諸多優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行對永磁電機(jī)裝配及同類產(chǎn)品的生產(chǎn)，提供全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用思路，起到了一定的促進(jìn)、借鑒和積極的作用。