鄢 飛

(博眾精工科技股份有限公司，蘇州 215200)

0 引 言

新能源汽車(chē)具有無(wú)污染、低噪聲、行駛成本低及節(jié)約能源等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、氫能源汽車(chē)等新能源汽車(chē)代表逐步進(jìn)入普通家庭。新能源汽車(chē)作為今后汽車(chē)發(fā)展的主要方向，需求量不可估量，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)也得到了迅速的發(fā)展。永磁電機(jī)作為新能源汽車(chē)輸出原動(dòng)力之一和關(guān)鍵零部件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、效率高、轉(zhuǎn)速高、輸出扭矩大、尺寸和形狀靈活多樣、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，在航天、國(guó)防、機(jī)器人、交通等各個(gè)領(lǐng)域也都有著廣泛的應(yīng)用。圓螺母及圓螺母止動(dòng)墊圈是轉(zhuǎn)子組件不可缺少的部件，如圖1所示，轉(zhuǎn)子上下層鐵心/磁鋼之間的相互排斥力和轉(zhuǎn)子鐵心厚度的尺寸公差都是依靠圓螺母的鎖緊力來(lái)保證的，止動(dòng)墊圈是以中心軸的卡槽和圓螺母外側(cè)的4個(gè)卡槽為卡點(diǎn)，來(lái)防止圓螺母松動(dòng)，10 000～15 000 r/min的轉(zhuǎn)速下，一旦出現(xiàn)螺母松動(dòng)，其后果是不堪設(shè)想的。

圖1 永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子示意圖

在市場(chǎng)需求巨大的情況下，反觀(guān)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)及各大電機(jī)制造廠(chǎng)家，其同類(lèi)部件的裝配工藝卻依然靠人工手動(dòng)裝配，用普通圓螺母扳手和沖頭來(lái)完成圓螺母的擰緊及圓螺母與止動(dòng)墊圈的對(duì)槽與折彎，人工目測(cè)扭矩扳手上的扭矩值，不僅增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度，效率低，裝配壓力及螺母扭矩?zé)o法保證，相關(guān)數(shù)據(jù)依靠人工記錄，降低了出廠(chǎng)合格率。相關(guān)的創(chuàng)新發(fā)明也還是以圓螺母本身的防松和圓螺母本身的改進(jìn)[2-6]，以及鎖螺母扳手及工具的研發(fā)[7-11]為主導(dǎo)，相關(guān)的專(zhuān)用設(shè)備的研發(fā)屈指可數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的全自動(dòng)化裝配及檢測(cè)，對(duì)接現(xiàn)代化工廠(chǎng)的需要，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率和出廠(chǎng)合格率，本文結(jié)合客戶(hù)的現(xiàn)實(shí)迫切需求，設(shè)計(jì)了一臺(tái)全自動(dòng)圓螺母及圓螺母止動(dòng)墊圈裝配設(shè)備。

1 設(shè)計(jì)原理

圓螺母及圓螺母止動(dòng)墊圈全自動(dòng)裝配設(shè)備設(shè)計(jì)6個(gè)工作位，由環(huán)形線(xiàn)體移栽工裝板完成工裝及產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運(yùn)，工位分配及具體流程如圖2、圖3所示。第一工位為上料工位，由六軸機(jī)器人將“中心軸”由料車(chē)移栽至設(shè)備內(nèi)部“工裝板”后，設(shè)備對(duì)其進(jìn)行裝配到位及傾斜檢測(cè)，檢測(cè)合格后由環(huán)形線(xiàn)體輸送至第二工位“疊壓工位”，六軸機(jī)器人分別夾取“上端板”，“下端板”和“2～6段鐵心”至“疊壓工位”的進(jìn)出工位上料機(jī)構(gòu)上，“疊壓工位”自動(dòng)獨(dú)立喂料，分別將物料疊壓至“中心軸”，并壓裝到位，區(qū)間疊壓時(shí)均有壓力檢測(cè)和高度檢測(cè)；工裝板移動(dòng)至第三工位，由工位上“止動(dòng)墊圈”供料器自動(dòng)完成供料經(jīng)過(guò)自動(dòng)分離后由工位機(jī)械手自動(dòng)完成“圓螺母止動(dòng)墊圈”的安裝；第四工位時(shí)，伺服壓機(jī)精壓轉(zhuǎn)子至規(guī)定壓力，“止動(dòng)墊片定位機(jī)構(gòu)”進(jìn)入夾緊“圓螺母止動(dòng)墊圈”的外部折彎部分，擰盤(pán)自動(dòng)從圓螺母供料器吸取物料后，至裝配位擰入“圓螺母”至初定位置和初定扭矩，切換“相機(jī)”對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)反饋需要校正的角度，重新由擰盤(pán)對(duì)“圓螺母”進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，直到達(dá)到規(guī)定扭矩及槽口對(duì)齊，“相機(jī)”進(jìn)行復(fù)檢，并將角度信號(hào)傳至第五工位；機(jī)構(gòu)壓住轉(zhuǎn)子后，翹刀機(jī)構(gòu)通過(guò)“相機(jī)”的角度信號(hào)，自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)需要翹起的“止動(dòng)墊圈”卡扣邊，翹刀通過(guò)水平運(yùn)動(dòng)及翹刀斜角，使“止動(dòng)墊片”的卡扣卡入“圓螺母”的卡槽內(nèi)，使圓螺母、墊片及中心軸處于相對(duì)扣合的狀態(tài)；完成后的轉(zhuǎn)子通過(guò)第六工位下料。

