金美華,王曉勇,楊新春,王金瀟

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

1 基本需求

根據(jù)汽車生產(chǎn)線的基本構(gòu)造和實(shí)際要求，分析汽車組裝及焊接生產(chǎn)工藝，可知五面體系統(tǒng)需滿足以下需求[1]：汽車分裝焊接塊裝夾；機(jī)器人焊接控制；焊接裝夾的裝配工序與工藝流程控制；機(jī)器人數(shù)量與動(dòng)作節(jié)拍協(xié)調(diào)；干涉區(qū)的規(guī)避；五面體夾具的旋轉(zhuǎn)控制與穩(wěn)定性保持等。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理

為克服原有夾具庫(kù)的夾具更換節(jié)拍慢、動(dòng)作繁瑣的不足[2]，本文設(shè)計(jì)了一種新型M30汽車組合夾具，其結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)臺(tái)、五面體結(jié)構(gòu)和夾具等組成，通過(guò)底部的大轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)五面體切換到各個(gè)面的精準(zhǔn)位置，以便于根據(jù)車型切換夾具或進(jìn)行后續(xù)的機(jī)器人焊接加工。

2.1 夾具的組成

1)轉(zhuǎn)臺(tái)。轉(zhuǎn)臺(tái)是位于夾具最底層的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于控制五面體的轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)尺寸精度為2.5mm，在轉(zhuǎn)臺(tái)底部安裝有固定銷，以固定轉(zhuǎn)臺(tái)位置，保證加工時(shí)焊接的定位精度。

2)五面體。五面體上有5個(gè)夾具置換位，用來(lái)放置夾具或者機(jī)械抓手，以滿足多種工序同時(shí)進(jìn)行的需求,如機(jī)器人抓取和焊槍焊接時(shí)，機(jī)械手首先抓取工件放置在夾具的置換位上，然后自動(dòng)更換焊槍完成焊接。五面體夾具庫(kù)的每個(gè)置換位上有一個(gè)快插模塊，用來(lái)給夾具傳遞通訊信號(hào)和氣源動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)夾具的自動(dòng)化。

3)夾具。用于固定汽車板件，輔助焊接工作的完成，并確保焊接時(shí)的準(zhǔn)確性[3]。

2.2 工作原理

系統(tǒng)通過(guò)可編程邏輯控制器(PLC)設(shè)定好汽車型號(hào)后，由特定傳感器檢測(cè)汽車板件到位，反饋信號(hào)給PLC，以判定汽車板件與選用車型的一致性；五面體旋轉(zhuǎn)到工作面進(jìn)行工作準(zhǔn)備，機(jī)器人抓取工件放置到加工位，切換抓手更換焊接槍，完成后反饋信號(hào)給夾具，夾具夾緊，即可進(jìn)行焊接。

五面體可以旋轉(zhuǎn)到不同的工作位置，按照上述過(guò)程，循環(huán)工作，同時(shí)滿足多工位的焊接需要[4]。

通常，生產(chǎn)線上會(huì)同時(shí)安裝兩套同款車型的夾具，分裝在轉(zhuǎn)臺(tái)左、右兩端，轉(zhuǎn)臺(tái)一端是機(jī)器人上件，另一端是機(jī)器人焊接，當(dāng)兩端同時(shí)完成工作后，轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，完成上件、焊接，交替循環(huán)作業(yè)[5]。

圖1為五面體轉(zhuǎn)臺(tái)夾具分布示意圖，可根據(jù)需求自動(dòng)完成各種組合工作，五面體夾具分為A、B、C、D、E 5個(gè)夾具庫(kù)，可進(jìn)行夾具的裝夾和工具的更換，實(shí)現(xiàn)車型的一鍵更換和工作面的一鍵切換。

圖1 五面體轉(zhuǎn)臺(tái)夾具分布示意圖

3 氣動(dòng)系統(tǒng)

五面體系統(tǒng)的夾具更換由氣動(dòng)控制系統(tǒng)完成，圖2是夾具加工氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖。通常，系統(tǒng)通過(guò)以下動(dòng)作完成工件的裝夾：首先定位銷開(kāi)銷，然后夾具張合完成工件的更換和夾緊，最后定位銷退出，夾緊的氣缸縮回。

4 PLC控制系統(tǒng)

4.1 PLC硬件組態(tài)

本文的PLC選擇S7-300的317FCPU和MPI/DP總線。首先打開(kāi)S7-300站點(diǎn)，插入BACK-300底板、PS-300電源和317FCPU，然后MPI/DP總線接口選擇Profibus接口。創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)后再插入已選擇的模塊，修改起始地址，最后即可創(chuàng)建硬件組態(tài)，如圖3所示。

圖2 夾具加工的氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

圖3 硬件組態(tài)圖

4.2 STEP7管理器的I/O分配

S7-300 PLC采用STEP7編程軟件編程和仿真，設(shè)置的部分IN分配表見(jiàn)表1，OUT分配表見(jiàn)表2。

表1 部分IN分配表

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的新型五面體夾具實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線庫(kù)區(qū)的自動(dòng)化、動(dòng)作的連貫化和整體化，夾具與夾具之間的更換可自動(dòng)完成。通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)與組合夾具的協(xié)同動(dòng)作，優(yōu)化了工作過(guò)程，克服了原有夾具庫(kù)夾具更換節(jié)拍慢、動(dòng)作繁瑣的不足，有效提高了生產(chǎn)線的工作效率。

表2 部分OUT分配表