張 勇 張守健

（1.東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110167；2.沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110169）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷發(fā)展，以機(jī)器人為代表的自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)正廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、冶金、化工以及制造等行業(yè)，機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用不僅可以提升生產(chǎn)效率，而且還可以降低生產(chǎn)成本、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。而在作為國(guó)之重器的核工業(yè)，自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)更是擁有廣闊的應(yīng)用前景。該文以一個(gè)燃料組件自動(dòng)化生產(chǎn)線為例，論述移載機(jī)器人在組件自動(dòng)化生產(chǎn)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 組件自動(dòng)化生產(chǎn)工藝流程分析

組件生產(chǎn)的工藝流程大體可以分為單棒預(yù)制、集束、組裝、焊接以及檢測(cè)等工序；前序預(yù)制好的單棒經(jīng)輸送機(jī)被運(yùn)送至集束工作站；在集束工作站中，按照一定的截面形狀對(duì)單棒進(jìn)行集合排列，形成棒束，隨后將其運(yùn)送至組裝工作站；在組裝工作站中，棒束與六角管進(jìn)行穿管裝配，隨后被運(yùn)送至焊接工作站進(jìn)行焊接，再將焊接好的組件送至檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。

為了兼顧不同品類(lèi)組件工藝流程的要求以及實(shí)際場(chǎng)地的限制，組件的各個(gè)部件在工序流轉(zhuǎn)過(guò)程中往往需要進(jìn)行較大范圍的移動(dòng)。如圖1所示，按照上述的工藝流程，物料由1流轉(zhuǎn)至2，并與來(lái)自5的物料進(jìn)行組裝后移動(dòng)至4，經(jīng)由3焊接完成后成為組件流轉(zhuǎn)至6，在運(yùn)送至下一序進(jìn)行檢測(cè)。因此，該文提出了一種大范圍移載機(jī)器人以及組件抓手的設(shè)計(jì)，以滿足組件在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的移載搬運(yùn)要求。

圖1 組件自動(dòng)生產(chǎn)工藝布局（簡(jiǎn)圖）

2 移載機(jī)器人設(shè)計(jì)

由于物料在不同工作站的移動(dòng)既有在X方向的運(yùn)動(dòng)，也有在Y方向的運(yùn)動(dòng)，且不同工作站夾具的定位高度不同，因此將移載機(jī)器人設(shè)計(jì)為三軸龍門(mén)式，如圖2所示，立柱橫跨于生產(chǎn)線兩側(cè)，在立柱上布置縱梁，采用1根橫梁連接兩側(cè)縱梁，橫梁可以沿X方向運(yùn)動(dòng)，在橫梁上設(shè)有載板，在載板上布置1根豎梁，載板可沿橫梁的Y方向運(yùn)動(dòng)，豎梁沿載板的Z方向運(yùn)動(dòng)，如此，形成了一個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍覆蓋整個(gè)組件生產(chǎn)線的移載機(jī)器人。如圖3所示，橫梁、縱梁以及豎梁均采用不同規(guī)格的方鋼管焊接而成，其上安裝有矩形導(dǎo)軌，對(duì)應(yīng)載板上裝有滾輪，橫梁可以沿導(dǎo)軌方向進(jìn)行移動(dòng)，三軸均采用齒輪齒條傳動(dòng)，并采用伺服電機(jī)和減速機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

圖2 組件移載機(jī)器人工作范圍

圖3 組件移載機(jī)器人三軸結(jié)構(gòu)

與Y軸、Z軸略有不同的是，由于X軸驅(qū)動(dòng)是將橫梁跨于生產(chǎn)線兩側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪也位于橫梁兩端，因此為了使橫梁兩端都產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)節(jié)省成本，在X軸采用了將電機(jī)布置在中間，兩側(cè)使用傳動(dòng)軸傳遞扭矩的方式。如圖4所示，伺服電機(jī)與T型雙出減速機(jī)相連，在減速機(jī)輸出端通過(guò)聯(lián)軸器連接驅(qū)動(dòng)軸；該驅(qū)動(dòng)軸的另一端為法蘭形式，使用1根傳動(dòng)軸，兩側(cè)安裝法蘭，分別與驅(qū)動(dòng)軸和轉(zhuǎn)接軸對(duì)接相連，轉(zhuǎn)接軸通過(guò)連軸器與芯軸相連，芯軸上安裝齒輪，通過(guò)與齒條嚙合將動(dòng)力傳遞出去，使橫梁移動(dòng)；由于傳動(dòng)軸較長(zhǎng)，因此在兩側(cè)各設(shè)有1個(gè)支撐軸承座來(lái)對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行支撐，以保證傳動(dòng)軸處于水平狀態(tài)[1]。

