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汽车机器人自动化生产线设计调试

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摘要:随着中国制造业的发展,机器人在制造业中的重要性越来越凸显。以奔驰汽车灯组五金插座的机器人自动化生产线为案例,通过1台工业机器人实现奔驰汽车灯组五金插座的注塑机取件插模的自动化生产。研究了机器人多功能复合手爪的构成及设计要点。设计了注塑机的交互信号、系统的工作流程、机器人程序。分析了该系统各设备的问题、原因、解决方案。为注塑机取件插模自动化系统提供了设计思路和改造方案。

关键词:工业机器人;注塑机取件插模;多功能复合手爪;注塑机信号改造

引言

2000年,由国家提高消费水平宏观调控,中国汽车行业进入快速增长期[1]。面对这种情况,国际汽车巨头纷纷进入中国市场,并在中国设立合资工厂或扩大生产,国内企业现有的规模也增加了汽车行业的投资,该行业可增加产量工业机器人的需求扩大。据不完全统计,近年来,国内厂家生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业,海关进出口增长数据和汽车行业增长数据具有较高的相关性[2-3]。2015年,中国工业机器人销售量为6.85万台,同比增长18%(图1)。工业机器人在国内的应用以汽车和电子工业居多,此外还有橡胶塑料、军工、航空制造、食品工业、医药设备、金属制品等领域。从应用行业看,汽车行业依旧是中国工业机器人市场最大的消费行业,电气机械和器材制造业位居第2位,金属制造行业位居第3位(图2)。

1设计依据

原有汽车灯组五金插座的生产,是人工将五金片的模芯插入注塑机,注塑完成后,人工取下成品。不仅效率低下而且工伤风险高,迫切需要对原生产模式进行改造,实现自动化生产。

1.1基本要求

(1)采用一台机器人、多个工位、配置机器人辅助夹具外加上下料装置实现自动化生产。(2)工作站相对独立,并通过生产线匹配的电、气、水路接口联系多个工作站进行生产。(3)工作站系统简洁实用,便于操作,易于维护,具有安全防护功能。(4)设计为标准爪式夹具,刚性定位强,装卸件方便。(5)机器人外围关键设备采用航插连接,安装、运输、维护都方便。(6)上下料前后合格件、废件在工作站内部不做检验,保证上下料品质的稳定性、加快生产效率,提高产量。

1.2工艺要求

原生产工艺:(1)人工进行五金片折弯、剪断;(2)人工进行4根五金片插入模芯毛胚(图3、图4);(3)将有五金片模芯毛胚插入放入五金注塑机内;(4)等待五金注塑机工作完成后,人工拔出带模芯成品以及注塑水口(图5);(5)人工将模芯毛胚与成品分离(图3、图6);(6)人工将成品放置到成品箱。节拍目标为25s。根据从注塑机输入输出的I/O时间、模具开闭时间、机器人接近速度不同,成品分离时间、节拍可能会有变化。

2设计方案

2.1系统简介

以1台机器人+1台五金砸片机+1台注塑机+1台分离台组成汽车灯组五金插座自动化生产线。

2.2注塑机信号改造

根据自动化生产的需求,需要对注塑机追加部分安全信号、功能信号,如图8所示[4-7]。

2.3机器人手爪设计

该手爪须完成成品物料以及注塑水口的正常取出,再把带有五金片的模芯放入单模芯与模腔装配精度在±0.02mm的模腔内,然后退出注塑机完成上下料工作。其中手爪设计思路流程为:手爪先负责模芯夹爪定位抓取带五金片模芯,由模芯顶料机构限位后,经机械手搬运至注塑机。通过成品夹爪把模腔内的成品取出,并取出注塑水口。再由机械手转换至模芯夹爪进行复合模具中精准放料,并由模芯顶料机构完成最终的顶料推送到位。然后机械手退出注塑机完成上下料工作[8]。图9所示为手抓总装图,图10所示为手抓功能分装图。

2.4生产流程

图11为生产流程图。(1)五金砸片机:人工放入模芯,将五金片插入模芯。(2)注塑机:机器人放入模芯,注塑出汽车灯组五金插座。(3)成品分离机:将汽车灯组五金插座和模芯分离。

