氣密性檢測(cè)技術(shù)在工裝中的應(yīng)用

摘要： 為滿足殼體件自動(dòng)化大批量生產(chǎn)中的檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)了一種裝夾到位氣密性檢測(cè)工裝。該工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，維護(hù)成本低，廣泛適用于多種殼體件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)法調(diào)整夾持鐵屑高度，統(tǒng)計(jì)氣密性檢測(cè)結(jié)果，選取最優(yōu)參數(shù)并驗(yàn)證30 余天，確保滿足生產(chǎn)要求。批量檢測(cè)結(jié)果顯示合格，滿足自動(dòng)化生產(chǎn)需求。此工裝設(shè)計(jì)原理對(duì)解決未來(lái)工業(yè)自動(dòng)化線中放置到位檢測(cè)及自動(dòng)檢測(cè)反饋問(wèn)題具有參考價(jià)值，提升了生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：殼體件；自動(dòng)化生產(chǎn)；氣密檢測(cè)

中圖分類號(hào)：U466 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.03.009

0 引言

近年來(lái)，隨著“中國(guó)制造2025”制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的深入實(shí)施，制造業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，其重要性不言而喻，被譽(yù)為“立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基”。制造業(yè)正肩負(fù)著國(guó)家強(qiáng)盛與民族復(fù)興的艱巨使命。在這一過(guò)程中，傳統(tǒng)制造業(yè)對(duì)“人口紅利”的依賴逐漸減弱，并向?qū)Α案呒夹g(shù)人才、高科技設(shè)備”的依賴轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了從量變到質(zhì)變的飛躍。AI 人工智能、智能制造、自動(dòng)化控制等技術(shù)逐漸成為制造業(yè)轉(zhuǎn)變的大勢(shì)所向，與此相關(guān)的自動(dòng)識(shí)別、PLC 控制、自動(dòng)加工、在線測(cè)量、無(wú)線測(cè)量等新興技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展［1］。

我單位積極響應(yīng)這一趨勢(shì)，引入了某型號(hào)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了從自動(dòng)上料到下料入庫(kù)的制造全過(guò)程自動(dòng)化。該自動(dòng)線專為加工特定類型的殼體類零件而設(shè)計(jì)，其加工流程包括上料、機(jī)械加工、打標(biāo)記、自動(dòng)清洗、下料及入庫(kù)等環(huán)節(jié)。在這一過(guò)程中，機(jī)器人不僅負(fù)責(zé)產(chǎn)品的抓取、搬運(yùn)，還實(shí)現(xiàn)了與加工機(jī)床之間的信息交互。但在機(jī)器人將工件放入夾具的環(huán)節(jié)中，我們面臨著一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難題：即如何準(zhǔn)確檢測(cè)工件放置位置的正確性。

原加工工藝方案依賴于人工操作，包括使用氣吹槍清理裝夾定位面，再由人工100% 目視確認(rèn)工裝定位面上無(wú)鐵屑后，手動(dòng)將工件裝夾到工裝上，并調(diào)用相應(yīng)的加工程序進(jìn)行加工。隨著自動(dòng)線的引入，這種依賴人工目視確認(rèn)的方式已無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)與確認(rèn)，以確保工件與工裝定位面的貼合狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)信息反饋交互功能。如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)這一自動(dòng)檢測(cè)與反饋系統(tǒng)，成為我們當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 解決方案

1.1 設(shè)計(jì)氣密檢測(cè)工裝

為解決機(jī)器人機(jī)械手將工件放入夾具時(shí)工件放置位置正確性的檢測(cè)難題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套氣密檢測(cè)工裝。該工裝通過(guò)集成氣體壓力傳感器（ 如圖1 所示） 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件與夾具之間密封性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。氣體壓力傳感器能夠捕捉氣密檢測(cè)過(guò)程中氣體壓力的變化，這一變化程度即靈敏度［2］，是評(píng)估密封性的關(guān)鍵指標(biāo)。靈敏度值越高則變化越劇烈，密封性越差［3］。通過(guò)氣體壓力傳感器采集的靈敏度值與氣體壓力傳感器設(shè)置的靈敏度值進(jìn)行比較，若采集靈敏度值高于設(shè)定值，機(jī)床報(bào)警。若采集靈敏度值低于設(shè)定值則程序正常運(yùn)行。

