多型號閥體產(chǎn)品智能化測量單元搭建研究

陳曉航 張乃方 郭華 李雄飛

摘? 要：閥體類產(chǎn)品為多型號中批量的精益生產(chǎn)加工模式。為適應現(xiàn)有加工節(jié)奏，原有的檢驗手工尺寸檢測模式需被全自動智能化測量單元替代。文章針對閥體類零件，設計測量方案、選取專用機器人、組建測量系統(tǒng)、設計專用定位工裝、開發(fā)數(shù)控測量程序、實現(xiàn)精確高效的批量產(chǎn)品自動測量；并針對測量結(jié)果進行重復性驗證分析，對后續(xù)優(yōu)化測量方案奠定基礎。

關鍵詞：閥體；多品種；智能化；全自動

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）01-0151-04

Research on the Construction of Intelligent Measurement Unit for Multi-Model Valve Body Products

CHEN Xiaohang1， ZHANG Naifang1， GUO Hua2， LI Xiongfei3

（1.Xi'an Aerospace Engine Co.， Ltd.， Xi'an? 710100， China; 2.School of Art and Design， Xi'an University of Technology， Xi'an? 710048， China; 3.School of Computer Science， Shaanxi Normal University， Xi'an? 710119， China）

Abstract： Valve body products are lean production and processing modes of multi-model and medium-volume production. In order to adapt to the existing processing rhythm， the original manual dimension measurement mode needs to be replaced by a fully automatic and intelligent measurement unit. This paper is aimed at valve body parts， designs measurement plans， selects special robots， sets up measurement systems， designs special positioning tooling， develops CNC measurement programs， and achieves accurate and efficient automatic measurement of batch products. And it repeats the verification analysis of the measurement results to lay the foundation for the subsequent optimization of the measurement plan.

Keywords： valve body; multi-variety; intelligent; fully automatic

0? 引? 言

電磁閥閥體是姿控發(fā)動機的重要組成部分之一，能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機姿態(tài)的精準控制，近年來隨著電磁閥產(chǎn)量的成倍增加，電磁閥閥體的檢驗成了制約電磁閥交付節(jié)點的重要環(huán)節(jié)，同時大量的尺寸及形位公差在手工檢驗時繁瑣過程也容易導致檢驗結(jié)果的一致性不高，檢測效率低。隨著自動化、智能化產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電磁閥閥體的自動化智能化檢測也勢在必行[1]。

1? 智能化測量單元整體框架設計

1.1? 單元構(gòu)建條件分析

車間共有不少于20種閥體類產(chǎn)品需進行總檢全尺寸檢測，參與智能化檢測單元構(gòu)建的設備主要包括LETIZ三坐標測量機和ABB工業(yè)機器人。

1.2? 單元檢測模式分析

單一品種的大規(guī)模生產(chǎn)任務是智能計量單元的主要服務對象[2]，因為單一品種少量生產(chǎn)檢測任務小，智能化測量會導致單元成本升高，因此產(chǎn)品的數(shù)量和成本率決定了智能計量單元意義。本文研究的閥體類產(chǎn)品智能化測量單元的生產(chǎn)任務，屬于多品種中批量生產(chǎn)任務類型，其特點是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大多比較相似，零件種類多，裝夾位置相對比較固定，產(chǎn)品檢測工藝復雜，被測元素多。

1.3? 單元整體框架設計

應用機器人技術完成單元檢測過程中的產(chǎn)品自動上下料是智能化測量單元構(gòu)建過程中最合適的選擇[3]。如圖1所示。將工業(yè)機器人安裝在上下料轉(zhuǎn)臺中間完成三坐標測量機的自動化上下料任務，利用這種通用在線自動檢測模式，系統(tǒng)主要包含“通用檢測儀器”，“自動導向的零件物流系統(tǒng)實現(xiàn)運輸、存儲和交換”，“自動抓取機構(gòu)”和“信息傳輸和交互網(wǎng)絡”。

