基于PLC控制的叉車油箱全自動上料裝置設(shè)計

沈 姣，汪 軍

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院，江蘇 無錫 214000）

0 引言

叉車是工業(yè)短距離搬運工具中的主力軍，廣泛應(yīng)用于倉儲、碼頭和工廠車間等場所[1]。叉車車架由油箱、尾架和連接板等零部件組焊而成，用于支撐發(fā)動機(jī)、前后橋、配重和門架部件，車架的焊接質(zhì)量直接影響叉車的使用性能。因而，叉車車架的制作過程需要使用專業(yè)的焊接模具，車架在焊接模具上組焊前，需要將油箱、尾架和筋板等零部件搬運并精確擺放到模具上。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是人工將前道工序焊接好的油箱翻轉(zhuǎn)過來，再將油箱搬運到機(jī)器人抓取的位置，等待機(jī)器人將油箱搬運到模具上，其生產(chǎn)工藝勞動強(qiáng)度大、效率低，而且操作者在作業(yè)區(qū)域的安全性不能滿足要求[2-3]。隨著機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種各樣的工業(yè)機(jī)器人得到了日益廣泛的實際應(yīng)用，本文基于PLC 邏輯控制器控制靈活、可靠性高、操作簡單以及搬運機(jī)器人體積小、質(zhì)量輕、維修方便、高效快捷、簡單實用的諸多優(yōu)良特性[4-6]，設(shè)計了一套基于PLC 控制的全自動叉車油箱上料裝置，該裝置有效實現(xiàn)了叉車油箱進(jìn)入焊接模具進(jìn)行組焊前的油箱自動輸送、臨時支撐、油箱翻轉(zhuǎn)以及油箱組件焊接前的精確定位等多種功能，實現(xiàn)了叉車油箱上料的無人化，保障了油箱組件的定位精度和焊接成品質(zhì)量，提高了叉車車架焊接線的生產(chǎn)效率。同時，通過人機(jī)分離的整體布局設(shè)計，保障了生產(chǎn)線操作員的人身安全。

1 機(jī)械部分設(shè)計

1.1 上料工藝分析

通常情況下，叉車的油箱分為左油箱和右油箱，均由厚度為6 mm 的鋼板焊接而成，其整體結(jié)構(gòu)基本對稱，圖1 中所示為左油箱。叉車油箱是四面體形的焊接件，由4 個薄板零件組焊而成，油箱有外側(cè)面M 和內(nèi)側(cè)面N，因而焊縫難以一次成形。為保證所有焊縫均可方便焊接，油箱焊接作業(yè)時需要將內(nèi)側(cè)面N 朝上擺放，而該油箱在車架模具上組焊擺放時，又需要將其外側(cè)面M 朝上擺放，因而需要將油箱翻轉(zhuǎn)180°。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是靠人工進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，由于油箱質(zhì)量大，人工翻轉(zhuǎn)費時、費力、工作效率低。另外，根據(jù)安全生產(chǎn)的相關(guān)要求，人工作業(yè)區(qū)與機(jī)器人作業(yè)區(qū)必須可靠分開，因而人工焊接好的油箱必須要通過專門的輸送裝置運送到機(jī)器人作業(yè)區(qū)域，在叉車車架整體組焊前，搬運機(jī)器人必須將油箱翻轉(zhuǎn)180°存放，使油箱外側(cè)面M 朝上，然后再利用定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行二次精確定位，從而確保搬運機(jī)器人放置油箱后油箱在車架組焊模具上焊接前的準(zhǔn)確定位，以滿足自動化焊接前的定位要求[7]。

圖1 叉車左油箱

1.2 油箱上料機(jī)構(gòu)

如圖2所示，叉車油箱的全自動上料機(jī)構(gòu)主要由3個部分組成：輸送機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)架和定位裝置?？紤]到人、機(jī)分離和生產(chǎn)安全性的要求，油箱上料機(jī)構(gòu)整體分為2個工作機(jī)構(gòu)，輸送機(jī)構(gòu)和焊接前反轉(zhuǎn)、定位機(jī)構(gòu)，整體呈直線形布局。輸送機(jī)構(gòu)的主要功能是將前道工序焊接好的油箱運送到搬運機(jī)器人的抓取位置，搬運機(jī)器人抓取油箱后將其放置到翻轉(zhuǎn)架上，翻轉(zhuǎn)架安裝在定位裝置的底座上，用于臨時支放油箱，等待搬運機(jī)器人對油箱進(jìn)行翻轉(zhuǎn)放置至定位裝置，最后由定位裝置對油箱進(jìn)行二次精確定位，做好叉車車架組焊前的準(zhǔn)備工作。