圖4 組件移載機(jī)器人X軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

3 組件夾手設(shè)計(jì)

組件夾手的設(shè)計(jì)如圖5所示，組件夾手由夾手主體、導(dǎo)軌滑塊、連接板、左右旋絲杠、電機(jī)、氣爪、手指以及定位檢測(cè)機(jī)構(gòu)等組成。由于組件尺寸較長(zhǎng)（成品長(zhǎng)度超過(guò)4 m），因此為了加持穩(wěn)定，需要增大夾手兩端夾持點(diǎn)的間距；同時(shí)，在夾手上布置導(dǎo)軌滑塊，使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)左、右旋絲杠調(diào)整夾手的間距；在夾手主體上設(shè)置接近傳感器，并在夾手連接板上設(shè)置金屬感應(yīng)擋片，當(dāng)傳感器檢測(cè)到金屬擋片時(shí)，反饋信號(hào)使電機(jī)停止，夾手所在位置即為所需要的間距位置?？梢愿鶕?jù)不同夾持間距的需要對(duì)傳感器的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于某些在中間工序需要移載的部件，它的可抓取位置相對(duì)于工件來(lái)說(shuō)并不是對(duì)稱(chēng)的，為了滿足在上下序取放時(shí)不與加工設(shè)備互相干涉的要求，在中間也設(shè)置了1個(gè)夾手，方便在該工況下使用一側(cè)的2個(gè)夾手進(jìn)行夾持。

圖5 組件移載機(jī)器人夾手R1結(jié)構(gòu)及組成

夾手的夾持采用氣爪作為執(zhí)行元件，在氣爪下方安裝夾持手指，材質(zhì)為Q235B，2個(gè)夾持手指閉合時(shí)中間的形狀為六邊形，可以適應(yīng)組件及部件外形的外形尺寸，手指與組件相接觸的部分采用非金屬聚甲醛材質(zhì)，可以保護(hù)組件及部件外表面不被刮傷。在中間夾手的附近設(shè)置工件檢測(cè)裝置，用于在抓取前檢測(cè)工件是否存在，當(dāng)設(shè)備上有組件時(shí)，檢測(cè)裝置被壓起，檢測(cè)桿觸發(fā)接近傳感器，反饋工件存在，執(zhí)行下一步抓取動(dòng)作。

4 夾持力校核計(jì)算

在生產(chǎn)線所涉及的組件中，最重的為200 kg，因此取最大m=200 kg帶入計(jì)算，因?yàn)榻M件外形為六邊形，所以?shī)A取方式剛好為菱形夾取[2]，由公式（1）可以計(jì)算出氣爪的夾持力。

式中：F為氣爪夾持力；m為工件重量；a為移載機(jī)器人Z軸加速度；α為氣爪夾持角度，菱形抓取α=120°；S為安全系數(shù)，S=2。

由計(jì)算得知，抓取組件所需要的最大抓取力為7134.2 N，折合每個(gè)氣爪需要出力7134.2/3=2378 N，而所選取的ZIMMER GH6460-B氣爪在6 bar時(shí)抓取力為3000 N＞2378 N，因此滿足相關(guān)要求。

5 生產(chǎn)中多品種工件的移載

由于組件的生產(chǎn)屬于多品種、小批量的生產(chǎn)，且每一個(gè)品種所組成的部件在外形、結(jié)構(gòu)和尺寸上也不盡相同，因此使用單一夾手變換抓取間距的方式已經(jīng)不能滿足多數(shù)部件的拾取要求。為使生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行，減少換產(chǎn)頻率，在實(shí)際使用中，采用了若干個(gè)夾手，對(duì)應(yīng)不同工件的拾取，并利用機(jī)器人工具快換裝置進(jìn)行不同夾手之間的快速、自動(dòng)更換[3]。

