□ 許桂云 □李園奇 □楊 陽 □柳光利

重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 重慶 402760

1 設(shè)計(jì)背景

根據(jù)聯(lián)合國預(yù)測,21世紀(jì)上半葉是我國人口老齡化快速發(fā)展的時(shí)期。到2050年,60歲及以上老年人的比重將達(dá)到31.1%,快速的人口老齡化將對我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響[1]。廉價(jià)勞動力的數(shù)量紅利開始消失,機(jī)器代替人成為現(xiàn)實(shí)考量,“中國制造2025”實(shí)際上是推進(jìn)“中國制造”的轉(zhuǎn)型升級?？梢灶A(yù)見,在今后的制造企業(yè)中,流水線上普通勞動力會越來越少,并且被先進(jìn)的智能機(jī)器所代替。

重慶是我國中西部地區(qū)的老工業(yè)基地,產(chǎn)業(yè)體系完備,但是由于歷史原因及區(qū)域生產(chǎn)發(fā)展不平衡等因素的影響,重慶部分企業(yè)中一些老式生產(chǎn)設(shè)備的自動化程度不高,制約著企業(yè)的發(fā)展。這其中,某企業(yè)的陰極電泳涂漆生產(chǎn)線存在由人工進(jìn)行裝盤作業(yè),生產(chǎn)效率低,難以滿足生產(chǎn)要求等問題。相比重新研發(fā)或購置自動化生產(chǎn)線,實(shí)施舊生產(chǎn)線技術(shù)改進(jìn)較為節(jié)約成本,因此,該企業(yè)采用招投標(biāo)方式選擇單位進(jìn)行舊生產(chǎn)線技術(shù)改進(jìn)。國內(nèi)多家科技企業(yè)參與投標(biāo),但歷經(jīng)2 a多仍未能解決關(guān)鍵技術(shù)問題。對此,筆者設(shè)計(jì)了陰極電泳涂漆生產(chǎn)線自動裝板機(jī),獲得了該企業(yè)工藝部門的認(rèn)可。

2 電泳涂漆工藝

電泳涂漆技術(shù)發(fā)明于20世紀(jì)30年代。福特公司于1961年建立了第一個(gè)用于涂裝車輪的陽極電泳槽,于1963年成功將陰極電泳涂漆技術(shù)應(yīng)用于汽車車身涂裝。發(fā)展至今,電泳涂漆已成為最主流的涂裝方式之一。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中,電泳涂漆具有效率高、可靠性佳、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),獲得了國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的認(rèn)可,得到普遍應(yīng)用[2-3]。

電泳涂漆工藝流程包括前處理、電泳、后沖洗、烘干。其中,前處理流程主要包括預(yù)脫脂、脫脂、水洗、表調(diào)、磷化、水洗、鈍化、純水洗等環(huán)節(jié)。電泳涂漆的原理為,以水溶性涂料溶劑為介質(zhì),將經(jīng)過前處理的工件浸入電沉積槽中,通電后使工件內(nèi)外表面被泳涂;待所有表面涂覆完畢后,將工件從電沉積槽中取出,進(jìn)行后沖洗,再通過烘烤實(shí)現(xiàn)固化漆膜[4]。

3 陰極電泳涂漆生產(chǎn)線現(xiàn)狀

某企業(yè)的陰極電泳涂漆生產(chǎn)線采用半機(jī)械化作業(yè),經(jīng)前序工藝處理后的無序散裝工件放置在塑料筐中,由人工運(yùn)至電泳涂漆生產(chǎn)線,再由人工插入托盤。陰極電泳涂漆生產(chǎn)線現(xiàn)場照片如圖1所示。每條生產(chǎn)線至少需要六位裝盤工人、三位搬運(yùn)協(xié)助人員,工人站立在工位上從塑料筐中抓取工件進(jìn)行裝盤作業(yè),不僅勞動強(qiáng)度大,而且效率較低?？梢?，陰極電泳涂漆生產(chǎn)線傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已無法滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求。對此,筆者所在院校技術(shù)人員多次進(jìn)行實(shí)地考察,與企業(yè)一同商討解決方案,制訂技術(shù)改進(jìn)實(shí)施計(jì)劃。

▲圖1 陰極電泳涂漆生產(chǎn)線現(xiàn)場照片

4 自動裝板機(jī)設(shè)計(jì)概述

4.1 技術(shù)路線

筆者所在院校技術(shù)人員多次前往企業(yè)實(shí)地考察,與企業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人及現(xiàn)場工作人員進(jìn)行溝通,確定了陰極電泳涂漆生產(chǎn)線自動裝板機(jī)的技術(shù)路線。具體技術(shù)路線為:虛擬樣機(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)開發(fā)、運(yùn)動仿真與計(jì)算機(jī)輔助工程分析、制造信息數(shù)據(jù)整理分析、虛擬樣機(jī)三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型優(yōu)化、零部件加工、實(shí)物樣機(jī)組裝、樣機(jī)性能測試、試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析、虛擬樣機(jī)三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型再優(yōu)化、部分零部件改進(jìn)加工、成熟樣機(jī)組裝。

4.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

所設(shè)計(jì)的陰極電泳涂漆生產(chǎn)線自動裝板機(jī)是電泳涂漆生產(chǎn)線上的專用設(shè)備,用于對無序散裝工件實(shí)現(xiàn)快速識別、自動分選、順向和裝盤。這一自動裝板機(jī)應(yīng)用機(jī)電一體化控制技術(shù),用自動化作業(yè)取代多人手工操作,以滿足電泳涂漆生產(chǎn)線的工藝質(zhì)量要求,并提高生產(chǎn)效率[5-6]。