在產(chǎn)品周轉(zhuǎn)方面，由于現(xiàn)場空間狹小，覆蓋的產(chǎn)品種類多，因此設計了分度式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)上下料工位方案，前方為待測區(qū)，后方為已檢區(qū)；在工裝方面，針對測量過程設計了一套特殊的自動氣壓夾具，負責產(chǎn)品檢測時的定位和夾緊，在信息傳輸和交互網(wǎng)絡方面，針對該系統(tǒng)單元特征獨立開發(fā)了一套 “分布式集成控制系統(tǒng)”，負責單元內(nèi)設備之間的信息傳輸與交互。

2? 檢測單元設計方案

2.1? 氣壓夾具設計方案

閥體類產(chǎn)品多為軟磁合金材料，圓柱體結(jié)構(gòu)。共設計一套裝卡工裝可覆蓋外徑φ6 mm～φ50 mm閥體類產(chǎn)品的檢測工作。設計圖如圖2所示。

2.2? 氣壓工裝控制原理

氣壓控制系統(tǒng)是基于空氣壓力和流量提供原始動力，利用氣缸將空氣壓力和流量轉(zhuǎn)化為機械運動實現(xiàn)抓緊和松開。通過控制各種閥門的大小和開關來改變壓力大小和方向，從而驅(qū)動機械執(zhí)行機構(gòu)的運動方向、行程和位置，完成各種不同動作的需要[4]。氣動機構(gòu)的控制元件包括封閉汽缸、力傳感器、儲氣筒、機械執(zhí)行機構(gòu)及其他輔助元件。壓力傳感器的反饋電信號和閥門的控制信號連接到系統(tǒng)控制核心PLC外設端口。系統(tǒng)控制柜通過總線與控制核心PLC進行信息交換，PLC通過數(shù)字和模擬IO信號，控制氣壓閥方向，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)工裝的夾緊和松開。

2.3? 分度式轉(zhuǎn)臺設計方案

由于檢測現(xiàn)場場地有限，并且本測量單元需覆蓋多種產(chǎn)品，傳統(tǒng)的產(chǎn)品存儲工位無法適應檢測需求。設計可更換底座的六工位分度式轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)適用于智能化檢測單元的產(chǎn)品中轉(zhuǎn)方案。底板選用樹脂及軟鋁材料加工，在確保產(chǎn)品固定的同時，保證產(chǎn)品不會引起劃傷。底板周圍加工兩處旋轉(zhuǎn)更換銷，手動即可更換底板，確保底板的適應性。每塊底座上配備了不同規(guī)格的定位銷，可適應不同種閥體產(chǎn)品的同時檢測需求。轉(zhuǎn)臺及底座如圖3所示。

2.4? 分度式轉(zhuǎn)臺控制原理

根據(jù)閥體圖號選用不同底板，將閥體產(chǎn)品放置于底板上，每塊底板最多可放置20個產(chǎn)品。分度式轉(zhuǎn)臺與總控PLC連接，根據(jù)控制指令進行轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動。底板編號分為1～6號，在完成第一塊底板測量后，第二塊底板會轉(zhuǎn)到待測位，等待機器人的抓取，控制系統(tǒng)會根據(jù)所輸?shù)装鍞?shù)量確定轉(zhuǎn)動次數(shù)。

