垃圾焚燒爐用滑動平臺自動化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉天寶，傅朝斌，辜曉飛，鄧崳曦，吳樟洪，劉 祥

（重慶機(jī)電智能制造有限公司，重慶 401123）

0 引言

垃圾焚燒爐是垃圾發(fā)電廠重要設(shè)備，其設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平對垃圾焚燒發(fā)電的效率及安全性有重大影響。隨著我國城市化發(fā)展程度逐漸提高，近年來城市規(guī)模迅速擴(kuò)大，人們的消費(fèi)水平不斷提高，垃圾產(chǎn)生量日益增加[1]，垃圾焚燒爐設(shè)備需求量高速增長。垃圾焚燒爐巨大的市場需求對焚燒爐裝備的生產(chǎn)效率和質(zhì)量提出了更高要求，迫切需要提升焚燒爐的制造裝備水平，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化制造[2]。

滑動平臺是垃圾焚燒爐的關(guān)鍵部件，由于滑動平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，品種多，生產(chǎn)工序多，滑動平臺的生產(chǎn)制造智能化實(shí)施難度較大，因此滑動平臺的生產(chǎn)仍以人工為主，該種方式存在生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品一致性差、勞動強(qiáng)度大等問題?；诖耍疚膶瑒悠脚_生產(chǎn)工藝及自動化生產(chǎn)線進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一條包括多個作業(yè)模塊的滑動平臺裝配焊接生產(chǎn)線，該產(chǎn)線對于提高滑動平臺生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 滑動平臺結(jié)構(gòu)

如圖1所示，滑動平臺主要由前部框架、方鋼、鑄件、鋼軌、限位塊、后部框架組成。其中，前部框架與后部框架通過螺栓進(jìn)行連接，并在前后接觸面上部進(jìn)行焊接加固。方鋼焊接于前部框架的底面；鑄件裝配于前部框架上，并通過方鋼進(jìn)行限位，鑄件分為前部鑄件與后部鑄件，且有多種寬度規(guī)格，鑄件在裝配前需對鑄件底面進(jìn)行打磨或點(diǎn)焊磨平處理以彌補(bǔ)前部框架組焊件的焊接翹曲變形。鋼軌裝配于后部框架上，并用螺栓緊固，螺栓緊固后在鋼軌四周焊接限位塊進(jìn)行二次限位。整個滑動平臺裝配完成后要求各鑄件上平面具有一定的平面度；另要求鑄件上平面與鋼軌上平面具有一定的高度差。

圖1 滑動平臺外形圖

2 生產(chǎn)線整體布局及工藝流程

滑動平臺裝配焊接生產(chǎn)線根據(jù)裝配焊接工藝及最優(yōu)生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行整體布局[3-4]。如圖2所示，主要包括7個生產(chǎn)模塊：伺服滑臺；焊裝夾具；焊接機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人；鋼軌抓手及置臺；鑄件打磨臺；檢測組件與鑄件抓手；鑄件合攏裝置。

滑動平臺裝配焊接生產(chǎn)線的工作過程如下。

（1）伺服滑臺帶動焊裝夾具滑到人工操作區(qū)，站內(nèi)行車分別將滑動平臺前部框架、后部框架搬運(yùn)至焊裝夾具上。

圖2 生產(chǎn)線布局圖

（2）焊裝夾具對前部框架及后部框架進(jìn)行定位夾緊；人工裝配并緊固前部框架與后部框架的連接螺栓；人工裝配方鋼，夾具對方鋼進(jìn)行定位夾緊。

（3）伺服滑臺滑到機(jī)器人操作區(qū)，搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)鋼軌至后部框架相應(yīng)位置，夾具分別對兩側(cè)鋼軌進(jìn)行定位夾緊。