工藝效率要求為在18 s的生產(chǎn)線步進(jìn)間隙時(shí)間內(nèi)將104個(gè)工件裝到運(yùn)行中的涂漆托盤上,受特殊生產(chǎn)環(huán)境限制,要求自動裝板機(jī)體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊。根據(jù)技術(shù)路線,應(yīng)用CAXA、Unigraphics NX 等三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行虛擬樣機(jī)開發(fā),然后對所設(shè)計(jì)出的虛擬樣機(jī)進(jìn)行裝配和運(yùn)動仿真,以檢查構(gòu)件是否發(fā)生干涉。同時(shí)對重要構(gòu)件進(jìn)行受力分析和載荷計(jì)算機(jī)輔助工程分析,以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后制作樣機(jī),并進(jìn)行現(xiàn)場測試。所設(shè)計(jì)的陰極電泳涂漆生產(chǎn)線自動裝板機(jī)流水線如圖2所示。

▲圖2 陰極電泳涂漆生產(chǎn)線自動裝板機(jī)流水線

4.3 工件自動順向排序裝置

經(jīng)前序工藝處理后的工件散亂無序,且形狀特殊,對工件進(jìn)行高速識別、順向排序的難度很大。通過研究,確定應(yīng)用重力原理,設(shè)計(jì)工件自動順向排序裝置,如圖3所示。這一裝置相比通過圖像識別、電氣控制實(shí)現(xiàn)順向,大大提高了順向準(zhǔn)確率和效率,并且成本較低,可靠性高。

▲圖3 工件自動順向排序裝置

工件自動順向排序裝置的主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)長度略大于工件長度的楔形槽,利用工件頭小尾大的錐形特征,以及工件頭部尾部重力不同的特性,通過重力作用自然使工件形成頭部在下、尾部在上的豎直狀態(tài),達(dá)到自動順向排序的目的。

4.4 工件對中裝置

工件順向排序后,整齊插入過渡盤。為了保證工件實(shí)現(xiàn)豎直對中,設(shè)計(jì)了工件對中裝置,如圖4所示。在過渡盤中設(shè)計(jì)一個(gè)工件自定心模塊,在對中孔中設(shè)置一個(gè)錐度楔爪機(jī)構(gòu),依靠工件自身的重力和過渡盤的運(yùn)動,保證單排13個(gè)工件順向排序后,始終豎直、準(zhǔn)確地插入過渡盤的定位樁,并能夠在過渡盤中依靠自身重力自動楔緊。八排工件全部裝滿后,一同運(yùn)輸至涂漆托盤上部,104個(gè)工件整體插裝至涂漆托盤的定位樁上。

▲圖4 工件對中裝置

在工件對中裝置中,錐度楔爪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)關(guān)系到工件的對中精度。錐度楔爪機(jī)構(gòu)夾持住工件后,工件允許的最大偏轉(zhuǎn)角度是衡量對中精度的重要參數(shù),因此對錐度楔爪機(jī)構(gòu)的制造和安裝精度進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,以保證工件偏轉(zhuǎn)角度在-3°～3°范圍內(nèi),進(jìn)而確保工件的對中精度[7-8]。

4.5 樣機(jī)試驗(yàn)

對所設(shè)計(jì)的陰極電泳涂漆生產(chǎn)線自動裝板機(jī)部件進(jìn)行虛擬裝配、運(yùn)動仿真和計(jì)算機(jī)輔助工程分析,并根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,制作樣機(jī),進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)檢測。陰極電泳涂漆生產(chǎn)線自動裝板機(jī)虛擬樣機(jī)如圖5所示,工件裝盤情況如圖6所示。

▲圖5 陰極電泳涂漆生產(chǎn)線自動裝板機(jī)虛擬樣機(jī)

自動裝板機(jī)樣機(jī)能對前序工藝處理后無序散裝的工件進(jìn)行快速識別、自動分選、自動順向,順向后的工件按每排13個(gè)的要求整齊排列,然后插入過渡盤。過渡盤通過逐排遞進(jìn)的方式將八排104個(gè)工件一起插裝

▲圖6 陰極電泳涂漆生產(chǎn)線自動裝板機(jī)工件裝盤情況

至涂漆托盤,順向、排列、定位有序進(jìn)行,陰極電泳涂漆生產(chǎn)線的準(zhǔn)確率和生產(chǎn)效率顯著提高。

自動裝板機(jī)樣機(jī)可在18 s內(nèi)將104個(gè)工件準(zhǔn)確無誤地插裝至陰極電泳涂漆生產(chǎn)線循環(huán)前進(jìn)的涂漆托盤定位樁上,工作效率是人工的20倍。

5 結(jié)束語

陰極電泳涂漆生產(chǎn)線自動裝板機(jī)已完成模型設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程仿真分析、虛擬樣機(jī)裝配、樣機(jī)制作及測試,獲得了企業(yè)工藝部門的認(rèn)可。設(shè)計(jì)中涉及知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的部分已申報(bào)了國家專利,包括發(fā)明專利授權(quán)兩項(xiàng)、實(shí)用新型專利授權(quán)五項(xiàng)、外觀專利授權(quán)一項(xiàng)。后續(xù)將進(jìn)行樣機(jī)與生產(chǎn)線的配套測試等工作,確保按期交付,為企業(yè)解決技術(shù)難題。