靈敏度是一種衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)對(duì)輸入變化的敏感程度［4］。這一指標(biāo)能夠直接指示系統(tǒng)對(duì)外界變化的響應(yīng)快慢和程度，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制和優(yōu)化的重要依據(jù)。靈敏度計(jì)算是建立在輸入變量和輸出變量之間函數(shù)關(guān)系基礎(chǔ)上的［5］。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，靈敏度是指輸入變量發(fā)生微小變化時(shí)，輸出變量相應(yīng)變化的程度，具體表現(xiàn)為輸出變化量與輸入變化量的比值。靈敏度計(jì)算公式通常表述為：

S=（ △Y / △X ）×（Y /X ）

其中，S——表示靈敏度；

△Y——表示輸出變量的變化量；

△X ——表示輸入變量的變化量；

Y——表示輸出變量；

X ——表示輸入變量；

通過(guò)PLC 進(jìn)行電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，我們能夠準(zhǔn)確地發(fā)出氣密檢測(cè)的識(shí)別信號(hào)。具體如下：

氣密檢測(cè)通過(guò)時(shí)PLC 信號(hào)為：“1003=1”；

氣密檢測(cè)不通過(guò)PLC 信號(hào)為：“1003 =0 ”。

1.2 PLC 設(shè)計(jì)

通過(guò)設(shè)備系統(tǒng)PLC 設(shè)計(jì)，將接收到的氣密性檢測(cè)信號(hào)分為2 種（ 如圖2）：接收到氣密檢測(cè)信號(hào)為#1003=1 時(shí)，機(jī)床“氣密檢測(cè)通過(guò)”上電，程序繼續(xù)運(yùn)行；#1003=0 時(shí)，機(jī)床“氣密檢測(cè)不通過(guò)”上電，機(jī)床報(bào)警。加工人在操作面板上復(fù)位機(jī)床程序，確認(rèn)工裝定位面與工件定位面之間是否有鐵屑或雜物，若存在鐵屑和雜物，清理后重新運(yùn)行程。

邏輯過(guò)程：#1003 信號(hào)為單一信號(hào)，每次被識(shí)別時(shí)其值唯一確定，即#1003=1 或#1003=0。當(dāng)系統(tǒng)判定#1003=1 時(shí)，表示氣密檢測(cè)通過(guò)，此時(shí)機(jī)床將繼續(xù)進(jìn)行加工操作。相反，如果系統(tǒng)判定#1003=0，則表示氣密檢測(cè)未通過(guò)，機(jī)床將立即停止加工，并觸發(fā)報(bào)警機(jī)制。通過(guò)這樣的邏輯控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)差速器殼體進(jìn)行自動(dòng)批量加工的功能，有效解決了自動(dòng)化連續(xù)加工過(guò)程中可能遇到的氣密性檢測(cè)問(wèn)題。

1.3 邏輯編程

將機(jī)床信號(hào)判斷寫(xiě)入M 代碼中，通過(guò)程序運(yùn)行對(duì)M 代碼中的信號(hào)進(jìn)行判斷。若判斷通過(guò)時(shí)，則繼續(xù)加工；如若判斷未通過(guò)，則停止機(jī)械加工，機(jī)床報(bào)警。

1.4 工裝設(shè)計(jì)

加工工裝采用了氣密檢測(cè)的方式來(lái)驗(yàn)證殼體與工裝結(jié)構(gòu)之間的貼合性，這是為了確保在氣密檢測(cè)過(guò)程中，在達(dá)到0.2MPa 的壓力條件下，殼體與工裝之間能夠緊密無(wú)隙，從而避免漏氣現(xiàn)象，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)［6］的準(zhǔn)確性和可靠性。針對(duì)自動(dòng)化立式加工中心自動(dòng)化生產(chǎn)流程中的核心工裝，我們采用了如圖3所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

