礦用液壓電控主閥閥體自動(dòng)壓漲堵裝置的設(shè)計(jì)

崔峰巍 陳巖霞 苑士澤

（北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013）

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，煤炭行業(yè)也由粗放的生產(chǎn)方式向集約化、精細(xì)化方向轉(zhuǎn)型，智能化開采成為煤炭安全高效開采的發(fā)展方向與必然趨勢(shì)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國煤炭綜采技術(shù)和裝備制造水平不斷取得突破性成果，智能化、無人化的開采的理念和技術(shù)被廣泛接受和應(yīng)用［1］。其中液壓電控系統(tǒng)作為煤炭智能化開采的基礎(chǔ)控制系統(tǒng)之一，主要用于控制綜采工作面的液壓支架。主閥是液壓電控系統(tǒng)的核心支撐部件，如電磁先導(dǎo)閥、閥芯等重要部件均安裝在主閥閥體，主閥的質(zhì)量對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用［2］。

在主閥的加工過程中，為了完成閥體某些功能孔內(nèi)部的貫通，需要從閥體外部直接打孔，這樣會(huì)在閥體外部留下若干工藝孔。這些工藝孔本身并不具備功能性，必須要在組裝過程中使用漲開式堵頭（以下簡稱漲堵）進(jìn)行密封，避免介質(zhì)泄漏［3］。

現(xiàn)階段的工藝是由工人把漲堵放入工藝孔，插入銃桿，并用錘子將漲堵砸入孔底，砸至小球完全進(jìn)入套筒內(nèi)方可。此種方式不僅存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低的問題，還由于砸入的力度和深度都無法控制，主閥各個(gè)工藝孔承受的壓力參差不齊，存在安全隱患和質(zhì)量隱患。為了降低勞動(dòng)強(qiáng)度，保障安全生產(chǎn)，提升產(chǎn)品競爭力，北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司積極響應(yīng)國家“智能制造2025”政策，推送生產(chǎn)制造過程的自動(dòng)化和智能化，現(xiàn)已經(jīng)完成主閥的自動(dòng)裝配生產(chǎn)線并投入使用，主閥自動(dòng)壓漲堵裝置作為主閥線的重要擴(kuò)展站點(diǎn)，其開發(fā)也被推上日程。

1 自動(dòng)壓漲堵裝置設(shè)計(jì)方案

1.1 布局和機(jī)構(gòu)

自動(dòng)壓漲堵裝置的整體結(jié)構(gòu)主要包括閥體物流小車、閥體平移機(jī)構(gòu)、漲堵自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、四軸機(jī)器人、漲堵壓裝機(jī)構(gòu)、閥體翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等，該裝置位于主閥裝配線變位機(jī)左側(cè)，為主閥裝配線線提供完成壓漲堵工序的閥體，設(shè)備占地面積為2.86㎡（2200 mm×1300 mm），臺(tái)面高度為520 mm，上料工位閥體上表面高度為800 mm，下料工位閥體上表面高度為850 mm。自動(dòng)壓漲堵裝置總體布局如圖1所示，自動(dòng)壓漲堵裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 自動(dòng)壓漲堵裝置總體布局

圖2 自動(dòng)壓漲堵裝置結(jié)構(gòu)

1.2 主要機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.2.1 閥體平移機(jī)構(gòu)

閥體平移機(jī)構(gòu)由電缸、2套雙滑塊直線重載導(dǎo)軌及閥體定位板組成。電缸和導(dǎo)軌與定位板之間用浮動(dòng)接頭連接。定位板上開6個(gè)凹槽，閥體翻轉(zhuǎn)工位的挑桿進(jìn)入凹槽對(duì)閥體翻面，定位板上有3個(gè)檢測傳感器，可檢測閥體是否貼緊定位塊。閥體平移機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 閥體平移機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.2 漲堵自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)

漲堵自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)由振動(dòng)盤、直線振動(dòng)器、電缸、激光傳感器、可調(diào)節(jié)固定機(jī)構(gòu)等組成，漲堵頭朝上排列出料進(jìn)入分離機(jī)構(gòu)，直線振動(dòng)器將漲堵送到切出位置，激光傳感器檢測切出口處是否有漲堵，再由電缸將漲堵帶到取料位置。漲堵自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 漲堵自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.3 四軸機(jī)器人機(jī)構(gòu)

四軸機(jī)器人機(jī)構(gòu)由四軸機(jī)器人、連接件、銃桿安裝機(jī)構(gòu)、漲堵手爪組成。漲堵手爪取到漲堵后，根據(jù)視覺定位的坐標(biāo)位置，將漲堵放入工藝孔內(nèi)。第三軸旋轉(zhuǎn) 180°，將銃桿認(rèn)到工藝孔內(nèi)，第四軸下行6 mm左右，待增壓缸下壓。四軸機(jī)器人機(jī)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 四軸機(jī)器人機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.4 漲堵壓裝機(jī)構(gòu)