組件移載機(jī)器人上的工具快換裝置采用一對(duì)多的形式，即在移載機(jī)器人的Z軸末端設(shè)置夾手快換盤(pán)（機(jī)器人側(cè)），如圖6所示，在若干個(gè)針對(duì)不同工件拾取的夾手上設(shè)置夾手快換盤(pán)（工具側(cè)），如圖7所示，當(dāng)兩側(cè)的快換盤(pán)結(jié)合時(shí)，可以使電源、氣體以及I/O信號(hào)等從機(jī)器人連通到末端夾手。

圖6 組件移載機(jī)器人夾手快換盤(pán)（機(jī)器人側(cè)）

圖7 組件移載機(jī)器人夾手快換盤(pán)（工具側(cè)）

表1以2種組件為例，列舉了移載機(jī)器人在生產(chǎn)中的工作內(nèi)容以及對(duì)應(yīng)的交互設(shè)備，從表1中可以看出，通過(guò)使用總計(jì)4個(gè)不同結(jié)構(gòu)的組件夾手（R1～R4），可以覆蓋項(xiàng)目?jī)?nèi)不同品種的組件以及滿足其部件的生產(chǎn)需要，大大提升了生產(chǎn)線的柔性。

表1 組件移載機(jī)器人工作內(nèi)容

6 生產(chǎn)中工件的跌落保護(hù)

組件本身附加值較高、造價(jià)昂貴，生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)中如果發(fā)生意外導(dǎo)致組件掉落損壞，就會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，移載機(jī)器人為應(yīng)對(duì)生產(chǎn)中的突發(fā)狀況，應(yīng)該具備在意外斷氣和斷電條件下的保護(hù)功能：1） 夾手對(duì)組件的保護(hù)功能。首先在夾手氣動(dòng)夾持的氣路中，采用三位五通中卸閥配合氣控單向閥對(duì)氣路進(jìn)行封閉[4]，不會(huì)出現(xiàn)因氣缸活塞縮回而導(dǎo)致工件掉落的情況；其次，在夾手上增加彈簧夾緊器（如圖8所示），夾緊器可以在斷電或斷氣時(shí)利用彈簧力將當(dāng)前位置鎖死[5]，并且由于2個(gè)夾手手指組合形成六邊形結(jié)構(gòu)，因此可以在這時(shí)拖住組件使其不會(huì)掉落。夾手部分的氣動(dòng)原理如圖9所示。2）Z軸部分對(duì)組件的保護(hù)功能。首先，移載機(jī)器人的Z軸伺服電機(jī)具有抱閘，如果斷電，抱閘會(huì)立即打開(kāi)鎖住齒輪齒條，使Z軸不會(huì)下落，同時(shí)還在橫梁載板上設(shè)置了1個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)軌鎖，如圖10所示；當(dāng)斷電或斷氣時(shí)，可以固定Z軸與載板的相對(duì)位置，避免Z軸滑落，該結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了當(dāng)Z軸齒輪損壞或與齒條脫開(kāi)時(shí)，電機(jī)抱閘不能防止Z軸下落的情況。Z軸的抱死保證了整個(gè)提升系統(tǒng)不會(huì)意外跌落，同時(shí)也保障了組件的安全。

圖8 工件防跌落夾緊器

圖9 夾手氣動(dòng)原理圖

圖10 Z軸導(dǎo)軌鎖

7 結(jié)語(yǔ)

采用自動(dòng)化組裝焊接組件是核元件生產(chǎn)形式的一次大膽嘗試，組件工序間的自動(dòng)化流轉(zhuǎn)也是移載機(jī)器人在該行業(yè)的一次成功應(yīng)用。

該文分析了組件自動(dòng)化生產(chǎn)中的工藝特點(diǎn)，針對(duì)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種大范圍移載機(jī)器人及其末端夾手，解決了組件在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的成品組件與部件的移載搬運(yùn)問(wèn)題。

對(duì)于組件移載搬運(yùn)過(guò)程中對(duì)可靠性和安全性的要求，移載機(jī)器人在夾手和Z軸擁有多重保護(hù)，確保即使車(chē)間內(nèi)資源供給發(fā)生意外故障，也不會(huì)造成組件損壞，解決了在采用自動(dòng)化生產(chǎn)方式下組件的安全問(wèn)題。

目前該項(xiàng)目在內(nèi)蒙古某核燃料元件公司已經(jīng)調(diào)試驗(yàn)收完成并上線運(yùn)行，期待自動(dòng)化的生產(chǎn)方式能夠在該領(lǐng)域中不斷推廣。