閥芯自動化裝配設(shè)備的研發(fā)應(yīng)用

摘要：目前閥芯生產(chǎn)裝配設(shè)備已得到逐步發(fā)展，出現(xiàn)了適合企業(yè)機械化、工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的自動化閥芯裝配在線檢測設(shè)備。為了有效減輕閥芯裝配工人的勞動強度，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，某閥芯生產(chǎn)流水線由人工裝配方式優(yōu)化為自動化裝配方式。通過研究閥芯的結(jié)構(gòu)、裝配工藝、質(zhì)量要求，對設(shè)備布局、機械結(jié)構(gòu)、控制單元和檢測單元進行了設(shè)計、組裝、調(diào)試，成功開發(fā)出一臺滿足該閥芯自動化裝配需求的設(shè)備。原來4人一組的生產(chǎn)流水線，由單人操作的非標自動化設(shè)備代替，新設(shè)備使用后，人工成本降低了75%，產(chǎn)品一次良率達到98%。

關(guān)鍵詞：閥芯;自動化裝配;PLC可編程控制器;CCD相機

0 引言

近年來，我國企業(yè)勞動力成本不斷上升，如何有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，在提高企業(yè)生產(chǎn)效率同時，又能降低生產(chǎn)成本成為了企業(yè)重點關(guān)注的問題，對生產(chǎn)型企業(yè)提出了更高的管理要求。生產(chǎn)型企業(yè)的經(jīng)營管理改革以及技術(shù)創(chuàng)新活動，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的推動力。其中，通過技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)和應(yīng)用適合企業(yè)生產(chǎn)的自動化設(shè)備，為生產(chǎn)型企業(yè)提供了一種全新的發(fā)展思路。企業(yè)通過技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)的自動化設(shè)備可以代替人工作業(yè)，可以有效降低企業(yè)的人工成本，同時它的最大優(yōu)勢在于能有效保障產(chǎn)品一致性和質(zhì)量。通過自動化在線檢測技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)并有效處理不合格品，為產(chǎn)品在自動化生產(chǎn)和銷售過程中節(jié)約了時間和成本。

我公司經(jīng)過前期調(diào)研和立項，決定研發(fā)一種用于某閥芯自動化設(shè)備裝配的非標設(shè)備。該閥芯是層疊式結(jié)構(gòu)，符合自動化裝配要求。通過對閥芯的零件特征、裝配工藝、質(zhì)量要求等要素進行分析，發(fā)現(xiàn)雖然有個別零件裝配難度較大，但是大部分零件適用于進行自動化裝配，可以通過技術(shù)攻關(guān)，解決個別零件裝配難度大的問題。各個零件裝配時間大約一致，采用轉(zhuǎn)盤節(jié)拍式裝配方案。

1 裝配工藝分析

該閥芯由9個零件組成，其裝配順序依次為：下蓋→芯棒（含擋圈，已經(jīng)壓裝好）→小彈簧→大彈簧→不銹鋼墊片→O形圈→尼龍墊片→O形圈→上蓋。

其工藝要求：在O形圈、尼龍墊片、O形圈三者之間加鋰基潤滑脂。其質(zhì)量要求：各個零件不能漏裝、多裝，潤滑脂不可缺少。

2 設(shè)備布局設(shè)計

根據(jù)零件數(shù)量、工藝流程、檢測需求，設(shè)置了12個工位的凸輪分割器（轉(zhuǎn)盤），如圖1所示。其中#1～#8為裝配工位，還有1個上料工位、1個下件工位、1個檢測工位、1個點膠機出油工位。為了保證8個裝配工位布局上互不干涉，凸輪分割器外周分布了4個二維機械抓手組件，支撐盤上設(shè)置了4個二維機械抓手組件。最外圍由振動盤和直線振動送料器組成，將物料輸送到待裝配取料位。控制系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、傳感器、電磁閥等位于凸輪分割器下方。

3 機械設(shè)計

凸輪分割器作為主要的運動部件，以此為載體，設(shè)計了支撐結(jié)構(gòu)（桌面）、支撐盤、工位轉(zhuǎn)盤及夾具;設(shè)計了振動盤、直線送料器、二維機械抓手/三維機械抓手的安裝支架。根據(jù)零件特征，設(shè)計了直線送料器料道。

3.1? ? 轉(zhuǎn)盤及夾具

轉(zhuǎn)盤及夾具如圖2所示，轉(zhuǎn)盤采用720 mm、厚30 mm的A3鋼材制作，每隔600～200 mm設(shè)置有減輕孔。圓周上均布12個夾具鑲嵌凹槽。夾具采用彈簧夾緊。在上料和下料工位設(shè)置由氣缸驅(qū)動的頂開模塊。