2.5机器人程序设计

机器人完成的工作如下:(1)取五金砸片机的带五金片的模芯。(2)取注塑机成品和水口。(3)将带五金片的模芯插入注塑机。(4)将水口丢弃至托盘。(5)将成品放入成品分离台。机器人程序流程设计如下:(1)初始设定。选定坐标系、初始化信号、设定机器人负载。(2)五金砸片机工作。机器人从原点出发进入五金砸片机、机器人取出带五金片的模芯、机器人退出五金砸片机。(3)注塑机工作。机器人进入注塑机、机器人取出成品和水口、机器人将水口丢弃至托盘、机器人插入带五金片的模芯。(4)成品分离台工作。机器人移动至成品分离台、机器人将带模芯的成品放入成品分离台、机器人退出成品分离台、机器人返回原点。重复(2)~(4),直到循环停止[9-10]。

3问题及解决方案

(1)问题1:五金砸片机剪断模具未修整好,导致五金片出现毛刺、错位、五金粉尘残留。解决方案:其中毛刺及错位产生原因是冲压剪切面不平整,经过修整剪切顶针修整以及增加五金片定位顶针,保证五金片定位精确后再进行剪切。五金粉尘残留产生原因是剪断五金片后没及时清理,因此增加吸气清理功能,在五金片剪断后进行负压吸气清理。(2)问题2:原冲压气缸规格较小,冲压折弯角度未能达标,而导致后期插片工序不能准确插入。解决方案:更换冲压气缸规格以及使用杠杆机构增加压力,经改动五金片合格率为100%。(3)问题3:置模芯的回旋气缸安装底座所用螺丝过小,导致模芯回转时带动底座,引起整体旋转过度,因此五金插件不稳定。解决方案:增加固旋转气缸安装底座定位块,令旋转气缸底座有更好的限位(图12)。(4)问题4:因回转气缸回转时带动底座导致机器人抓取模芯不稳定。解决方案:后期因整改旋转气缸后以解决该问题。为机器人更好抓取模芯,对机器人模芯抓取手指增加仿形卡扣,并增加工业橡胶垫避免损伤模芯(图13)。(5)问题5:因机器人抓取不稳定,导致自动运行70~100次循环后会出现机器人模腔内上料撞机。解决方案:经整改机器人手爪、机器人工作位置程序优化以及模芯放置台改造后,以顺利解决问题。(6)问题6:因机器人在膜腔内有推料机构,机器人程序运行退出时有概率会带出五金片。解决方案:整改机器人模腔程序,调整精准度,并对整体运行程序进行优化,提高机器人运行速度10%。(7)问题7:成品分离台不稳定是因为带成品模芯放置到分离台后,模芯放置基准不正确。导致分离台工作顶丝顶紧模芯不正确,从而分离成品不成功(图14)。解决方案:以模芯底部为标准,并以模芯接触面做仿形,保证模芯放入分离台后有足够的定位面(图15)。(8)问题8:原设计五金砸片机、机器人手爪、成品分离台以及机器人程序优化不理想,导致生产过程中出现各种问题。解决方案:经对五金砸片机、机器人手爪、成品分离台以及机器人程序的调整后以将整体运行循环节拍削减至18s。让机器人进行完五金砸片机取料、分离台取放成品及模芯、成品放置到传送带后等待注塑机注塑完成开模,并相对原计划产量整体提高35%。

4结论

在该汽车灯组五金插座自动化生产线的设计中,保证五金片的折弯角度、模芯插件后的装配精度以及注塑机与机器人人信号交互式核心问题。非标设备的装配精度以及相对合理性是把握整体项目的关键,根据现场实际调试要求,调整非标手爪以及整体机器人程序。该设计满足直接用户的生产节拍需求。

参考文献:

[1]马光,申桂英.工业机器人的现状及发展趋势[J].组合机床与与自动化加工技术,2002(3):4.

[2]曾孔庚.工业机器人技术发展趋势[J].机器人技术与应用,2006(06):10-13.

[3]杜志俊.工业机器人的应用及发展趋势[J].机械工程师,2002(5):8-10.

[4]唐立平.基于PLC的四自由度机械手控制系统设计[D].无锡:无锡职业技术学院,2007.

[5]陈忠华.可编程控制器与工业自动化系统[M].北京:机械工业出版社,2006.

[6]彭坚.气动机械手及其PLC控制系统的设计与实现[J].通用机械,2004(2):1-7.

[7]王巍,汪玉凤.基于PLC气动机械手研究[J].辽宁工程技术大学学报,2005(06):55-68.

[8]孙树栋.工业机器人技术基础[M].西安:西北工业大学出版社,2006.

[9]吴振彪.工业机器人[M].武汉:华中科技大学出版社,2004.

[10]谢存禧,张铁.机器人技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2008.

作者:梁赟 罗子健 单位:上海发那科机器人有限公司

汽车机器人自动化生产线设计调试责任编辑:张雨    阅读:人次