圖2 圓螺母及圓螺母止動(dòng)墊圈全自動(dòng)裝配線(xiàn)工位示意圖

圖3 圓螺母及圓螺母止動(dòng)墊圈全自動(dòng)裝配流程圖

2 結(jié)構(gòu)分析

圓螺母及圓螺母止動(dòng)墊圈全自動(dòng)裝配設(shè)備是整套轉(zhuǎn)子組件自動(dòng)裝配線(xiàn)的其中一站，由六軸機(jī)器人把”中心軸、鐵心、前端板及后端板”移栽到“中心軸、鐵心及端板裝配工位”壓裝，再由單站設(shè)備內(nèi)部“循環(huán)線(xiàn)體”通過(guò)“工裝板”移栽，在設(shè)備內(nèi)部各個(gè)工位點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)工藝的裝配及檢測(cè)，整套轉(zhuǎn)子組件自動(dòng)裝配線(xiàn)和轉(zhuǎn)子裝配線(xiàn)示意圖如圖4、圖5所示。

圖4 整套轉(zhuǎn)子組件裝配線(xiàn)示意圖

圖5 轉(zhuǎn)子裝配線(xiàn)示意圖

2套倍速鏈線(xiàn)體及2套擺渡機(jī)構(gòu)組成循環(huán)輸送線(xiàn)，如圖6所示。工裝板在該循環(huán)內(nèi)不停循環(huán)運(yùn)載，在倍速鏈下方相應(yīng)的工位，設(shè)計(jì)有頂升、阻擋及托底機(jī)構(gòu)。

圖6 循環(huán)線(xiàn)體示意圖

圓螺母止動(dòng)墊圈裝配工位如圖7所示。人工將圓螺母止動(dòng)墊圈依次排列至止動(dòng)墊圈供料器的載具上；啟動(dòng)后，止動(dòng)墊圈輸送至移栽機(jī)構(gòu)；移栽到位后，由磁鐵微吸將其固定；移栽機(jī)構(gòu)上移后，機(jī)械手移動(dòng)夾取；待裝載轉(zhuǎn)子的工裝板移栽至該工位后，機(jī)械手將其安裝至轉(zhuǎn)子中心軸內(nèi)。

圖7 圓螺母止動(dòng)墊圈裝配工位示意圖

圓螺母裝配流程及工位示意如圖8、圖9所示。工裝板流至該工位，機(jī)構(gòu)檢測(cè)工裝板，自動(dòng)阻擋，并舉升定位和托底；伺服壓機(jī)下行壓住轉(zhuǎn)子，直至壓到預(yù)定的壓力和高度；止動(dòng)墊片定位機(jī)構(gòu)固定住圓螺母止動(dòng)墊片；擰盤(pán)移動(dòng)至圓螺母供料器，吸取圓螺母至擰盤(pán)上，再移動(dòng)至裝配工位；擰盤(pán)下行，自動(dòng)擰入，加載力矩，直至預(yù)設(shè)力矩；擰盤(pán)再次移動(dòng)至圓螺母供料器工位等待，讓視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)入裝配工位，視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)螺母與止動(dòng)墊片槽角度差(圖10)；系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別最近的對(duì)槽角，信號(hào)傳遞給擰盤(pán)和翹刀；擰盤(pán)再次進(jìn)入裝配工位調(diào)整螺絲與止動(dòng)墊片槽角度，直到達(dá)到規(guī)定扭矩且最近槽與止動(dòng)墊片對(duì)齊一致；視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)合格后，如圖11所示，止動(dòng)墊片定位機(jī)構(gòu)松脫，壓機(jī)上行定位機(jī)構(gòu)下落，工裝板流至下一工位。

圖8 圓螺母裝配流程

圖9 圓螺母裝配工位示意圖

圖10 槽偏差

圖11 槽對(duì)齊

自動(dòng)翹圓螺母止動(dòng)墊片裝配流程工位如圖12所示。工裝板流至該工位，機(jī)構(gòu)檢測(cè)工裝板，自動(dòng)阻擋，并舉升定位和托底；機(jī)構(gòu)在接收前面視覺(jué)系統(tǒng)的信號(hào)后，自動(dòng)找到槽口方向，翹刀自動(dòng)旋轉(zhuǎn)360°，對(duì)準(zhǔn)需要翹起的止動(dòng)墊片翹邊；壓機(jī)下行壓住轉(zhuǎn)子，直至壓到預(yù)定的壓力；翹刀進(jìn)刀，利用刀頭斜面使止動(dòng)墊圈止動(dòng)部位翹進(jìn)圓螺母止動(dòng)槽；安裝完畢后，壓機(jī)上行，定位機(jī)構(gòu)下落，裝配完畢。流程圖如圖13所示。