（4）伺服滑臺滑到人工操作區(qū)，人工緊固鋼軌；人工裝配鋼軌限位塊，并對限位塊進(jìn)行點(diǎn)焊處理。

（5）伺服滑臺滑到機(jī)器人焊接工位，焊接機(jī)器人焊接前部框架與后部框架接觸面的上部，焊接方鋼和限位塊。

（6）伺服滑臺滑到機(jī)器人檢測工位，搬運(yùn)機(jī)器人檢測前部框架平面度。

（7）人工操作助力臂將中間帶凸臺鑄件搬運(yùn)至打磨臺，打磨臺對鑄件進(jìn)行定位夾緊，搬運(yùn)機(jī)器人到打磨臺檢測鑄件的底面，人工對鑄件底面進(jìn)行打磨或點(diǎn)焊磨平處理。

（8）機(jī)器人搬運(yùn)并裝配中間帶凸臺鑄件，機(jī)器人檢測該鑄件上平面的平面度，若平面度不合格，機(jī)器人將鑄件抓回至打磨臺，人工對其打磨點(diǎn)焊后，機(jī)器人再次搬運(yùn)并裝配該鑄件，直至鑄件上平面滿足平面度要求。

（9）伺服滑臺滑到人工操作區(qū)，人工在中間帶凸臺鑄件的兩側(cè)裝配圓棒，并對圓棒進(jìn)行焊接以定位鑄件。

（10）伺服滑臺滑到機(jī)器人操作區(qū)，搬運(yùn)機(jī)器人檢測前部框架及其余鑄件底面的平面度；人工打磨點(diǎn)焊其余鑄件底面；機(jī)器人搬運(yùn)并裝配其余鑄件；機(jī)器人檢測其余鑄件上平面的平面度，直至滿足要求。

（11）伺服滑臺滑到鑄件合攏工位，鑄件合攏裝置抱緊合攏鑄件。

（12）伺服滑臺滑到人工操作區(qū)，人工裝配并焊接擋塊以限位兩側(cè)鑄件；站內(nèi)行車將成品滑動平臺搬運(yùn)下線。

3 生產(chǎn)線關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

3.1 伺服滑臺

圖3 伺服滑臺

伺服滑臺主要由滑臺本體、導(dǎo)軌滑塊、伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成，如圖3所示。伺服滑臺用于搭載焊裝夾具，使焊裝夾具根據(jù)生產(chǎn)工藝流程在人工操作區(qū)與機(jī)器人操作區(qū)往復(fù)運(yùn)動。滑臺采用兩臺5 kW的伺服電機(jī)作為動力，采用行星減速器提高扭矩，采用齒輪齒條驅(qū)動滑臺運(yùn)行，采用直線導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向。

3.2 焊裝夾具

焊裝夾具由前部框架焊裝夾具、后部框架焊裝夾具及伺服絲杠機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示。前部框架焊裝夾具主要用于對前部框架及方鋼的定位夾緊；后部框架焊裝夾具主要用于對后部框架、鋼軌的定位夾緊，以及對限位塊的定位；伺服絲杠機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)10種不同滑動平臺產(chǎn)品的共線生產(chǎn)。

圖4 焊裝夾具

前部焊裝夾具采用圓銷與菱形銷相結(jié)合的方式對前部框架水平方向進(jìn)行定位；采用主支撐塊與輔助支撐塊對前部框架豎直方向進(jìn)行定位；采用6組強(qiáng)力夾緊氣缸對前部框架進(jìn)行夾緊。方鋼下表面貼合前部框架使其在豎直方向進(jìn)行定位；焊裝夾具采用限位塊對方鋼水平方向進(jìn)行定位；前后方向采用人工裝配到位；采用壓緊塊對方鋼進(jìn)行夾緊。

后部焊裝夾具采用圓銷與菱形銷相結(jié)合的方式對后部框架水平方向進(jìn)行定位；采用主支撐塊與輔助支撐塊對后部框架豎直方向進(jìn)行定位；采用4組強(qiáng)力夾緊氣缸對后部框架進(jìn)行夾緊。導(dǎo)軌下表面貼合后部框架使其在豎直方向進(jìn)行定位；焊裝夾具采用4組定位機(jī)構(gòu)對導(dǎo)軌進(jìn)行水平方向定位；導(dǎo)軌長度方向定位采用機(jī)器人保證；焊裝夾具采用3組壓緊塊對導(dǎo)軌進(jìn)行夾緊。

