（机械电子工程专业论文）门架式机械手在铁道扣件锻压生产线应用的研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文中文摘要 摘要 随着中国制造业发展和竞争的加剧，对加工效率和加工质量都提出了新的要 求，冲压、锻压及数控加工的工件自动装卸成为制造厂家在生产过程中的重要需 求。目前制造业中的工件自动装卸大多由专业厂家制造的关节式机器人来完成。 通用型关节式机器人凭其通用性强，柔性高的优点可以很容易实现工件装卸的自 动化，但是其造价贵，体积大，能耗高、效率低、维修调试复杂的缺点也阻碍了 这种自动装卸机械手在普通加工制造业的广泛应用。 本课题主要研究如何利用低成本的模块化气、电执行元件和工业型材，结合 c a d c a e 技术，建造专用门架式机械手，取代现有的关节式机器人，应用于铁道 扣件锻压生产线，实现锻压生产的工件自动装卸，同时通过对多台机械手动作的 协调规划和集中控制，进一步实现了铁道扣件的自动化生产。 论文完成的主要研究工作包括以下几个方面：根据扣件生产厂家的工艺要 求，规划自动生产线流程；按生产流程和模具结构特点优化机械手的运动轨迹； 按运动轨迹选择执行元件，根据元件参数仿真运动速度，校核生产节拍；建 立门架式机械手的详细三维模型，校核力学性能、检验运动干涉；三维模型转 工程详图，交付制造，安装调试，投产使用。 通过分析、研究、设计、制造、调试的全部过程，解决了搭建门架式机械手 所涉及的技术问题，成功的开发出一套用于铁道扣件生产的连续上下料系统，该 成果可为类似行业提供技术示范，促进了门架式机械手在工业领域的实际应用。 关键词：门架式机械手，低成本，自动装卸，模块化 a bs t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s em a n u f a 州n gi n d u s t 叮 锄di n c r e a s i n g c o m p e t i t i o n n e wr e q u i r e m e n t sf o rp r o c e s s i n ge 衔c i e n c ya n dp r o c e s s i n gq u a l i t ) ，h a v e b e e nr c q u i r e d i nt h em a n u f a c t i j r i 玛s t a m p i n gf o 玛i n ga n dc n cm a c h i n i n gf o rt l l e 乱i t o m a t i cl o a d i n ga n du n l o a d i n go fw o r kp i e c eb e c o m eak e yr e q u i r e m e n ti nt h e p r o d u c t i o np r o c e s s c u 玎c m t l y ，i nm e m a n u f a m l r es e c t o r ，t h el o a d i n ga n du n l o a d i n gt h e w o r kp i e c e sa u t o m a t i c l yi s c o m p l e t e db yaj o i n t - t y p er o b o tw 1 1 0 i sp r o d u c e db ya p r o f e s s i o n a lf a c t o 巧b yv i r t u eo ft h e i rv e r s a t i l i t y ，f l e x i b i l i t y ，m eu n i v e r s a lj o i n t - t ) ，p e r o b o tc a ne a s i l ya u t o m a t i c l yl o a da 1 1 du n l o a dw o r kp i e c e s b u t ，b e c a u s eo fc o s t ，b u u ( ) ， a n dh i g he n e 玛yc o n s 啪p t i o n ，l o we m c i e n c y ，c o m p l i c a t e dm a i n t e n a n c ea n dd e b u g g i n g ， m e s eh i n d e rt h ea i l t o m a t i c l yl o a d i n ga n du n l o a d i n gm e c h a n i c a lh a n di nt h ew i d e 印p l i c a t i o no fg