換熱器芯體釬焊自動上下料系統(tǒng)的設(shè)計

葉文德 張 博

上海電氣集團自動化工程有限公司 上海 200233

1 研究背景

換熱器的芯體由十幾個散熱翅片與隔板疊加后再進行釬焊而形成。為提高釬焊產(chǎn)能,通常先將散熱翅片與隔板疊加組裝,再用特制工裝進行固定,形成帶工裝的芯體。然后將這些帶工裝的芯體擺放在釬焊爐架中批量運輸?shù)解F焊爐中進行釬焊,完成釬焊后再運出釬焊爐。上料工位負責將待焊的帶工裝的芯體批量擺放到釬焊爐架中,下料工位負責將釬焊爐架內(nèi)已焊好的芯體清空。目前多采用人工進行上下料,根據(jù)產(chǎn)能要求,每個生產(chǎn)循環(huán)內(nèi)操作工需要擺放數(shù)百個芯體,勞動強度較高,釬焊爐架余溫較高,且存在粉塵,環(huán)境比較惡劣,容易對操作工造成灼傷或?qū)е侣殬I(yè)病。另一方面,還存在人為擺放不到位等誤操作,容易導(dǎo)致釬焊缺陷。為提高釬焊質(zhì)量和產(chǎn)能,減少對人的依賴,筆者設(shè)計了換熱器芯體釬焊自動上下料系統(tǒng),完成對整個芯體釬焊作業(yè)生產(chǎn)線各功能單元節(jié)拍的評估,研究機器視覺定位,設(shè)計機器人抓具,并用機器人代替人工來完成釬焊上下料。

2 自動上下料系統(tǒng)構(gòu)成

自動上下料系統(tǒng)主要包括帶工裝的芯體、釬焊爐架、循環(huán)輸送鏈、機器人、機器人抓具、三維工業(yè)相機系統(tǒng)和上下料輸送輥道等。

(1) 帶工裝的芯體。帶工裝的芯體指芯體組裝了釬焊工裝后的組合體,釬焊工裝是為固定芯體釬焊前的散熱翅片與隔板疊加組件而設(shè)計的,設(shè)計要求有三點:① 使組裝的散熱翅片與隔板形成一個整體,方便運輸;② 工裝本身方便組裝和拆卸;③ 工裝不能與需要釬焊的翅片或隔板有接觸。帶工裝的芯體如圖1所示,單個芯體總質(zhì)量約為5 kg。

▲圖1 帶工裝的芯體

(2) 釬焊爐架及循環(huán)輸送鏈。一個釬焊爐架有三列七層共計21個盛放單元格,每一個單元格可以放兩排帶工裝的芯體,每排放八個,一個釬焊爐架可以盛放336個芯體。單個釬焊爐架的主體尺寸為2 620 mm×3 960 mm×400 mm,如圖2所示。

▲圖2 單個釬焊爐架

循環(huán)輸送鏈負責從上料工位將擺放芯體的釬焊爐架輸送至釬焊爐,完成釬焊后,再將釬焊爐架輸送至下料工位進行自動下料。下料完成后,將釬焊爐架輸送至上料工位。一條循環(huán)輸送鏈根據(jù)產(chǎn)能,可以同時輸送多個釬焊爐架。

(3) 機器人。兩套機器人系統(tǒng)一套用于上料,一套用于下料。每套機器人系統(tǒng)包括一套外部軸和一套機器人抓具。外部軸主要用于增大機器人的運動范圍,使其充分覆蓋釬焊爐架每個盛放單元格的取料和放料。機器人抓具用于在上下料時對芯體的搬運。

(4) 上下料輸送輥道。兩套上下料輸送輥道一套用于上料,一套用于下料。上料輸送輥道負責將待焊的芯體輸送至指定上料點,用定位工裝完成對芯體的定位。下料輸送輥道負責配合機器人從釬焊爐架內(nèi)搬運過來已焊好的芯體,輸送至指定的工裝拆解點,拆解好的工裝再運回組裝線進行重復(fù)使用。

(5) 三維工業(yè)相機系統(tǒng)。兩套三維工業(yè)相機系統(tǒng)一套用于上料,一套用于下料,分別安裝在上下料機器人抓具上。上料工位三維工業(yè)相機系統(tǒng)主要用于對釬焊爐架放置位置的拍攝,并計算出精確的放置位置,協(xié)助機器人完成芯體在釬焊爐架內(nèi)的放置。下料工位三維工業(yè)相機系統(tǒng)主要用于對釬焊爐架內(nèi)芯體位置的拍攝,并計算出精確的抓取位置,協(xié)助機器人完成對釬焊爐架內(nèi)芯體的抓取。