漲堵壓裝機(jī)構(gòu)由氣液增壓缸、增壓缸支架、2套視覺系統(tǒng)、光源、壓力傳感器、行程位移傳感器、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成。相機(jī)1豎直安裝，分析工藝孔的坐標(biāo)位置，指導(dǎo)四軸機(jī)器人放堵、放銃桿及漲堵放置是否合格；相機(jī)2傾斜安裝，分析銃桿是否合格放入工藝孔內(nèi)，保證壓裝時(shí)不會(huì)將銃桿壓偏。光源負(fù)責(zé)給2套相機(jī)提供紅色光。壓力傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測增壓缸輸出的壓力，防止氣壓浮動(dòng)造成壓力不穩(wěn)定。行程位移傳感器可以監(jiān)測壓缸下壓的行程，保證漲堵壓裝的深度。漲堵壓裝機(jī)構(gòu)示意圖如圖6所示。

1.2.5 閥體翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

閥體翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由氣缸、軸承組件、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、液壓緩沖器、滾珠導(dǎo)向套及導(dǎo)向軸、閥體挑桿等組成。閥體到達(dá)翻轉(zhuǎn)工位后，氣缸將閥體挑桿機(jī)構(gòu)前推至定位板上的凹槽內(nèi)，電機(jī)減速機(jī)帶動(dòng)挑桿機(jī)構(gòu)向上翻轉(zhuǎn)90°，使閥體主孔面朝上。人工操作助力機(jī)械手將閥體取走，傳感器檢測到閥體離開后，氣缸縮回，挑桿機(jī)構(gòu)復(fù)位。閥體翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖6 漲堵壓裝機(jī)構(gòu)示意圖

圖7 閥體翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.6 氣動(dòng)系統(tǒng)

氣動(dòng)系統(tǒng)主要由兩位三通電磁閥（控制氣液增壓缸增壓）、調(diào)壓過濾器、減壓閥、兩位三通電磁閥、氣液增壓缸（壓裝）、普通推拉氣缸（翻轉(zhuǎn)工位）、三杠氣缸（阻擋翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）、兩爪氣缸（夾持漲堵）等功能部件組成，主要完成設(shè)備壓裝、翻轉(zhuǎn)、阻擋翻轉(zhuǎn)、控制氣液增壓缸增壓、調(diào)節(jié)氣液增壓缸壓力和夾持漲堵等功能。氣動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖8所示。

1.2.7 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)以西門子S7-1200 PLC為控制器，以Profinet總線為介質(zhì)組態(tài)，實(shí)現(xiàn)四軸機(jī)器人、氣液增壓缸、電缸、電機(jī)、視覺系統(tǒng)、傳感器和觸摸屏的信息通信和控制。電控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖9所示。

圖8 氣動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

2.1 視覺定位、視覺檢測、機(jī)器視覺與機(jī)器人聯(lián)動(dòng)

主閥閥體在加工過程中遺留的工藝孔（孔直徑為4 mm：上偏差為+0.05 mm，下偏差為+0.02 mm；深度6 mm：上偏差為+0.2 mm，下偏差為0）與閥體定位面并不平行，并且偏移無規(guī)律。當(dāng)閥體重新固定后，按照?qǐng)D紙所給定的工藝孔坐標(biāo)，工業(yè)機(jī)器人不能將漲堵（漲堵直徑為3.8 mm）放入孔內(nèi)；這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)意義上工業(yè)機(jī)器人是在控制系統(tǒng)的控制下，重復(fù)特定的動(dòng)作流程完成加工。而主閥閥體在加工過程中，雖然是一個(gè)重復(fù)的動(dòng)作，但是孔的坐標(biāo)隨著孔的變化也在不斷變化；同時(shí)，產(chǎn)品加工精度的保障依賴于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的精度。然而加工過程中隨機(jī)誤差的產(chǎn)生在所難免，諸如不可預(yù)測的震動(dòng)、產(chǎn)品在工位間傳送發(fā)生的偏移等，此外機(jī)械結(jié)構(gòu)隨著長期使用、精度下降帶來的系統(tǒng)誤差還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品批量報(bào)廢，加上現(xiàn)今產(chǎn)品序列紛繁復(fù)雜，市場對(duì)于柔性生產(chǎn)的要求與日俱增，工業(yè)機(jī)器人想要在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)下完成這一切就顯得尤為困難［4］。