2.5? 自動上下料技術

工業(yè)機器人主要由機械主體、驅(qū)動部件和控制器三個基本部分組成：主體是機座和執(zhí)行器，包括臂部、腕部和手部，驅(qū)動裝置包括動力單元和使執(zhí)行器進行相應運動的傳動機構(gòu)，而控制器則通過系統(tǒng)程序?qū)鲃訂卧蛨?zhí)行機構(gòu)發(fā)送指令信息，實現(xiàn)系統(tǒng)控制。工業(yè)機器人作為自動檢測系統(tǒng)上下料的執(zhí)行者，在控制系統(tǒng)指揮下負責完成“工件在工作空間內(nèi)的位置運動”“姿態(tài)和軌跡的調(diào)整”等任務。工業(yè)機器人按坐標形式可分為直角坐標、柱坐標、球坐標、關節(jié)坐標、并聯(lián)機器人等[5]。自動上下料系統(tǒng)由工業(yè)機器人和末端執(zhí)行裝置組成。在自動上下料時，末端執(zhí)行裝置一般采用氣動系統(tǒng)實現(xiàn)。隨著機器人技術的成熟和應用，工業(yè)機器人一般都配備了內(nèi)置氣動接口和24 V的IO控制輸入輸出，易于集成外部氣動夾具。

2.6? 自動運動機構(gòu)選擇及軌跡規(guī)劃

自動上下料系統(tǒng)中的運動機構(gòu)一般選擇工業(yè)機器人，選擇合理工業(yè)機器人的型號系統(tǒng)成功的關鍵，選擇時主要參考四個重要參數(shù)，如“運動范圍”“額定負荷”“軸數(shù)”“重復定位精度”[6]。本文采用機器人運行路徑仿真的方法，根據(jù)實際現(xiàn)場數(shù)控設備布置參數(shù)確定“運動范圍”。根據(jù)“末端夾緊裝置重量、工裝最大重量”和“機器人載荷曲線”確定“額定負載”；由系統(tǒng)運動姿勢靈活性要求確定運動軸數(shù)。最終選定型號ABB IBR1200-7/0.7。ABB IBR1200-7/0.7是一個6自由度的關節(jié)型機器人，額定負荷7 kg，移動半徑為703 mm，重復定位精度為0.02 mm，包括機器人本體和機器人控制面板。機器人和氣動夾緊系統(tǒng)集成在一起，形成一個自動裝卸系統(tǒng)。

物料自動上下料的過程可以利用機器人運動軌跡的示教過程實現(xiàn)軌跡的規(guī)劃，在示教過程中確定機器人的運行軌跡參數(shù)并存儲在機械人存儲器里。機器人道路智能規(guī)劃是提高生產(chǎn)速度和保證生產(chǎn)安全的重要手段。機器人運動的軌跡主要由直線、關節(jié)和弧線三種類型構(gòu)成。直線運動是指裝置在兩個給定點之間的沿著直線運動，關節(jié)運動是裝置以最適合裝配的方式在兩個點之間運動，圓弧運動是指裝置沿三個給定點確定的圓弧軌跡上運動。運動點分為兩類，如圖4所示，F(xiàn)ine表示機器人的運行在該點終止，速度降為0。CNT表示機器人的運行在該點附近終止，且保持運行速度不變或下降到指定比例。機器人的運行軌跡由這三種類型組成，機器人軌跡示教是指在任意空間位置下，通過點運動的方式使機器人運動到物流系統(tǒng)確定的理想位置，然后根據(jù)實際狀態(tài)確定點之間的運動類型和結(jié)束點的類型，從而形成機器人的空間運動軌跡，并滿足物料系統(tǒng)的需要。根據(jù)在線檢測工件實際裝卸位置和方式的需要，合理規(guī)劃機器人在裝卸過程中的軌跡和姿態(tài)，是保證在線檢測自動物料裝卸的可行性和安全性的關鍵因素。

3? 自動上下料系統(tǒng)與三坐標測量機集成

研制智能化測量單元控制系統(tǒng)的關鍵是保證單元內(nèi)各設備之間通信的暢通和穩(wěn)定[7]，目前，由于實際現(xiàn)有設備的開放性不足，對現(xiàn)場總線的支持程度差別很大。所以該裝置的通信系統(tǒng)選擇以工業(yè)以太網(wǎng)為主，現(xiàn)場總線為輔的方式建立。上位機是設備的控制中心，是設備各部件的“通信終端”。，上位機基于不同層的TCP/IP協(xié)議完成與三坐標測量機、以及ABB工業(yè)機器人的網(wǎng)絡通信。工業(yè)機器人和西門子PLC通過PROFINT現(xiàn)場總線連接，有關機器人的數(shù)據(jù)信息通過現(xiàn)場總線發(fā)送給PLC，PLC通過以太網(wǎng)發(fā)送給上位機。