圖2 油箱上料機(jī)構(gòu)

1.2.1 油箱輸送機(jī)構(gòu)

為減輕機(jī)構(gòu)的整體質(zhì)量，同時保證機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，降低制造難度和成本，設(shè)計了油箱輸送機(jī)構(gòu)，如圖3 所示，油箱輸送機(jī)構(gòu)的底座采用質(zhì)量輕、剛性好的中空矩形管組焊而成，結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)。底座上方安裝有2 根金屬導(dǎo)軌，搬運滑臺在氣缸活塞桿的驅(qū)動下，可以沿著導(dǎo)軌平移滑動。搬運滑臺上對稱分布有2 組定位塊，分別用于定位左、右油箱，其中2 個側(cè)定位塊用于油箱的側(cè)向定位，端定位塊用于油箱的一端定位，可以滿足油箱翻轉(zhuǎn)前的定位要求。在油箱的定位過程中，為減輕人工推動油箱的勞動強(qiáng)度，在滑臺上均勻安裝有數(shù)組萬向球，可以將油箱與搬運滑臺之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦。考慮到工作安全性，輸送機(jī)構(gòu)也分為人工操作區(qū)MA 和搬運機(jī)器人作業(yè)區(qū)RA 兩個作業(yè)區(qū)域。人工搬運油箱上料時，氣缸活塞桿伸出，搬運滑臺移動到MA 區(qū)域，操作員將油箱放置到搬運滑臺上，人工移動油箱與定位塊靠緊后，手動按下電氣控制按鈕，氣缸氣管控制電磁閥動作，氣缸活塞桿縮回，搬運滑臺移動到底座的RA區(qū)域，有效實現(xiàn)了人工作業(yè)區(qū)與機(jī)器人作業(yè)區(qū)的嚴(yán)格分離，確保了操作員的人身安全。

圖3 輸送機(jī)構(gòu)

1.2.2 油箱翻轉(zhuǎn)架

油箱翻轉(zhuǎn)架如圖4 所示，翻轉(zhuǎn)架用于臨時支放待翻轉(zhuǎn)油箱，方便搬運機(jī)器人進(jìn)行翻轉(zhuǎn)油箱作業(yè)。其整體結(jié)構(gòu)由6根矩形管焊接而成，質(zhì)量輕、剛性好，結(jié)構(gòu)簡單。翻轉(zhuǎn)架底部的固定板用于將翻轉(zhuǎn)架焊接固定在定位裝置上。作業(yè)時，油箱擺放在兩端的矩形管上，為保證放置待翻轉(zhuǎn)油箱時的平穩(wěn)性，必須保證兩端矩形管的安裝精度，且需對其焊縫進(jìn)行拋光、打磨修整。由于未設(shè)計油箱定位裝置，翻轉(zhuǎn)架的相關(guān)尺寸需根據(jù)油箱尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制。

圖4 油箱翻轉(zhuǎn)架

1.2.3 油箱定位裝置

油箱定位裝置如圖5 所示，油箱定位裝置分為左、右2 組定位區(qū)域，分別用于定位左油箱和右油箱。其機(jī)構(gòu)底座也是由矩形管組焊而成，底座上部結(jié)構(gòu)為矩形管網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)構(gòu)的整體剛度。定位鋼板固定在底座的上部，定位鋼板上安裝有端定位架、側(cè)定位架和均勻分布的萬向球組，側(cè)定位架是由圓柱桿和滾動軸承組合而成，可以有效減小油箱組焊前精確定位移動時的運行摩擦阻力。雙導(dǎo)桿氣缸安裝在定位鋼板的下側(cè)面，雙導(dǎo)桿氣缸安裝在定位鋼板的上側(cè)面，雙導(dǎo)桿氣缸上安裝有油箱推板[8]，定位過程中油箱推板可以用來推動油箱。定位鋼板上2 個方向的定位架可以有效保證油箱的最終定位精度，萬向球組可以減小滑動時的摩擦力，方便油箱順暢移動。進(jìn)行油箱二次精確定位時，雙導(dǎo)桿氣缸的活塞桿先縮回，推動油箱與側(cè)定位架正確接觸后，雙導(dǎo)桿氣缸的活塞桿再縮回，推動油箱與端定位架正確接觸，油箱的二次精確定位全程由PLC 控制定位氣缸自動操作完成，保證了定位精度。為保證定位過程中的平穩(wěn)性，本文設(shè)計的油箱全自動上料裝置采用剛性和抗側(cè)向力性能更好的雙導(dǎo)桿氣缸。

