發動機缸體搬運機器人夾具的設計

□ 劉曉琳 □ 薛家興 □ 霍建民 □ 潘 剛

1.一汽鑄造有限公司 鑄造模具設備廠 長春 130103 2.一汽鑄造有限公司 鑄造一廠 長春 130103

1 設計背景

隨著國家經濟的快速發展,國民對汽車的需求量不斷加大,帶動了汽車鑄造行業的快速發展[1-3]。發動機缸體作為汽車的重要組成部件,生產效率和質量直接關系到發動機的產能和性能[4-6]。因汽車型號的多樣化,發動機缸體產品種類繁多,且質量和外形差異大。雖然在生產過程中應用機器人能有效代替人工完成缸體的搬運、碼垛等工作,但是一種夾具夾臂只能對應完成一種缸體的生產[7-8]。當發動機缸體種類切換時,需要人工來更換搬運機器人的夾具夾臂,勞動強度提高,更換時間長,影響生產效率,并且夾具夾臂的制作和維護費用也較高[9-10]。

雖然國內重載發動機缸體的搬運實現了由人工到機器人的跨越,但是機器人夾具的通用性問題仍需研究解決。筆者結合夾具柔性化設計理念,設計了一種發動機缸體搬運機器人夾具。詳細介紹夾具的結構和工作原理,并對夾具液壓缸選取和液壓系統原理進行闡述。通過對夾具及夾臂夾塊進行優化設計,實現多種發動機缸體的混線生產,不僅節約人工更換夾具的時間,提高生產效率,而且降低夾具制作及維護成本,具有良好的實用性和應用價值。

2 發動機缸體分析

發動機缸體是一種薄壁多孔的鑄鐵工件,結構如圖1所示。重型卡車使用的發動機缸體形狀相對復雜,體積大,材料為HT250灰鐵鑄件,外表面經過噴粉處理后,不能作為機器人搬運的抓取點,只能考慮通過缸筒抓取。因此,對夾具的要求非常高,既要保證抓取的可靠性,又要保證耐用性。

圖1 發動機缸體結構

發動機缸體產品種類多,外形尺寸和質量差異大,并且生產過程中經常要進行切換,在更換夾具過程中耽誤時間,影響生產效率。發動機缸體尺寸見表1。

表1 發動機缸體尺寸

3 夾具結構

夾具的功能為實現機器人抓取發動機缸體,夾具結構如圖2所示。

夾具主要由法蘭接口、安裝底座、液壓油缸組件、夾臂總成、長條燈、視覺相機、位移傳感器等組成。為保證機器人抓取發動機缸體的穩定性,夾具采用靠面內撐形式,如圖3所示。

圖3 夾具靠面內撐形式

夾具通過法蘭接口與機器人相連接,通過視覺拍照識別發動機缸體特征點,進行發動機缸體的型號判定和定位。確認發動機缸體型號和位置后,通過位移傳感器提供油缸活塞桿位置信號。夾臂到達可插入的位置,油缸停止動作,機器人將夾具夾臂精準插入發動機缸體的第二、第五缸孔內。機器人到達抓取位置后,液壓油缸在液壓系統的控制下推動夾具,通過壓力反饋和位移傳感器的位移反饋,雙重控制完成發動機缸體的夾緊動作,實現機器人定位抓取工作。

4 夾具夾臂設計

夾具夾臂總成主要包括固定臂、方法蘭、限位墊塊、夾塊等,結構如圖4所示。

圖4 夾具夾臂總成結構

夾臂焊件由方法蘭和固定臂焊接而成,材料均為Q235鋼。限位墊塊、防掉鉤均由45號鋼加工而成,表面發黑處理。夾塊由Cr12MoV鋼加工,洛氏硬度HRC 58～62淬火處理,表面開槽以增大摩擦力。固定臂上設有安裝槽,夾塊通過四個螺栓固定在安裝槽內。夾臂總成通過方法蘭與夾具安裝底座連接,更好地承受油缸作用力。

發動機缸體產品種類多樣,生產交替頻繁,原有夾具需要更換夾臂總成,浪費時間,影響生產效率。對夾具進行優化設計,只需要更換不同類型的夾塊,拆裝夾塊四個螺栓即可,花費時長10 min。夾塊設計如圖5所示。根據發動機缸體尺寸不同,B、C、E型缸孔可使用同一種型號夾塊;A、D型與其它型號差異較大,分別使用一種型號夾塊。由此,共設計三種不同型號的上下夾塊,厚度不同。A型發動機缸體對應1號上夾塊、1號下夾塊,B、C、E型發動機缸體對應1號上夾快、2號下夾塊,D型發動機缸體對應2號上夾塊、2號下夾塊。夾塊上刻有對應發動機缸體型號和厚度的凹版字,方便工作人員更換夾塊時選取。

