井用潛水泵導(dǎo)流殼鉆攻壓機器人工作站

李文治，張 瑤，郗安民

（1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

井用潛水泵導(dǎo)流殼鉆攻壓機器人工作站

李文治1，張 瑤2，郗安民1

（1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

井用潛水泵是深井提水的重要設(shè)備，主要用于將地下水提取到地表。導(dǎo)流殼是潛水泵的重要組成部件，負(fù)責(zé)液體的引流以及將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為速度能[1]。導(dǎo)流殼材質(zhì)為HT200，采用消失模的方法鑄造完成后需對其進行機械加工方能裝配使用，其機械加工過程為：先在數(shù)控車床上車削小端面，再在同時裝有九把車刀的專用車床上車削大端面，然后在兩工位鉆孔機上完成小端面與大端面鉆孔，接著在攻絲機上完成大端面攻絲，最后完成殼體壓環(huán)，加工過程中各個工位均存在工件的人工碼垛過程。

導(dǎo)流殼的鉆孔、攻絲、壓環(huán)是其機械加工中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，長期以來都存在工作環(huán)境差，勞動強度大，生產(chǎn)效率低的缺點。甚至多地潛水泵企業(yè)導(dǎo)流殼機加車間出現(xiàn)了招工難的問題，企業(yè)常常由于工人突然離職而蒙受具大的損失。所以迫切需要引入自動化生產(chǎn)設(shè)備代替人工完成導(dǎo)流殼的加工與搬運?；谏鲜鲈蜷_發(fā)了一套井用潛水泵導(dǎo)流殼鉆攻壓機器人工作站，在導(dǎo)流殼完成大、小端面車削之后，由機器人代替人工完成最常用兩種導(dǎo)流殼的鉆孔、攻絲、壓環(huán)和碼垛操作。在國內(nèi)，此工作站首次將機器人技術(shù)用于潛水泵生產(chǎn)行業(yè)，它的成功研制為企業(yè)帶來了相當(dāng)可觀的收益。

1 機器人工作站總體布局

機器人工作站主要由工業(yè)機器人、工件傳輸定位鏈、兩工位鉆孔機、攻絲機、壓環(huán)機、上、下壓環(huán)傳輸分揀定位鏈、成品碼垛盤、機器人未端執(zhí)行器、系統(tǒng)控制柜及機器人控制柜等組成。

本工作站用到的兩種導(dǎo)流殼質(zhì)量均為10kg，機器人末端執(zhí)行器質(zhì)量約為8kg，工業(yè)機器人選用日本安川公司的MOTOMAN HP20D垂直關(guān)節(jié)型六自由度機器人，負(fù)載為20kg，重復(fù)定位精度為±0.06mm。兩工位鉆孔機、攻絲機和壓環(huán)機采用原廠設(shè)備，但是進行一些機械與電控方面的改造。

圖1 機器工作站總體布局

機器人工作站總體布局如圖1所示。工件傳輸定位鏈為工作站的始端，機器人手爪抓取由工件傳輸定位鏈定位完成的工件放入鉆孔1工位進行小端面鉆孔，隨后經(jīng)工件中轉(zhuǎn)臺進行工件的翻轉(zhuǎn)后，放入鉆孔2工位進行大端面鉆孔。完成后機器人取鉆孔2工位工件放入攻絲工位進行大端面攻絲，接著機器的兩個小手爪分別從上環(huán)傳輸分揀定位鏈和下環(huán)傳輸分揀定位鏈取上、下壓環(huán)套在壓環(huán)機上，然后取攻絲完成的工件放入壓環(huán)機中進行自動壓環(huán)，最后機器人取壓環(huán)完成的工件放入碼垛工位。工作站在運行過程中同時有3～4個工件同時在不同的工位完成加工，工作站的生產(chǎn)節(jié)拍為85s。

2 機器人末端執(zhí)行器

機器人末端執(zhí)行器具有三個手爪。一個大手爪抓取導(dǎo)流殼體，其具備夾持工件、旋轉(zhuǎn)工件、在垛盤中放置工件等多種動作要求，夾緊氣缸采用SMC圓形手爪氣缸，型號為MHS2-63D-Y59AL，在其進氣口處裝減壓閥，使得夾持力在50kg內(nèi)可調(diào)，避免夾持力過大而損壞氣缸。另外兩個小手爪分別抓取上環(huán)和下環(huán)，采用SMC方形手爪氣缸，型號為MHZ2-32D-F9PV，兩小手爪夾角為140，小手爪與大手爪夾角為110，機器人末端執(zhí)行器如圖2所示。