圖12 自動(dòng)翹圓螺母止動(dòng)墊片裝配

圖13 自動(dòng)翹圓螺母止動(dòng)墊片工位示意圖

視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的具體工作過(guò)程如下：將待檢電機(jī)鐵心置于盡可能均勻照明的可控背景前(采用LED普通環(huán)形光源)，智能控制系統(tǒng)給圖象獲取模塊發(fā)出控制信號(hào)，工業(yè)相機(jī)將攝取到的產(chǎn)品俯視圖，經(jīng)過(guò)圖象采集卡把圖象數(shù)據(jù)采集到工控機(jī)內(nèi)存，利用自研開(kāi)發(fā)的鐵心螺母處理與檢測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵心表面螺母檢測(cè)，通過(guò)軟件內(nèi)部算法，計(jì)算出距離缺口最近的墊片位置，視覺(jué)處理后，計(jì)算出該墊片距離最近缺口的角度，將求出的角度發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行完通過(guò)視覺(jué)處理，再次校驗(yàn)是否矯正成功。

在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中，圖象采集卡采集效果、光源打光效果、攝象機(jī)的拍照精度直接影響整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)的檢測(cè)精度，因而視覺(jué)硬件的選型至關(guān)重要。合理選擇視覺(jué)硬件是獲取質(zhì)量好、能清晰反映鐵心表面螺母特征圖象的關(guān)鍵。

目前，在機(jī)器視覺(jué)中，光源系統(tǒng)主要由光源和光學(xué)鏡頭組成，系統(tǒng)采用顯光性強(qiáng)、發(fā)光性強(qiáng)、功耗低、散熱小的LED白色環(huán)形光源作為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所需光源。工業(yè)相機(jī)采用業(yè)內(nèi)有顯著知名度的Balser 200萬(wàn)象素工業(yè)相機(jī)，該相機(jī)具有出色的性?xún)r(jià)比、超小的尺寸、超高的視覺(jué)分辨率、高精度低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足該項(xiàng)目所需的最小精度要求。

視覺(jué)識(shí)別具體流程邏輯如圖14所示。

圖14 視覺(jué)系統(tǒng)工作流程

3 性能測(cè)試(應(yīng)用分析)

該設(shè)備對(duì)應(yīng)的電機(jī)規(guī)格尺寸如表1所示。設(shè)備調(diào)試成功后經(jīng)過(guò)量產(chǎn)測(cè)試、負(fù)重能力測(cè)試、無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間測(cè)試等一系列嚴(yán)格性能檢測(cè)，測(cè)試后性能參數(shù)如表2所示。

表1 設(shè)備適應(yīng)電機(jī)尺寸

表2 設(shè)備性能參數(shù)表

4 結(jié) 語(yǔ)

該設(shè)備相關(guān)專(zhuān)利可詳見(jiàn)：ZL201 920 943 026.8，ZL201 920 942 992.8及ZL201 920 942 980.5，現(xiàn)已投產(chǎn)使用。與傳統(tǒng)裝配相比，自動(dòng)化設(shè)備只需要輔助上料，其他均由設(shè)備自動(dòng)完成，上料頻率為一天一次，效率大大提升，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。在裝配時(shí)，依靠視覺(jué)系統(tǒng)精確定位，檢測(cè)偏差在±0.1°，機(jī)構(gòu)重復(fù)定位精度在±0.03 mm,保證卡槽能夠?qū)R，翹刀能夠一次對(duì)刀到位，不損傷物料。應(yīng)用伺服壓機(jī)，實(shí)時(shí)反映壓力和高度數(shù)據(jù)，精度可達(dá)到±0.01 mm，壓力曲線(xiàn)輸出并上傳工廠(chǎng)級(jí)管理系統(tǒng)記錄。在扭矩方面，使用扭力傳感器和伺服擰盤(pán)，精度±0.1 N·m；從實(shí)際運(yùn)行來(lái)看，達(dá)到了預(yù)期期望，原設(shè)計(jì)功能都能夠滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求，自動(dòng)化程度高，人力需求少，生產(chǎn)效率及產(chǎn)品合格率高，操控方便，檢測(cè)數(shù)據(jù)、圖片、壓力曲線(xiàn)等參數(shù)實(shí)時(shí)對(duì)接MCS系統(tǒng)，安全性能高等諸多優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行對(duì)永磁電機(jī)裝配及同類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)，提供全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用思路，起到了一定的促進(jìn)、借鑒和積極的作用。