e n e r a lm a n u f a c t u r i n g t h em a i nr e s e a r c ht o p i cw a sh o wt ou s el o w c o s t ，m o d u l a lg a s e l e c t r i ca c t u a t o r s ， a n di n d u s t r i a lp r o f i l e si 1 1c o m b i n a t i o no fc a d c a et e c h n 0 1 0 9 yt oc o n s t m c tm e d e d i c a t e dg a n t d ，r o b o tt or e p l a c et h ee x i s t i n gj o i n t - t y p er o b o t ，w h i c hi su s e df o rt h e r a i l w a yf a s t e n e r sf o 玛i n gp r o d u c t i o n 1 i n ef o ra c h i e v i n ga u t o m a t e dl o a d i n ga n d u n l o a d i n gw o r kp i e c ei nm ef o 唱i n gp r o d u c t i o n ，a n d 如r t h e rr e a l i z et h ea u t o m a t e d p r o d u c t i o no fr a i l w a yf a s t e n e r sb yc o n t r o l l i n gm u l t i p l e r o b o tm o t i o nc e n t r a l ya n d c o o r d i n a t e l y t h er e s u l to ft h i sm e s i sa r ef o l l o w i n ga s p e c t s ：( 1 ) a c c o r d i n gt om ef a s t e n e r m a n u f a c n i r e r sp r o c e s sr e q u i r e m e n t s ，p l a l l l l i n ga u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n ep r o c e s s e s ；( 2 ) a c c o r d i n gt os 仃u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n dm o l d ，o p t i m i z i n g m e 臼匈e c t o r i e so fr o b o t ；( 3 ) b ym o v e m e n tt r 旬e c t o r y ，c _ h o o s i n ga c t u a t o rc o m p o n e n t s ， a c c o r d i n gt oc o m p o n e n tp a r a m e t e r s ，s i m u l a t i n gv e l o c i t ) ，a n dc h e c l ( i n gt h ep r o d u c t i o n r h y t h m s ；( 4 ) e s t a b l i s h i n gad e t a i l e dg a n t r yr o b o tt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l ，c h e c k i n gm e m e c h a n i c a lp r o p e i t i e s ，t e s t i n gm o v e m e n ti n t e r f e r e n c e ；( 5 ) t h r e e 。