圖2 機器人末端執(zhí)行器

3 工件傳輸定位鏈

工件傳輸定位鏈完成導(dǎo)流殼體的傳輸與定位。其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。工件傳輸定位鏈包括工件傳送鏈、工件阻擋機構(gòu)、工件升降與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)以及方口定位機構(gòu)。工件傳送鏈臺面上采用雙側(cè)金屬鏈板進行傳動，保證同時放上15個導(dǎo)流殼體后傳送鏈平穩(wěn)傳動。

圖3 工件傳輸定位鏈

其工作過程為：經(jīng)車削完成的導(dǎo)流殼工件由人工放在工件傳送鏈上，傳送鏈電機啟動帶動鏈板上工件向前移動，當(dāng)光電傳感器檢測到最前端工件時，傳送鏈電機停止，這時工件阻擋機構(gòu)的兩阻擋氣缸伸出，將除最前端工件的其他工件擋住。再次啟動傳送鏈電機，將最前端工件傳輸?shù)蕉ㄎ晃恢?，傳送鏈電機停止。然后工件升降與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)平臺被氣缸頂起，如圖4所示，環(huán)形定位塊插入殼體大端面止口，接著方口定位機構(gòu)的定位塊伸出，與工件外圓接觸，如圖5所示，啟動直流電機，工件在摩擦力的作用下隨環(huán)形定位塊慢速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)方形定位塊插入工件定位缺口后，直流電機停轉(zhuǎn)，完成導(dǎo)流殼的定位。

圖5 方口定位機構(gòu)

4 壓環(huán)傳輸分揀定位鏈

壓環(huán)傳輸分揀定位鏈完成壓環(huán)的傳輸與分揀定位。本工作站中的壓環(huán)傳輸分揀定位鏈有兩臺，上環(huán)傳輸分揀定位鏈與下環(huán)傳輸分揀定位鏈，上環(huán)傳輸分揀定位鏈機械結(jié)構(gòu)與下環(huán)傳輸分揀定位鏈機械結(jié)構(gòu)完全相同，其總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。壓環(huán)傳輸分揀定位鏈包括壓環(huán)傳送鏈、環(huán)阻擋機構(gòu)和環(huán)分揀定位機構(gòu)。壓環(huán)傳送鏈臺面上采用單側(cè)金屬鏈板進行傳動，保證在同時放上100個粉末冶金環(huán)后傳送鏈平穩(wěn)傳動。

其工作過程為：人工將成箱的壓環(huán)開箱后成摞的推至傳送鏈上，傳送鏈將一摞一摞的壓環(huán)向前送進。當(dāng)光電傳感器檢測到第一摞環(huán)接近時，傳送鏈停止傳送，環(huán)阻擋機構(gòu)氣缸伸出將第一摞后面的環(huán)擋住。隨后傳送鏈再次啟動，將第一摞壓環(huán)輸送到工件傳送鏈的最前端，環(huán)分揀定位機構(gòu)中的氣缸推出將第一摞環(huán)最下端的一個壓環(huán)推至機器人取料位，實現(xiàn)環(huán)的定位。當(dāng)機器人取料位的接近式傳感器檢測到壓環(huán)推出到位時，環(huán)分揀定位機構(gòu)中的氣缸延時縮回。如果光電傳感器檢測到本摞環(huán)沒有推完時，環(huán)阻擋機構(gòu)氣缸就不會縮回，壓環(huán)傳送鏈不啟動，此時機器人的每個工作循環(huán)只是環(huán)分揀定位機構(gòu)負(fù)責(zé)將環(huán)推出到機器人取料位，最后機器人末端執(zhí)行器小手爪取定位完成的壓環(huán)。

圖6 壓環(huán)傳輸分揀定位鏈

5 原廠設(shè)備改造

工作站使用到的原廠設(shè)備包話兩工位鉆孔機，攻絲機和手動壓環(huán)機。為適應(yīng)本工作站的使用，需對三臺原廠設(shè)備做一些機械和電控方面的改造，便于實現(xiàn)工作站的自動生產(chǎn)。機械方面，兩工位鉆孔機增加中轉(zhuǎn)定位臺和自動吹屑裝置；攻絲機增加定次潤油裝置和自動吹屑裝置；對于壓環(huán)機，增加自動啟動裝置。電控方面，增加一些PLC的I/O點數(shù)，用于控制三臺設(shè)備的啟動，急停以及監(jiān)測三臺設(shè)備的工件狀態(tài)等。

