畢 巖 房長(zhǎng)興

(①沈陽機(jī)床股份有限公司，遼寧 沈陽 110141；②華晨寶馬汽車有限公司，遼寧 沈陽 110044)

隨著勞動(dòng)力成本的不斷提高，在機(jī)械制造加工行業(yè)，使用各種自動(dòng)化設(shè)備輔助傳統(tǒng)加工實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)化生產(chǎn)已是大勢(shì)所趨[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，其柔性加工生產(chǎn)線中機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置的設(shè)計(jì)對(duì)于提高整線加工精度和效率有重要意義。

1 總體方案設(shè)計(jì)

基于生產(chǎn)線規(guī)劃的精益制造原則、柔性生產(chǎn)原則、精益自動(dòng)化原則、精益平面布置原則[2]，完成生產(chǎn)線的布局如圖1所示。8臺(tái)機(jī)床串聯(lián)布置，實(shí)現(xiàn)缸體各面的粗加工與半精加工，要求機(jī)器人實(shí)現(xiàn)8臺(tái)機(jī)床的自動(dòng)上下料。

機(jī)器人上下料裝置通常有3種形式，懸掛式機(jī)器人(懸架+倒掛式關(guān)節(jié)機(jī)器人+機(jī)械手爪)、軌道移動(dòng)式機(jī)器人(移動(dòng)軌道+關(guān)節(jié)機(jī)器人+機(jī)械手爪)和龍門式機(jī)器人(桁架機(jī)器人+機(jī)械手爪)。這3種形式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1。

表1 機(jī)器人方案對(duì)照表

結(jié)構(gòu)懸掛式機(jī)器人軌道移動(dòng)機(jī)器人龍門式機(jī)器人懸架+機(jī)器人+機(jī)械手爪移動(dòng)軌道+機(jī)器人+機(jī)械手爪龍門式機(jī)器人+機(jī)械手爪優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)占地空間小，靈活穩(wěn)定，可靠占地空間小(1)機(jī)器人負(fù)載能力不夠，不穩(wěn)定。(2)價(jià)格相對(duì)地面式機(jī)器人較高。(1)需要地面安裝機(jī)器人移動(dòng)導(dǎo)軌，移動(dòng)軌道價(jià)格較高。(2)占地空間較大。(1)桁架機(jī)械爪手國內(nèi)生產(chǎn)廠家較少且價(jià)格較高。(2)工件位姿較多，機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。

因?yàn)樯a(chǎn)線要求機(jī)器人負(fù)載能力較大(抓取重量≥150 kg；其中，缸體重量80 kg，夾具70 kg)，缸體加工過程中位姿較多，為了確保抓取中的穩(wěn)定可靠，通過對(duì)比3種方案，初步選擇軌道移動(dòng)機(jī)器人(移動(dòng)軌道+關(guān)節(jié)機(jī)器人+機(jī)械手爪)，根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)完成總體方案的設(shè)計(jì)，如圖2所示。

2 機(jī)器人選型及軌道設(shè)計(jì)

由于上下料過程需要較多的位置和姿態(tài)的變換，故采用六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人。綜合考慮搬運(yùn)行程及搬運(yùn)重量等因素，選擇那智不二越ST210F機(jī)器人,其技術(shù)參見表2。

表2 ST210F技術(shù)參數(shù)

型號(hào)ST210F-01結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型自由度6驅(qū)動(dòng)方式AC伺服方式最大可搬重量/kg210設(shè)置條件落地式主機(jī)重量/kg1110

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在8臺(tái)機(jī)床自動(dòng)上下料，特在六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的基礎(chǔ)上拓展第七軸——直線行走軸，以承載、驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)引機(jī)器人沿給定的方向直線運(yùn)動(dòng)，需要進(jìn)行直線軌道的設(shè)計(jì)。軌道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是具有足夠的承載能力，且能承受機(jī)器人操作時(shí)產(chǎn)生的傾覆力矩。承載重量主要包括機(jī)器人本體、機(jī)器人手爪及發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等自動(dòng)上下料裝置。而在機(jī)器人自動(dòng)上下料時(shí)，操作手臂需要伸出距離較大，而機(jī)器人操作手臂末端爪手和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體重量較大，對(duì)機(jī)器人移動(dòng)導(dǎo)軌造成傾覆力矩。根據(jù)上述條件，最終選擇齒輪齒條+導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式。

3 機(jī)器人爪手設(shè)計(jì)

機(jī)器人爪手設(shè)計(jì)要求夾持缸體具有一定的剛度與強(qiáng)度。機(jī)器人抓取缸體應(yīng)能夠順利地把缸體放進(jìn)夾具中，便于刀具加工。機(jī)器人爪手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。根據(jù)目前現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，對(duì)機(jī)器人手爪抓取缸體的定位方式和夾持點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇左側(cè)面的一面兩銷進(jìn)行定位，如圖4所示。

4 缸體位姿的確定

位姿是指確定缸體在輸送料道和機(jī)床夾具上的位置和姿態(tài)。為了方便缸體在料道上運(yùn)輸和夾具定位裝夾，以及機(jī)器人抓取時(shí)缸體位姿變換盡可能的少，所以我們需要確定缸體在整線中的位姿，從而減少機(jī)器人動(dòng)作節(jié)拍，提高工作效率。

缸體在粗加工、半精加工線的位姿如圖5所示。

缸體在輸送料道的位姿要求缸體在輸送料道的輸送過程中盡可能的平穩(wěn)，與料道導(dǎo)軌的接觸面盡可能大；在機(jī)器人上料區(qū)時(shí)，便于機(jī)器人的抓取，減少機(jī)器人手爪抓取缸體過程中的調(diào)整時(shí)間；盡可能采用一套機(jī)器人手爪完成整線中缸體的上下料工作。缸體在輸送料道上料區(qū)位姿如圖6所示，缸體頂面向上，底面與料道導(dǎo)軌相接觸，前后端面與輸送料道方向相同。初步選取缸體的前、后端面為機(jī)器人手爪的抓取面，選取前、后端面水道孔為手爪定位孔。

5 結(jié)語

本文根據(jù)現(xiàn)有的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體生產(chǎn)線模型完成了機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的搭建，通過調(diào)研分析國內(nèi)外機(jī)器人、機(jī)械手等自動(dòng)上下料裝置，根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)加工的特點(diǎn)，基本確定了以軌道行走式機(jī)器人自動(dòng)輸送方式的技術(shù)方案。大幅縮短加工準(zhǔn)備和輔助工時(shí)，節(jié)省人工并提高加工可靠性，使機(jī)床無人化運(yùn)轉(zhuǎn)得以實(shí)現(xiàn)，顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

[1] 楊俊，盧勇，吳義榮.基于GSK-RB工業(yè)機(jī)器人的電機(jī)端蓋加工自動(dòng)上下料功能實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2013,42(7)：42-44.

[2]董正榮.NSE氣缸蓋生產(chǎn)線的規(guī)劃與工藝分析[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2011,17(1)：35-43.