伺服絲杠機(jī)構(gòu)使前部框架及后部框架焊裝夾具有不同的工作位置，進(jìn)而保證對不同規(guī)格滑動平臺產(chǎn)品進(jìn)行定位夾緊。伺服絲杠機(jī)構(gòu)在前部框架設(shè)置有7個停止位，在后部框架設(shè)置有4個停止位，保證10種產(chǎn)品可共線生產(chǎn)。

3.3 焊接機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人

根據(jù)滑動平臺自動化生產(chǎn)需要，生產(chǎn)線布置1臺焊接機(jī)器人及1臺搬運(yùn)機(jī)器人。通過計(jì)算工件重量及抓手重量，同時結(jié)合工件搬運(yùn)的可達(dá)性，選用搬運(yùn)機(jī)器人型號為發(fā)那科R-2000iC/210F。搬運(yùn)機(jī)器人采用一機(jī)兩用的方式，即用于鑄件及鋼軌的搬運(yùn)。機(jī)器人采用快換裝置分別與鑄件抓手、鋼軌抓手進(jìn)行連接，即機(jī)器人六軸末端安裝一個快換裝置主盤，鑄件抓手與鋼軌抓手各安裝一個快換裝置副盤，快換裝置主盤與副盤進(jìn)行連接。

根據(jù)滑動平臺焊接作業(yè)半徑及待焊工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選用焊接機(jī)器人的型號為發(fā)那科M-20iA/12L。該機(jī)器人倒掛安裝于C形架上，滿足焊接可達(dá)性要求。機(jī)器人具有焊縫尋位、跟蹤功能，焊接過程中傳感器將焊縫偏差輸出到機(jī)器人控制柜，然后機(jī)器人進(jìn)行焊接路徑糾偏[5]，進(jìn)而保證焊接質(zhì)量。

3.4 鋼軌抓手

如圖5所示，鋼軌抓手采用電永磁鐵作為執(zhí)行末端。電永磁由永磁材料產(chǎn)生吸力，通過電來控制電永磁有磁力或者無磁力的磁力搬運(yùn)夾持系統(tǒng)[6]，具有吸力強(qiáng)、高效率、高精度、節(jié)能、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)[7]。抓手框架采用鋁合金八角管搭接而成以減輕抓手重量，抓手通過快換裝置與機(jī)器人進(jìn)行連接。該裝置工藝流程如下：（1）伺服滑臺滑到機(jī)器人操作區(qū)的鋼軌裝配工位，搬運(yùn)機(jī)器人通過快換裝置與鋼軌抓手進(jìn)行連接；（2）機(jī)器人帶動鋼軌抓手到鋼軌精定位置臺，抓手通過電永磁鐵吸盤先后抓取兩根鋼軌至滑動平臺后部框架相應(yīng)位置；（3）鋼軌裝配完成后，機(jī)器人將鋼軌抓手放置于鋼軌抓手置臺上以為后續(xù)抓取鑄件做準(zhǔn)備。

圖5 鋼軌抓手

3.5 鑄件打磨臺

鑄件打磨臺主要由支撐框架、壓緊組件1、限位組件1、鑄件、限位組件2、壓緊組件2等部件組成，如圖6所示。該裝置能有效地對多種不同寬度規(guī)格鑄件進(jìn)行自動夾緊定位，并進(jìn)行規(guī)格識別。

圖6 鑄件打磨臺

打磨臺工藝流程如下。

（1）鑄件通過助力臂搬運(yùn)至打磨臺上，此時鑄件在打磨臺上有個初步位置。

（2）兩個壓緊組件2同時動作，氣缸推動鑄件至限位組件1的軸承限位面，其中，壓緊組件2的氣缸具有一定行程，因此能確保不同寬度規(guī)格的鑄件在前后方向進(jìn)行夾緊定位；鑄件經(jīng)過壓緊組件2及限位組件1定位后，壓緊組件1動作，推動鑄件至限位組件2的定位面。