3.2? ? 振動盤與直線送料器

由于各個零件的尺寸、材質(zhì)等特征各不相同，振動盤與直線震動送料器對接的料道，需要針對每一種零件進行特別設(shè)計。

3.3? ? 二維機械抓手及三維機械抓手

二維機械抓手（圖3）由平移氣缸、上下氣缸以及末端氣動手指組成，實現(xiàn)零件的轉(zhuǎn)移、裝配。三維機械抓手由上下氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸以及末端氣動手指組成，實現(xiàn)成品的轉(zhuǎn)移并換向。

4 控制單元

控制系統(tǒng)采用三菱PLC FX3u-128M，人機界面采用威綸通觸摸屏CMT3103。

三菱PLC FX3u-128M采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。根據(jù)實際需要，該設(shè)備控制系統(tǒng)添加了3個可以擴展的I/O模塊。

人機界面觸摸屏一共設(shè)計5個界面：歡迎登錄界面、運行控制界面、手動控制界面、參數(shù)設(shè)置界面、報警記錄界面。歡迎登陸界面，設(shè)計二級密碼，分別為操作人員登錄密碼和技術(shù)人員登錄密碼，對應(yīng)的操作人員權(quán)限只能進行操作，技術(shù)人員可以更改調(diào)整參數(shù)。運行控制界面包括啟動設(shè)備、停止設(shè)備，可以選擇單次運行或連續(xù)運行，可以顯示產(chǎn)品計數(shù)、合格率、以及主要傳感器的工作狀態(tài)。參數(shù)設(shè)置界面，可以對定時器、報警計時器、振動盤延時啟動等參數(shù)進行更改。報警記錄界面，可記錄故障、報警等發(fā)生的時間和頻次，有利于優(yōu)化程序和參數(shù)。

5 檢測單元

使用臺達CCD工業(yè)相機在線進行檢測，如圖4所示。目前機器的視覺照明檢測圖像處理系統(tǒng)主要是采用數(shù)字化的CCD監(jiān)控相機，將被檢測物體和目標轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的圖像處理信號，再傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成各種數(shù)字化的信號，圖像處理系統(tǒng)對這些數(shù)字化信號直接進行各種運算，以分析和抽取被檢測目標的各種物理特征，包括被檢測目標的面積、數(shù)量、位置、長度，再根據(jù)檢測系統(tǒng)預設(shè)的允許度和其他條件，輸出結(jié)果，包括個數(shù)、合格/不合格、有/無。將檢測系統(tǒng)的判斷輸出結(jié)果直接作為數(shù)據(jù)輸入，反饋后傳送給PLC實現(xiàn)自動識別功能。

機器視覺照明環(huán)境光是直接影響整個機器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的圖像質(zhì)量和視覺照明應(yīng)用效果。目前，還沒有一套通用的機器視覺系統(tǒng)照明設(shè)備，所以針對每個特定的視覺照明應(yīng)用實例，要合理選擇一套相應(yīng)的機器視覺照明控制裝置，以達到最佳檢測效果。環(huán)境光有可能影響圖像質(zhì)量，所以可通過采用加防護屏的控制方法，來大大減少對環(huán)境光的直接影響。由于檢測系統(tǒng)安裝的空間有限，采用前向機器視覺照明方式，將被檢測的光源和CCD相機設(shè)置于被檢測物的同側(cè)。

6 結(jié)語

本文設(shè)計的閥芯自動化裝配設(shè)備在最初試運行階段發(fā)現(xiàn)存現(xiàn)以下問題;（1）不銹鋼墊片（厚度0.25 mm）在直線送料器末段容易重疊，裝配完成后出現(xiàn)多個墊片重疊的情況。（2）尼龍墊片采用對射式激光傳感器，穩(wěn)定性不高，需要經(jīng)常校準。（3）檢測系統(tǒng)誤報警，誤報率約為5%。

解決方法：（1）針對不銹鋼墊片重疊問題，將機械抓手改為真空吸附方式，每次只吸附最上面的不銹鋼墊片。（2）由于尼龍墊片有一定的透光性，所以將對射式激光傳感器改為激光測厚傳感器，解決傳感器的運行不穩(wěn)定性問題。（3）在PLC程序中增加判斷條件，并在觸摸屏上增加確認按鈕。如果出現(xiàn)誤報，人工觀察拍攝圖像，確認是誤報警，若是誤報警，則按“繼續(xù)”運行按鈕后，設(shè)備繼續(xù)運行。改進后的設(shè)備運行平穩(wěn)，產(chǎn)品一次良率提高到98%以上。后期擬引入AI系統(tǒng)，對誤報的圖片進行統(tǒng)計，以進一步減小檢測系統(tǒng)誤報概率，減少人工干預。

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收稿日期：2020-06-03

作者簡介：朱猛（1977—），男，陜西禮泉人，助理工程師，研究方向：精益生產(chǎn)、自動化集成。