圖5 夾塊設計

夾具夾臂上設計有限位墊塊,防止抓取時過位與發動機缸體碰撞,損壞夾具主體。每個夾臂上有防掉鉤,能夠可靠保證液壓系統出現故障時發動機缸體不掉落。夾臂三維圖更能直觀地展現夾臂的構造,如圖6所示。

圖6 夾臂三維圖

5 液壓系統設計

液壓系統由液壓站、液壓油缸等組成,在夾具抓取發動機缸體時提供液壓驅動力。

根據最重的A型發動機缸體計算選取液壓缸,A型發動機缸體質量為370 kg,重力為3 700 N。液壓缸活塞桿推力G為:

G=πD2Pη/4

(1)

式中:D為液壓缸直徑;η為傳動效率,取0.9;P為液壓系統總壓力,為10 MPa。

將G為3 700 N代入式(1),得到液壓缸直徑約為22.9 cm。因此,根據經驗選取直徑為25 cm的液壓缸。

液壓系統內有液壓表組件,實時顯示主油路及各控制油路的壓力值。液壓站中的回油過濾器用于過濾液壓油,確保液壓油的清潔度?；赜瓦^濾器帶濾芯堵塞發訊器,濾芯不能使用后,報警提醒。液壓系統原理如圖7所示。

圖7 液壓系統原理

夾具在工作時,電機帶動油泵,液壓油從油箱中經過精濾器進入管路中。比例換向閥通過可編程序控制器進行換向。液壓油經過比例換向閥后進入液壓油缸的無桿腔,推動夾臂運動,直至夾緊發動機缸體。將發動機缸體搬運到位后,比例換向閥換向,液壓油進入液壓缸的有桿腔,帶動夾臂松開發動機缸體,液壓油經過回油精濾器回到油箱內。液壓系統主回路中安裝有單向閥,起到穩壓保護的作用。安裝有液控單向閥,能夠實現自鎖,避免液壓系統出現故障或突發斷電時夾具失去液壓力,發動機缸體突然掉落,造成事故發生。

液壓系統還具有油箱供油檢測設備,包括供油檢測裝置和供油報警裝置。供油檢測裝置負責供油管路的供油情況檢測,當出現供油中斷時,供油檢測裝置向可編程序控制器發出供油中斷信號?？删幊绦蚩刂破鹘邮盏焦┯椭袛嘈盘柡?控制供油報警裝置發出報警提示聲。

6 發動機缸體識別定位

發動機缸體的識別定位依靠安裝在夾具上的視覺相機、長條燈等實現,引導夾具完成對發動機缸體的型號識別和定位抓取。

首先通過九點法,對搬運機器人與視覺相機建立坐標系。然后使用In-Sight Explorer軟件對所有型號發動機缸體進行模板標定,并將發動機缸體的特征部位保存到視覺相機內。發動機缸體到達搬運機器人工作區域后,進行拍照識別。識別出發動機缸體型號后,可編程序控制器控制夾具夾臂打開至可進入第二、第五缸孔的位置,系統默認記憶上一次搬運機器人工作循環中夾具的開度。當搬運機器人拍照識別發動機缸體型號發生切換時,會根據信號自動調整夾具的開度,保證夾取效率和準確度。

7 結束語

為了解決發動機缸體搬運機器人夾具通用性的問題,結合夾具柔性化設計理念,設計了一種發動機缸體搬運機器人夾具。詳細介紹了夾具的結構和工作原理,并對夾具液壓缸選取和液壓系統原理進行了闡述。通過對夾具及夾臂夾塊進行優化設計,可以兼容多種發動機缸體,實現了多種發動機缸體的混線生產。

夾具已投入鑄造廠生產,實際使用結果表明運行穩定可靠。發動機缸體切換時,人工更換夾臂時間為30 min,夾具更換夾塊時間為10 min,更換時間縮短66%,并且由原來兩人完成減少為一人即可完成。這一夾具提高了生產效率,制作及維護成本低,具有良好的實用性和應用價值。