d i m e n s i o n a lm o d e l 仃a n s f e 玎e dt o e n g i n e e r i n gd e t a i l i n g ， d e l i v e 可 m a n u f a c t u 】旧， i n s t a l l a t i o n a i l d c o m m i s s i o n i n g ，a n dp u ti n t ou s e 1 h r o u g ha n a l y s i s ，r e s e a r c h ，d e s i g n ，m a n u f a c t u r c ，c o m m i s s i o n i n go ft h e w h 0 1 e p r o c e s s ，t l l ei n v o l v e dt e c h n i c a li s s u e sa b o u t 也eg a n t 巧r o b o t a r es o l v e d ，w i t h s u c c e s s 如l l yd e v e l o p i n g t h ec o n t i n u o u su p p e ra n dl o w e rf e e d i n gs y s t e mu s e df o r r a i l w a yf a s t e n e r sp r o d u c t i o n n ea c h i e v e m e n tc a np r o v i d et e c h n i c a ld e m o n s t r a t i o n st o l i 重庆大学工程硕士学位论文英文摘要 t h ea l l i e di n d u s 勺吼a n dp r o m o t em eg a n 仃ym a n i p u l a t o rp r a c t i c a l 印p l i c a t i o n si nt h e i n d u s t r i a lf i e l d k e y w o r d s ：g a n t 巧i 沁b o t l o w c o s t ，a u t o m a t i cl o a d i n ga n du n l o a d i n g ，m o d u l a r i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的盈k 士学位论文：f 3 继趣掏幽勉垒趁盟丝固盍 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：0 4 2 争 签字日期：哆一z 奠。矿尹 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k 工) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：么塑熟 导师签 少1 年文月钾日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书刀，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书生逐装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1绪论 1 1 引言 “机器人”这个词最早是由捷克剧作家卡雷尔凯培尔( k a r e lc a p e k ) 提出，它体现 了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够 代替人去进行各种工作。美国的g e o r g eg d e v o l 率先突破了人们对机器人的传统 观点，提出机器人并不一定必须像人，但是必须能做一些人的工作。国际i s o 组 织对机器人的定义是“机器人是一种自动的、位置可控制的、具有编程能力的多功 能机械手”。而在我国，蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械 电子装置”。所以，在工业领域应用的机器人经常被称直接为“机械手”。 1 9 6 0 年，美国u n i m a t i o n 公司，根据g e o r g eg d e v o l 的专利技术研制出的第 一台机器人在通用公司投入使用后，标志着第一代工业机器人的诞生。自第一台 工业机器人问世以来，机器人的应用领域从汽车工业逐渐向其他行业渗透，机器 人也开始成为人类生活中的现实。1 9 6 7 年日本从美国引进第一台工业机器人后， 工业机器人在日本得到迅速的发展。目前日本使用的工业机器人占世界工业机器 人总数的6 0 ，已成为世界上工业机器人产量和拥有量最多的国家。 目前工业机器人主要应用于制造行业，特别是电器制造，汽车制造、塑料加 工、通用机械制造和金属成型等工业领域。随着工业的发展，机器人的功能和性 能都不断的改善和提高，机器人的应用领域不断扩大。 1 2 课题背景与意义 随着中国制造业发展和竞争的加剧，对加工效率和加工质量都提出了新的要 求，冲压、锻压及数控加工的工件自动装卸成为制造厂家在生产过程中的重要需 求。目前制造业中的工件自动装卸大多由专业厂家提供的关节式机器人来完成。 