圖5 油箱定位裝置

1.3 搬運機(jī)器人設(shè)計

1.3.1 工作站整體結(jié)構(gòu)

路越來越平坦寬闊。農(nóng)人的燈亮起來，遙遙在望的城市燈火讓一杭有種重新回家的親切感。這時，迎面走過來三個青年男子。戴蛤蟆鏡，穿牛仔褲。一個紅頭發(fā)，一個光頭，另一個特征不明顯。一杭本能地放慢腳步，與雪螢低著頭并排前行，卻能感覺到這一伙人正在觀察他們。

油箱上料機(jī)構(gòu)只是叉車車架焊接工作站的一部分，增加搬運、焊接機(jī)器人后的自動化工作站整體結(jié)構(gòu)布局如圖6 所示。整個工作站包括搬運機(jī)器人、焊接模具和焊接機(jī)器人。搬運機(jī)器人的夾爪實現(xiàn)油箱的上料過程，同時可以將油箱放置到焊接模具上，焊接機(jī)器人實現(xiàn)對工件的焊接，搬運機(jī)器人可以通過機(jī)器人地軌實現(xiàn)大范圍移動。

圖6 自動化工作站

1.3.2 油箱翻轉(zhuǎn)搬運過程

全自動上料裝置的油箱輸送和預(yù)定位由人力和自動輸送裝置配合完成，而油箱的翻轉(zhuǎn)和定位放置則是由搬運機(jī)器人全自動自主完成。首先，人工將前道工序已焊接好的左或右油箱的N 側(cè)朝上擺放到輸送機(jī)構(gòu)的搬運滑臺上，搬運滑臺自動移動到搬運機(jī)器人的指定抓取位置后，由搬運機(jī)器人的夾爪以指定姿態(tài)A 抓取待翻轉(zhuǎn)的油箱，搬運機(jī)器人抓穩(wěn)油箱之后將其有效抬起并旋轉(zhuǎn)，最終以指定姿態(tài)B將油箱放置到油箱翻轉(zhuǎn)架上，此時油箱的N側(cè)朝右，如圖7所示。油箱放置穩(wěn)定后，搬運機(jī)器人的夾爪松開，搬運機(jī)器人復(fù)位，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個翻轉(zhuǎn)動作。

圖7 翻轉(zhuǎn)前上料

如圖8 所示，搬運機(jī)器人的夾爪以指定姿態(tài)C 從油箱的左側(cè)（M 側(cè)）抓取待翻轉(zhuǎn)的油箱，同樣是將油箱有效抬起后，首先在豎直平面內(nèi)順時針旋轉(zhuǎn)90°，然后將待翻轉(zhuǎn)的油箱擺放到定位裝置上后，搬運機(jī)器人的夾爪松開，左或右定位裝置上的2 個方向定位氣缸隨即產(chǎn)生動作，對油箱進(jìn)行二次精確定位。搬運機(jī)器人和定位氣缸的動作都是在PLC 的統(tǒng)一控制下進(jìn)行，從而可以保證動作協(xié)調(diào)一致[9]。定位裝置設(shè)計有2個區(qū)域，左區(qū)域用于放置左油箱，右區(qū)域用于放置右油箱。

圖8 翻轉(zhuǎn)與定位

1.3.3 定位氣缸選擇

油箱定位裝置中選用的是雙導(dǎo)桿氣缸，該類型氣缸采用加長型支承導(dǎo)向，導(dǎo)向性能好，其固定板三面均有安裝孔，便于多位置安裝加載，氣缸本體除軸向外，其余各面均有安裝孔位，可以提供多種安裝固定方式，安裝簡單，氣缸兩側(cè)有兩組進(jìn)、排氣口供實際需要選用，氣缸本體前端防撞墊可用于調(diào)整氣缸的行程，并可以緩解沖擊，氣缸的不回轉(zhuǎn)精度高，非常適用于精確導(dǎo)向，能夠保證較高的運行精度。另外，氣缸配備的與活塞桿平行的2 個導(dǎo)桿，具有一定的抗彎、抗扭和較強(qiáng)的側(cè)向負(fù)載能力。氣缸活塞桿推力的計算公式為：