基于以上問題，北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司采用器人配合視覺的方式，由視覺系統(tǒng)準(zhǔn)確分析孔的位置，將坐標(biāo)傳遞給工業(yè)機(jī)器人，由工業(yè)機(jī)器人完成高精度裝配，這樣大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，還可以滿足同類產(chǎn)品的共線生產(chǎn)，為實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)提供可能［5］。

此外機(jī)器視覺還能對(duì)產(chǎn)品加工過程進(jìn)行檢測，該設(shè)備中有一個(gè)鏡頭專門用于檢測銃桿是否進(jìn)入孔內(nèi)。當(dāng)銃桿進(jìn)入孔內(nèi)時(shí)，氣液增壓缸轉(zhuǎn)換為液壓模式，提供0.9 t壓力，將漲堵壓到位；當(dāng)銃桿沒有進(jìn)入孔內(nèi)時(shí)，設(shè)備將報(bào)警，提示銃桿未進(jìn)入孔內(nèi)。這樣有效提高產(chǎn)品合格率，達(dá)到99.99%，避免由于銃桿不正對(duì)閥體造成的損壞。

2.2 視覺系統(tǒng)的設(shè)置和調(diào)試

視覺系統(tǒng)以EPSON PV1系統(tǒng)為模板，分別完成四軸機(jī)器人和視覺鏡頭的組態(tài)，再通過Ethernet連接機(jī)器人控制器（RC90）和工控機(jī)（PC運(yùn)行視覺軟件RC+），最終與控制器（Siemens S7-1200）鏈接，完成視覺系統(tǒng)的組態(tài)。通過RC+軟件中的Vision Guide模塊，首先完成視覺坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系的同步校準(zhǔn)，然后針對(duì)視覺中的各種圖形建立對(duì)應(yīng)的圖形序列。

本系統(tǒng)中有Camera1和Camera2兩個(gè)鏡頭，Camera1位于孔位的正上方，用于孔位的定位、判斷漲堵是否放入孔內(nèi)，采用Geometric（圖形幾何輪廓）對(duì)象，一般用于確定某個(gè)已知對(duì)象的位置和方向，即查找對(duì)象的特征（例如登記標(biāo)志）。此方法通常用來查找零件位置，以協(xié)助將機(jī)器人引導(dǎo)到拾取位置和放置位置。Camera1所拍攝到的孔位和漲堵放置視覺序列圖像如圖10和圖11所示。

圖9 電控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖10 孔位視覺序列圖像

圖11 漲堵放置視覺序列圖像

Camera2位于孔位的斜45°上方，用于判斷銃桿是否放入孔內(nèi)，采用Correlation（相關(guān)）對(duì)象，Correlation（相關(guān)）對(duì)象通常一方面用于定位，如獲取圖像上的特征點(diǎn)；一方面用于測量，如零件檢查時(shí)查找零件的直徑、長度、角度和其他關(guān)鍵外形尺寸等特征；一方面用于檢查，如查找簡單缺陷、零件遺失或印刷模糊。一般用來對(duì)比圖像使用。Camera2所拍攝到的銃頭放置視覺序列圖像如圖12所示。

圖12 銃頭放置視覺序列圖像

最后通過RC+軟件自帶的SPEL+語言系統(tǒng)進(jìn)行編程，對(duì)建立的視覺序列調(diào)用和運(yùn)行，同時(shí)配合四軸機(jī)器人的動(dòng)作完成整個(gè)動(dòng)作。

3 應(yīng)用

2019年5月，自動(dòng)壓漲堵裝置在北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司順義生產(chǎn)基地投入使用。本設(shè)備投入使用以后，與主閥自動(dòng)裝配線無縫銜接，清洗后的主閥可以直接上線裝配，省掉了人工砸漲堵的工序。本設(shè)備由主閥操作人員操作，節(jié)省了勞動(dòng)力，同時(shí)降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。本設(shè)備實(shí)現(xiàn)了閥體漲堵孔位從8個(gè)到22個(gè)等100多種主閥閥體漲堵自動(dòng)壓裝，工作時(shí)間控制在3～5 min之內(nèi)，平均每個(gè)孔位節(jié)拍約為15 s左右，極大地提高了工作效率，為主閥的自動(dòng)化裝配提供了保障。由于本設(shè)備配備了兩段式的氣液增壓裝置，前段氣動(dòng)增壓保障閥體不會(huì)由于壓力過大而損壞，后段液壓增壓為漲堵的壓裝提供穩(wěn)定壓力。同時(shí)配合壓力傳感器和激光位移傳感器，將壓力控制在0.9 t，壓裝深度控制在1.5 mm，這樣壓裝的主閥各個(gè)孔位所能承受的壓力一致，解決了由于人工砸漲堵壓力和深度不一致而造成井下漲堵飛出主閥漏液的問題。