支撐塊與底座間的密封采用了標(biāo)準(zhǔn)的O 形圈來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種密封方式通過(guò)底座上專門設(shè)計(jì)的槽來(lái)固定O 形圈［7］，確保了密封的穩(wěn)固性。從設(shè)計(jì)原理上來(lái)看，這種方案是可行的，并且在實(shí)際使用中表現(xiàn)理想。在使用過(guò)程中，O 形圈彈性變形良好，密封效果穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)幾百件以上的氣密檢測(cè)使用后，有效地提升了生產(chǎn)節(jié)拍，設(shè)計(jì)工作相當(dāng)成功。圖4 直觀地展示了這一設(shè)計(jì)方案的實(shí)施情況。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 驗(yàn)證過(guò)程

本次試驗(yàn)采用控制變量法，對(duì)工裝的氣密性進(jìn)行了嚴(yán)格的檢測(cè)。試驗(yàn)過(guò)程中，使用塞尺模擬鐵屑，并將其放置于工件與該氣密性檢測(cè)裝夾到位工裝的定位面之間，輸入0.2 MPa 的工業(yè)氣體，以檢測(cè)工裝在承受此壓力下的密封性能。為了準(zhǔn)確評(píng)估工裝的密封效果，我們對(duì)氣體壓力傳感器的靈敏度值進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1 所示。

2.2 驗(yàn)證結(jié)論

該工裝用控制變量法對(duì)該氣密性檢測(cè)裝夾到位工裝進(jìn)行了氣密性試驗(yàn)檢測(cè)。試驗(yàn)過(guò)程中，使用了厚度為0.1 mm 的塞尺來(lái)模擬實(shí)際加工中可能產(chǎn)生的0.1 mm 厚鐵屑，以此進(jìn)行氣密性檢測(cè)試驗(yàn)。驗(yàn)證結(jié)果顯示，氣體壓力傳感器的靈敏度數(shù)值穩(wěn)定地保持在52～ 56 范圍內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)實(shí)工作需求，我們要求定位面與氣密性檢測(cè)裝夾到位工裝之間的間隙≤ 0.1 mm。為了確保這一要求的實(shí)現(xiàn)，我們將靈敏度設(shè)定為50，確保在放置過(guò)程中定位面與氣密性檢測(cè)裝夾到位工裝間隙≤ 0.1 mm。

3 效果

該成果成功突破了自動(dòng)線上自動(dòng)確認(rèn)加工的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同產(chǎn)品的自動(dòng)化檢測(cè)與加工，為“自動(dòng)識(shí)別工件裝夾是否到位”的問(wèn)題提供了一種創(chuàng)新且有效的解決思路。成果的應(yīng)用極大地減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，將他們從煩瑣的目視識(shí)別裝夾工作中解放出來(lái)，推動(dòng)了該殼體生產(chǎn)線的全面自動(dòng)化。自成果應(yīng)用以來(lái)，由于識(shí)別錯(cuò)誤導(dǎo)致的撞機(jī)事故及因此造成的加工廢品發(fā)生率已降至“0”，顯著提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

該工裝成功解決了殼體件在大批量自動(dòng)化生產(chǎn)中的檢測(cè)到位需求，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，使用與維護(hù)成本低廉，能夠覆蓋本類產(chǎn)品的所有殼體件加工需求。在調(diào)試過(guò)程中，采用了控制變量法，對(duì)實(shí)驗(yàn)的輸入條件進(jìn)行了遞增變更，并對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行了細(xì)致的統(tǒng)計(jì)與分析，最終根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果選取了最優(yōu)參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。這一工裝充分滿足了殼體件在自動(dòng)化生產(chǎn)中的使用需求。該工裝的使用原理對(duì)于未來(lái)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中遇到的自動(dòng)化生產(chǎn)放置到位檢測(cè)需求及自動(dòng)檢測(cè)反饋問(wèn)題具有重要的參考價(jià)值。經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)中的批量加工驗(yàn)證，該成果已被證明是自動(dòng)化領(lǐng)域中確認(rèn)工件裝夾到位的一個(gè)優(yōu)秀參考案例，可持續(xù)應(yīng)用于各類機(jī)械行業(yè)的自動(dòng)化加工過(guò)程中，為工件裝夾到位的自動(dòng)識(shí)別提供有力支持。

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