（3）鑄件在前后、左右方向被可靠夾緊定位，鑄件夾緊定位后，打磨臺采用多傳感器組合的方式對鑄件型號進(jìn)行識別。

3.6 檢測組件與鑄件抓手

如圖7所示，檢測組件搭載于鑄件抓手上。檢測組件及鑄件抓手的工藝流程如下。

（1）機(jī)器人帶著檢測組件到達(dá)前部框架相應(yīng)位置，隨后檢測組件采用激光位移傳感器檢測前部框架上與鑄件接觸的4個接觸面，得到檢測數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算得到鑄件相應(yīng)位置的打磨量及點(diǎn)焊量。

（2）機(jī)器人帶著檢測組件到達(dá)鑄件打磨臺位置，人工按照相應(yīng)的打磨量及點(diǎn)焊量對鑄件底面進(jìn)行打磨或點(diǎn)焊。打磨或點(diǎn)焊完成后，機(jī)器人帶動鑄件抓手利用電永磁鐵將鑄件搬運(yùn)至前部框架相應(yīng)位置。

（3）機(jī)器人帶著檢測組件對鑄件上平面的平面度進(jìn)行檢測，若鑄件上平面的平面度超差，抓手將鑄件抓回至打磨臺，人工根據(jù)相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)對鑄件進(jìn)行打磨或點(diǎn)焊處理，直至鑄件裝配到前部框架后鑄件上平面的平面度滿足要求。鑄件裝配檢測完成后，機(jī)器人將鑄件抓手放置到打磨臺上以為后續(xù)抓取鋼軌做準(zhǔn)備。

3.7 鑄件合攏裝置

如圖8所示，鑄件合攏裝置主要由支撐框架、頂推機(jī)構(gòu)、伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌滑塊等組成。該裝置布置于機(jī)器人操作區(qū)的鑄件合攏工位，位于滑動平臺的兩側(cè)，對稱布置。該裝置工藝流程如下：滑動平臺鑄件裝配檢測完成后，伺服滑臺滑到鑄件合攏工位；鑄件合攏裝置伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作，絲杠螺母驅(qū)動頂推機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動到相應(yīng)位置；頂推機(jī)構(gòu)動作，氣缸推動鑄件前移，進(jìn)而完成鑄件合攏。

圖7 檢測組件與鑄件抓手

圖8 鑄件合攏裝置

4 生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)

圖9 滑動平臺裝配焊接生產(chǎn)線現(xiàn)場圖

按照生產(chǎn)線的布局規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)的滑動平臺裝配焊接生產(chǎn)線如圖9所示。該裝配焊接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用西門子S7-1500F PLC型控制器及觸摸屏，用于執(zhí)行指令輸入、手自動控制切換、參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)以及故障原因顯示等[8]。生產(chǎn)線實(shí)地安裝調(diào)試投入運(yùn)行后，經(jīng)過幾個月試生產(chǎn)表明，生產(chǎn)線各模塊設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行平穩(wěn)，故障率低；生產(chǎn)線節(jié)拍約為6 h/套，依據(jù)此生產(chǎn)節(jié)拍可完成年產(chǎn)500套滑動平臺的生產(chǎn)任務(wù)。

5 結(jié)束語

本文研究了滑動平臺的生產(chǎn)工藝流程，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一條主要包括7個生產(chǎn)模塊的滑動平臺裝配焊接生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線解決了滑動平臺不規(guī)則工件的自動裝配及自動焊接難題，很大程度上實(shí)現(xiàn)了滑動平臺的自動化生產(chǎn)。與人工生產(chǎn)模式相比，滑動平臺生產(chǎn)線具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品一致性好等優(yōu)點(diǎn)。