通用型关节式机器人凭其通用性强，柔性高的优点很容易实现工件的自动化装卸， 但是其造价贵、体积大、能耗高、效率低、维修调试复杂的缺点也阻碍了这种自 动装卸机械手在普通加工制造业的广泛应用。能否找到一种低成本的方式实现自 动化生产，成为国内制造业厂家需要突破的方向。随着机电一体化技术和装配技 术的进一步发展，采用廉价通用的执行元件来构造专用装卸料机械手，实现生产 线的低成本自动化，是解决目前机械制造中存在的这些问题有效途径。 国内某铁道扣件厂，专门生产铁道上的弹性扣件，该扣件用于铁轨和水泥路 基的连接，取代传统的枕木道钉的结构形式。自2 0 0 3 年中国铁路实施跨越式发展 以来，铁路新线建设和既有线改造的规模不断扩大，装备现代化水平不断提高。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 按照2 0 0 4 年初国务院批准的中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年，全国铁路营业 里程将达到1 2 万公里，其中客运专线将达到1 2 万公里。这标志着铁路建设新高 潮的到来。这一轮的铁路建设高潮，规模大、标准高、速度快，对线路设备、四 电、移动设备等的技术水平和质量水平提出了新的要求。铁路轨道直接承受机车 车辆轮对的作用力，对运输安全起着至关重要的作用，其中的扣件( 弹条) 虽小， 但牵涉到整个轨道工程的稳定性和弹性。扣件在轨道工程中的重要性以及对运输 安全的直接影响是显而易见的，对它的技术质量要求同样也非常高。因此，如何 高效地生产优质扣件的问题也就成为铁路新线建设中亟待解决的任务之一。目前 该厂( 国内其他厂家情况也相同) 还是以流水线人工操作的方式进行扣件的生产， 工人劳动强度大、产品质量不稳定、生产率较低，已不能满足扣件高质量、高生 产率要求。为了解决扣件生产方面的各种问题，结合厂区搬迁，解决扣件生产的 自动化问题也就越显重要。 根据这一实际的生产需求，我们准备从该厂生产线规划入手，采用模块化驱 动元件和工业型材制造的门架式机械手为主体单元，实现扣件生产从物料传输到 尺寸检测和剔出废品的全程自动化。通过对这一实例的深入研究，还可以总结出 一套关于门架式机械手的设计方法，为相同行业提供技术示范，能够促进门架式 机械手在工业领域的实际应用，对于如何在生产中实现低成本自动化也具有普遍 意义。 1 3 国内外铁道扣件生产现状 火车轨道从最早的枕木道钉铁轨系统，已变换为现在的混凝土路基道钉铁 轨的系统。由于混凝土路基虽然坚固耐用，但是缺乏弹性，使火车运行时整个轨 道系统的冲击加大，制约了火车的进一步提速。现在高速铁路的结构形式普遍是 在混凝土路基道钉铁轨的系统中增加弹性环节，降低火车运行时产生的冲击。因 此，弹性扣件对于高速列车系统是一个至关重要的器件，对其质量的要求也变得 越来越高。同时随着国家对高速铁路的投入逐渐加大，在铁路建设中对高质量弹 性扣件的需求缺口也非常的大。高效率的生产对各个制造厂家来说也就意味着有 更高的效益。 扣件作为一种专用器件，其生产厂家在国内并不是很多，生产技术水平也大 致相当。受国产钢材机械性能的限制，扣件在国内的生产工艺多是棒料定长切断 后加热经多次锻压成型，利用工件余温再进行热处理，才能达到需要的刚度要求。 因此从工艺上来看，要实现自动化的难度比较大。首先，在加工过程中工件一直 处于锻造高温，对机械手的耐热性提出了新的要求。其次，锻压的每道工序都是 使用的立式压机，因此工件的空间姿态每次都要随模具型腔进行调整，这就对机 2 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 械手的自由度和空间尺寸提出了严格的要求。所目前国内的大多数厂家都采用流 水线人工操作的方式进行生产。这种人工作业的方式存在以下几方面缺陷：工 人劳动强度大。工人劳动环境恶劣。人工装卸工件定位精度差，造成产品尺 寸偏差大。人工装卸的节拍不固定，造成成型后的最终温度得不到保证，致使 热处理的效果不理想，最终导致扣件的刚度达不到要求。无法实现在线检测、 使产品的整体质量无法提高。基于上述情况，国内有厂家急于实现自动化生产， 投入巨资购进关节式机器人对原有线体进行改造。但由于这种通用性机器人的工 作节拍并不高，加上工人对其复杂的调试操作难以熟练掌握，特别是在更换产品 需要调整参数的时候，更是异常困难。所以这条全自动机器人生产线目前并没有 很好的投入使用，造成资源的浪费。 国外的铁道扣件采用的特殊材质经冷冲压成型，不需要进行在线热处理，自 动化生产实现起来相对比较容易。同时由于发达国家对工人的保护意识较强以及 人工成本偏高等因素，扣件生产早已广泛采用工业机器人来实现自动上下料。从 行业内部的录象资料显示，国外某企业扣件产线的冲压设备根据工件在各个工序 的形状和空间姿态，专门做了设计，以保证工件的姿态大致一致，以减少机械手 的自由度。