三坐標測量機與機器人都是單一設備，相互之間沒有任何聯(lián)系。為了實現(xiàn)自動上下料，三坐標和機器人需要實現(xiàn)動作的配合，如圖5所示。

上、下料時機器人首先運動到上料原始位置，然后機器人抓取工件，等待三坐標發(fā)出上料請求，然后開始上料，三坐標卡緊工件后，機器手退回到原始位置，這樣機器手上料動作就完成了，下料與上料動作類似。經(jīng)初步分析，執(zhí)行握手操作需要信號交互。三坐標和機器人的電氣部分也需要集成在一起。動作信號主要包含：

（1）來自三坐標一側(cè)的：三坐標上料請求、三坐標上定位工裝卡緊工件、三坐標松開工件等；

（2）以及來自機器人的：機器人進給到三坐標固定工裝，機器人在卡盤夾緊后返回，卸料時機器人夾住工件，機器人在卸載后離開機床等。

具體方案是在三坐標測量臺上固定1套共用卡緊工裝，12個待測工位和電氣快速連接系統(tǒng)；使用PLC編寫邏輯控制程序，實現(xiàn)機器人裝夾和工裝環(huán)節(jié)控制。然后根據(jù)裝卸機器人的握手動作對其進行拆卸，用PLC的PROFINT網(wǎng)絡定義三坐標、機器人的每1個動作；這樣既方便實現(xiàn)每1個動作之間邏輯關系，也可以利用上位機監(jiān)控三坐標及機器人動作。

4? 自動化檢測單元運行效果評價

經(jīng)自動化檢測搭建后統(tǒng)計，閥體檢測單元可實現(xiàn)21種產(chǎn)品全自動檢測，人工參與時間不超過總檢測時間2%，實現(xiàn)了無人值守測量，年節(jié)約人力成本30余萬元。單件閥體可檢測17～30項公差尺寸，測量時間約5分鐘，檢測效率提升300%。為了分析各主要因素的穩(wěn)定性，在相同測量條件下，對21種產(chǎn)品各取20件重復上下料裝夾6次并測量。對6次測量的數(shù)據(jù)計算標準偏差，驗證自動化檢測的重復性精度，利用貝塞爾公式進行重復性分析如圖6所示。

經(jīng)分析，閥體產(chǎn)品經(jīng)機器人上下料后使用三坐標自動檢測重復性精度不大于0.005 mm，因此，檢測系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，滿足測量要求。

5? 結(jié)? 論

閥體類產(chǎn)品智能化測量單元可實現(xiàn)21種產(chǎn)品的全自動無人值守總檢工作；檢測效率提升3倍以上，其測量重復性精度介于0.003 mm～0.005 mm之間，產(chǎn)品檢測項目覆蓋率均達到或超過70%。現(xiàn)場產(chǎn)品檢測效率得到有效提高，檢測數(shù)據(jù)的準確性得到有效保障。采用三坐標測量機配合機械人的測量系統(tǒng)通過上述理論研究及搭建可解決了閥體類零件這一測量難題，測量方法已通過編程完成了測量驗證；閥體類產(chǎn)品智能化測單元已完成全部聯(lián)調(diào)工作，這是廠內(nèi)首次智能化檢測技術的應用，徹底解決了傳統(tǒng)測量方法帶來的問題和隱患，提高了測量準確性和測量效率，后續(xù)將對自動測量關鍵參數(shù)及方法進行總結(jié)、推廣，為以后的自動檢測生產(chǎn)線搭建工作奠定基礎。

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作者簡介：李雄飛（1995—），男，漢族，河北邯鄲人，碩士研究生在讀，研究方向：隱私保護。

收稿日期：2022-09-10