6 機器人碼垛

工件的碼垛通過機器人程序?qū)崿F(xiàn)，壓完環(huán)的工件由機械人手爪抓取放入碼垛工位，碼垛時每層5×5個工件，層數(shù)由觸摸屏選擇為3～5層。機器人的最多125個碼垛位置不可能逐一去示教，其碼垛程序中用到了平行移動指令，只需指定最初一個工件碼垛位置，其它工件的位置通過運算平行移動得到。平移指令中用到了用戶自定義坐標(biāo)系，首先需要設(shè)定用戶坐標(biāo)系原點，可以將最初一個工件碼垛的位置作為用戶坐標(biāo)原點，位置變量P011，P012，P013分別存儲工件的X，Y，Z單位偏移量，整型變量D001，D002，D003分別記錄工件的X，Y，Z偏移個數(shù)，用單位偏移量乘以偏移個數(shù)可求得任意碼垛位置相對于用戶坐標(biāo)原點的X，Y，Z偏移量P000，從而實現(xiàn)碼垛功能。

7 工作站控制系統(tǒng)

機器人工作站電器控制系統(tǒng)由機器人控制柜，系統(tǒng)控制柜，鉆孔機控制柜，攻絲機控制柜，壓環(huán)機控制柜以及外圍設(shè)備組成。

系統(tǒng)控制柜中的PLC是整個控制系統(tǒng)的核心，選用西門子S7-200系列，通過PLC程序來實現(xiàn)整個工作站的邏輯與運動控制。系統(tǒng)開機后程序的運行流程如圖7所示，首先在PLC的第一個工作掃描周期完成系統(tǒng)的初始化，如參數(shù)的一些賦值操作，接著無論是要進行手動操作還是系統(tǒng)自動運行都必須先完成系統(tǒng)復(fù)位，復(fù)位過程主要是各氣缸的歸位。系統(tǒng)手動操作一般用于系統(tǒng)調(diào)試過程中，系統(tǒng)自動有三種運行狀態(tài)：系統(tǒng)自動運行，自動停機和自動暫停。

圖7 程序運行流程圖

機器人工作站的工作狀態(tài)分為系統(tǒng)開機、系統(tǒng)停機、系統(tǒng)復(fù)位、系統(tǒng)急停、系統(tǒng)手動，系統(tǒng)自動和系統(tǒng)復(fù)位完成七種，各狀態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)化。系統(tǒng)其他的六種工件狀態(tài)可以馬上轉(zhuǎn)為系統(tǒng)急停狀態(tài)，保證在發(fā)生異?；蚴鹿蕰r，拍系統(tǒng)控制柜面板上紅色急停按扭后，系統(tǒng)能立即停止。系統(tǒng)開機時，當(dāng)沒有急停時，按黃色復(fù)位按鈕可完成系統(tǒng)的復(fù)位。系統(tǒng)復(fù)位還可以在系統(tǒng)手動和系統(tǒng)自動時進行，但在系統(tǒng)自動進行復(fù)位時，需滿足系統(tǒng)自動狀態(tài)處于自動停機狀態(tài)下才可以。系統(tǒng)復(fù)位完成后，可以進行系統(tǒng)的手動操作或自動運行。

系統(tǒng)程序設(shè)計是按照模塊化的設(shè)計方法來完成的，主程序調(diào)用各個子程序功能模塊，各個子程序之間相對獨立。采用模塊化設(shè)計方法降低了程序的復(fù)雜度，便于對程序進行設(shè)計、調(diào)試和維護。系統(tǒng)組態(tài)軟件采用西門子WinCC Flexible 2008。觸摸屏SMART 700 IE安裝于系統(tǒng)控制柜面板上，與S7-200 PLC的通迅為RS485通迅。

8 結(jié)束語

導(dǎo)流殼鉆攻壓機器人工作站自投入工作以來，機械與電控方面沒有出現(xiàn)任何故障，可長時間穩(wěn)定可靠運行，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，解決了企業(yè)招工難的問題。

[1]趙秋霞.導(dǎo)流殼幾何參數(shù)選取及其對泵性能的影響[J].太原理工大學(xué)學(xué)報,2002(4):414-416.

[2]郗安民.機電系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)版社,2007.

Drilling-tapping-pressing robot workstation of diversion shell in well using submersible pump

LI Wen-zhi1, ZHANG Yao2, XI An-min1

介紹了一種井用潛水泵導(dǎo)流殼鉆攻壓機器人工作站。討論了工作站的總體布局，詳細(xì)講述了工作站各組成部分的結(jié)構(gòu)與功能，并對工作站控制系統(tǒng)進行了簡要分析。本工作站是國內(nèi)將工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用于潛水泵行業(yè)的首例。

潛水泵；導(dǎo)流殼；機器人工作站

李文治（1988 -），男，山西忻州人，碩士研究生，研究方向為工業(yè)機器人及生產(chǎn)自動化。

TP242

B

1009-0134(2015)12(上)-0074-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.21

2015-08-31