根据资料显示，其生产过程完全实现无人化，上下料装置根据工况不 同选择不同形式的关节机器人或门架式机械手，同时在生产过程中对工序品尺寸 进行监测，有效的保证的产品的质量。这种以关节式机器人和专用机械手相结合， 取长补短、优势互补的模式在国外的自动化生产线上非常普遍。国外的门架式机 械手能普及使用，得益于国外有很多元件生产厂家提供了专业的系统集成服务， 用其标准模块为用户定制专用机械手，满足生产需求。从这些元件厂家提供的资 料可以看出，其机械模块都提供了三维模型，控制元件也提供了仿真数据。因此 只要熟练的运用c a d c a e 技术就能高效准确的为用户定制适用的非标产品。 目前国内的元器件制造水平相对国外一流厂家来说尚有一段差距，系统集成 能力更是欠缺，因此模块化门架式机械手在国内冲、锻压线上的并没有得到大量 的应用。要在国内的冲、锻压生产线上实现自动化，必须借鉴国外的先进经验和 设计方法，提高系统集成能力，大量采用模块化的元器件，利用c a d c a e 技术的 优势，充分提高设计效率和可靠性。 1 4 关节式机器人和门架式机械手的性能价格分析 关节式机器人多为具有固定机座的工业机器人，是工业机器人中最常见的一 种形式。关节式机器人主要用于在工厂的各种生产线上从事某一种或多种工作。 关节式机器人以其通用性强的特点在工业领域得到了广泛的应用。自2 0 世纪6 0 年代机器人进入工业领域以来，全世界历年累计销售机器人总数到1 9 9 9 年达到约 3 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 l o 万台，1 9 9 9 年当年销售量为3 5 6 万台，销售额达5 1 亿美元。1 9 9 9 年2 0 0 3 年机器人的销售数量以每年1 0 以上的速度增长，其中美国的机器人销售增长最 为显著。 1 9 6 0 年后，直流伺服驱动和控制技术逐渐成熟，这种技术很快被普遍应用于 机器人，同时计算机技术、机械设计制造技术的不断改进，关节式机器人逐渐普 及。由于关节式机器人一般为开链机械臂，具有较大的工作空间和操作灵活性， 机械臂的结构惯性容易进行优化设计，便于提高机器人的动态操作性能，因此今 天的高性能工业机器人大多采用关节型设计方案。如常见的弧焊机器人、点焊机 器人、喷漆机器人、堆垛机器人、涂胶机器人等等。 2 0 世纪9 0 年代后，工业机器人的价格不断降低、而且性能不断提高，主要表 现在机械电子性能方面，如：搬运能力、速度、工作范围、部件数量、平均故障 间隔时间等都有较大的改进，而价格下降了5 0 以上。1 9 9 0 2 0 0 0 年的调查表示， 机器人的性能价格比进一步改善。一台1 9 9 9 年出售的中等机器人价格只相当于 1 9 9 0 年同样性能机器人价格的2 0 。即便如此，关节式机器人的价格相比下面要 提到的门架式机械手的价格还是要贵很多，在低成本自动化领域内很难得到推广。 虽然关节式机器人具有很多优点，而且操作功能很强，通常可完成多种作业，但 是这种机器人的结构刚性差，体积庞大、操作精度低( 一般重复定位精度低于 土0 1 m m ) ，而且价格昂贵。因此在一些特殊行业，要求高速高精度定位，动作轨迹 简单，空间狭小的场合，一般采用直角坐标形式的门架式机械手。 门架式机械手通常作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固 定( 有时可调) 程序，适用于大批量的自动生产。如自动生产线的上下料机械手， 自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。随着驱动技术和模块化装配技术的发 展，近年来基于复合传动技术的门架式机械手也得到了飞速的发展。国内外的专 业厂家提供的模块化驱动元件，集成了传动部件( 气缸、同步带、丝杆) 、导向装 置( 滚珠导轨、直线轴承) 、缓冲装置、位移传感器，为门架式机械手提供了主体 构件。标准的工业型材及其模块化的装配技术可以为门架式机械手提供各式各样 的主体框架。人们可以根据应用工况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积 木一样的随意组合。这种先进的设计思想，代表这模块化技术今后的发展方向， 也使门架式机械手的结构形式变得得非常灵活多样，从某种意义上来讲增加了门 架式机械手的柔性。门架式机械手多是根据特定需求定制的，不一定需要关节式 机械手那么全的自由度，所以成本会很低。另外在设计阶段，根据工作要求，各 自由度的驱动方式可以优化选择，特别是气压传动的大量应用，使得门架式机械 手的总体成本大幅下降。