本文定位裝置中選用的氣缸直徑為32 mm，氣源氣壓為0.7 MPa，產(chǎn)生的推力F= 562 N。

2 電氣部分設(shè)計

2.1 PLC選型

可編程控制器PLC是一種無觸點設(shè)備，不需要根據(jù)用戶的使用要求專門定制控制器，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，使用方便，編程簡單，功能強(qiáng)，性價比高，非常適合用于批量生產(chǎn)[10]。自動化生產(chǎn)線采用PLC控制，系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試、維修工作量小，在自動化工廠中得到了廣泛的應(yīng)用[11-12]。本文選用的PLC型號為三菱Q系列Q06UDV。

2.2 PLC程序

Q 系列PLC 的基本組成包括電源模塊、CPU 模塊、基板、I/O 模塊等，其最大輸入、輸出點數(shù)達(dá)4 096 點，最大程序存儲器容量為252 000步，采用擴(kuò)展存儲器后可以達(dá)到32 MB，基本指令的處理周期為34 ns，適合各種中等復(fù)雜機(jī)械、自動生產(chǎn)線的控制場合。通過擴(kuò)展基板與I/O 模塊可以增加I/O 點數(shù)，通過擴(kuò)展存儲器卡可增加程序存儲器容量，本文設(shè)計的叉車油箱上料系統(tǒng)采用三菱PLC 系統(tǒng)特有的CC-LINK 遠(yuǎn)程I/O 模塊設(shè)計，最多可連接64 個遠(yuǎn)程I/O 站，可以用螺絲或DIN 導(dǎo)軌將遠(yuǎn)程I/O模塊安裝到控制柜中，其體積小，且所有模塊中均采用了光耦隔離。本文PLC程序設(shè)計中的部分遠(yuǎn)程I/O分配信息如表1所示。

表1 部分遠(yuǎn)程I/O分配信息

叉車油箱全自動上料裝置的PLC 控制流程如圖9所示。

圖9 PLC控制流程

PLC控制程序部分代碼如下：

3 測試驗證與效果分析

通過對叉車車架生產(chǎn)線的自動化改造升級，在不增加人員的前提下，滿足了計劃年產(chǎn)35 000 臺小噸位叉車的生產(chǎn)要求?；赑LC 控制的叉車油箱全自動上料裝置是車架焊接生產(chǎn)線的重要組成部分，該上料裝置投入使用后，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率均大幅度提升。自動化工作站分為南線、北線兩個部分，分別由4 組油箱自動化焊接單元和1 臺上下料搬運機(jī)器人組成，每個單元包含自制雙回轉(zhuǎn)變位機(jī)和自動化柔性焊接模具，可以實現(xiàn)油箱自動上下料、自動焊接和故障自動停止、報警，主要適用于K/K2/H 系列小噸位叉車車架左、右油箱的自動化焊接，經(jīng)實際測算，產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍約為171 s/臺，南、北線合計單班生產(chǎn)產(chǎn)能大于140 臺。 整條生產(chǎn)線改造前后的生產(chǎn)效能對比如表2所示。

4 結(jié)束語

叉車車架焊接生產(chǎn)線主要是將零部件組焊成一個整體。油箱作為車架最主要的組成部件之一，也是由薄鋼板組焊而成，現(xiàn)有的生產(chǎn)方式為人力手工搬運，焊接前組裝、定位均需要憑借人工經(jīng)驗，費時費力，生產(chǎn)效率低下且極易導(dǎo)致成品質(zhì)量不穩(wěn)定。提高零部件上料工序的自動化程度，可以有效提升叉車車架生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和成品質(zhì)量。采用本文設(shè)計的油箱全自動上料裝置，生產(chǎn)線可以在工作站PLC 的統(tǒng)一指揮下自主、協(xié)調(diào)運行，減輕操作員的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)線的工作效率，保障產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。與此同時，通過人工作業(yè)區(qū)與機(jī)器人作業(yè)區(qū)的有效分離設(shè)計，切實保障了生產(chǎn)線上操作員的人身安全。