(6) 人機界面。應(yīng)用人機界面對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。采用可編程序控制器,使用工業(yè)總線實現(xiàn)實時和非實時數(shù)據(jù)傳輸,具有高度可靠性和可維護性。安全設(shè)備采用門開關(guān),作為機器人工作區(qū)域的安全防護,可做到人機隔離,確保系統(tǒng)在自動運行中人員的安全?？刂葡到y(tǒng)如圖3所示。

▲圖3 控制系統(tǒng)▲圖4 自動上料系統(tǒng)布置▲圖5 自動下料系統(tǒng)布置

自動上下料系統(tǒng)的布置如圖4和圖5所示。設(shè)備運行時,兩臺機器人分別與上下料輸送輥道、釬焊爐架及輸送鏈聯(lián)動,完成在批量釬焊過程中的自動上下料。

3 機器人工作流程

機器人利用高清晰三維視覺系統(tǒng)攝像頭來獲取釬焊爐架的精準放置位置或抓取位置。配置機器人抓具的機器人與控制器進行通信,得到芯體放置或抓取的具體位置參數(shù)后,移動至位置上方,完成芯體的放置或抓取。此套系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對芯體放置或抓取位置的精確定位,以及抓取芯體的成功率。自動上下料系統(tǒng)工作流程如圖6、圖7所示。

▲圖6 自動上料系統(tǒng)工作流程▲圖7 自動下料系統(tǒng)工作流程

4 釬焊爐架定位

釬焊爐架整體外形尺寸較大,在釬焊過程中,釬焊爐架會存在不同程度的變形。在上料過程中,對每個放置位置特征點采用三維工業(yè)相機進行拍攝,通過計算得出放置位置特征點的偏移值,根據(jù)偏移值得出放置的位置補償,對芯體最終的放置位置進行修正,從而減少上料過程中的碰撞,有效提高上料系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在下料過程中,除了釬焊爐架自身的變形外,釬焊工裝在爐架內(nèi)還會產(chǎn)生竄動,對此也需要采用三維工業(yè)相機進行拍攝,通過計算得出取料位置特征點的偏移值和每個芯體的竄動量,根據(jù)偏移值和竄動量計算出取料的位置補償,對芯體最終的抓取位置進行修正。對于某些竄動量過大的芯體,通過計算得出竄動量是否超出允許量。如果超出允許量,那么需要報警,提示人工干預(yù),排除異常,有效提高下料系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 節(jié)拍平衡

自動上下料系統(tǒng)與上下游組裝線和釬焊爐構(gòu)成完整的芯體釬焊回路。為提高整個釬焊回路的生產(chǎn)效率,自動上下料系統(tǒng)通過機器人仿真軟件進行仿真,得出機器人每次需要放置或抓取四個芯體,可以達到系統(tǒng)節(jié)拍平衡。

單條組裝線的輸出節(jié)拍為每個15 s,則兩條組裝線輸出芯體節(jié)拍為每個7.5 s。

自動上下料系統(tǒng)完成一次上下料時間為30 s,因此每次需要同時上下料四個芯體。

上下料輸送輥道單元通過擋隔料裝置完成每次給上料點派發(fā)四個芯體,派發(fā)節(jié)拍為每四個30 s,從而達到與機器人、組裝線之間的節(jié)拍平衡。

6 機器人抓具

機器人抓具如圖8所示,可以實現(xiàn)同時抓取四個芯體。考慮到抓具需要伸到釬焊爐架內(nèi)擺放芯體,且抓具退出空間有限,采用四連桿機構(gòu)。四連桿機構(gòu)由一個氣缸驅(qū)動開合,將連桿的機械死點作為抓具的閉合位置,這樣在機器人抓取和搬運過程中,即使驅(qū)動氣缸發(fā)生意外,抓具也能保證在閉合位置,提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

▲圖8 機器人抓具

7 結(jié)束語

隨著新能源產(chǎn)業(yè)在我國蓬勃發(fā)展,產(chǎn)業(yè)內(nèi)各細分子行業(yè)對生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的自動化要求越來越高。對此,工業(yè)機器人具有重復(fù)定位精確、可靠性強、生產(chǎn)柔性化、自動化程度高等無可比擬的優(yōu)勢。筆者設(shè)計的換熱器芯體釬焊自動上下料系統(tǒng)具有生產(chǎn)可靠、效率高、操作方便、環(huán)節(jié)可控等顯著特點,與人工相比,能夠完美匹配整個釬焊系統(tǒng)的工藝節(jié)拍和產(chǎn)能,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì),提升企業(yè)的自動化生產(chǎn)水平,在降低企業(yè)勞動力成本的同時提高產(chǎn)品的市場競爭力。