再加上国内制造业水平的提高，优质合资品牌的驱动元 件大量涌现，元器件部分的整体价格降低，使门架式机械手的制造成本进一步降 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 低。门架式机械手在国内越来越多的地方得到普及使用，为工业领域的低成本自 动化提供了可能。 表1 1 关节式机器人和门架式机械手的特点比较 t 曲1 e1 1c o m p 撕s o no fa n i c u l a t e dr o b o t sa n dg a n 仃ym a n i p u l a t o r s c h a r a c t e r i s t i c s 根据目前铁道扣件厂家的生产现状和资金配置，适合选用门架式机械手来实 现自动化生产。 1 5 课题的主要研究内容及技术要求 本课题的核心是根据企业的现行生产工艺，结合厂区搬迁实现扣件的自动化 生产，其中门架式机械手的优化配置是实现这一目标的关键。论文完成的主要研 究工作包括以下几个方面： 根据扣件生产厂家的工艺要求，规划自动生产线流程； 按生产流程和模具型状优化机械手的运动轨迹： 按运动轨迹选择执行元件，根据元件参数仿真运动频率，校核生产节拍； 建立门架式机械手的详细三维模型，校核力学性能、检验运动干涉； 三维模型转工程详图，交付制造，安装调试，投产使用。 总结设计方法； 自动生产线的主要技术要求如下 该自动化生产线主要生产w 型弹条，生产节拍2 0 件分钟； 二班制生产，年产能力3 0 0 万件以上，定员3 人班。生产线主体设计寿命 不低于1 0 年； 重庆大学硕士学位论文1 绪论 自动上料和送料； 产品成形后在线自动温度监测、尺寸检测、废品剔出； 配合加工设备的运转，各工位间工件能及时地自动传递供给； 压力机运行状态须与各机械手协调一致，互不干涉，且始终处于自动控制 之中。 1 6 本章小结 本章首先对本课题的研究背景和意义进行了阐述，并通过对国内铁道扣件生 产现状进行分析，综述了现有关节式机器人和门架型机械手的优缺点，结合实际 情况和技术要求确定了选用门架式机械手来实现铁道扣件的自动化生产。并明确 了本论文的主要研究内容。 6 重庆大学硕士学位论文 2 铁道扣件生产线的总体规划 2 铁道扣件生产线的总体规划 2 1 引言 本课题的研究目标是如何应用门架式机械手来实现铁道扣件的自动化生产。 由于门架式机械手自由度有限，因此必需合理的规划生产线的布局，优化工艺路 线，来最大限度的发挥门架式机械手优势。同时合理的生产布局规划也有助于实 现更快的生产节拍，提高生产效率。课题的研究将从生产线规划入手，来确定所 选用的机械手门架形式，进一步确定用于构建机械手所需的模块化元件的性能参 数，最后跟据元件参数来综合校验机械手系统的动作节拍，以验证系统的可行性。 2 2 生产线总体布局 2 21 现行生产工艺流程分析 扣件的制造过程如图2 1 ，将棒料加热到锻造温度，经过u 成型、w 成型、w 折弯，三次锻压成为折弯后的w 型，然后利用锻造的余温对工件进行回火处理， 以达到需要的弹性要求。 u 成型w 成型w 折夸 压机二 压机二l 圉落圉搿 图2 l 传统生产线布局 f 1 9 21c o 6 9 岫h o o f n m a 出“d p r o d 啪d o n l i n e 皿佥 u 型w 型成品 图2 2 零件工序状态 f i 9 2 2p r o s h 岫o f t h e p a f c 目前工厂的生产布局是中频炉、压机、淬火池、回火炉并排放置，每台压机 安排1 名操作人员，加上1 名辅助工，共需4 人来完成生产过程。操作员l 左手 重庆大学硕士学位论文 2 铁道扣件生产线的总体规划 夹取从中频炉自动项出的高温棒料，放入u 成型压机模具定位后，通过脚踏阀操 作压机动作，然后右手将工件取出，放在中转位置，等操作员2 用左手夹取。操 作员2 、3 重复上述动作，完成工件成型。整个生产过程操作工手、脚、眼并用， 注意力非常集中，加上高温烘烤和机器轰鸣，人很容易疲倦，生产效率低，安全 事故频发。更严重的是，由于人工生产节拍不稳定，传递过程时长时短，造成工 件最终成型温度不能有效的控制在回火工艺要求的范围内，使成品的弹性达不到 要求，导致废品率很高。 2 2 2 各种布局方式的比较 在新的生产线设计时，用户希望在现行工艺不变的情况下，增加最终尺寸和 温度检测及废品剔出，以提高产品的最终合格率。因此新的生产线布局必须结合 用户的新要求和现成工艺以及机械手的特性和压机的结构形式进行综合考虑。 根据现行设备布置可以设计成和国外扣件生产线类似的布局形式，如图2 3 所 示： u 成型w 成型w 折弯 压机一 i f f l 中频炉b 创7 机械手一机械手三 图2 3 布局方案一 f i g 2 3p r o g r a mlo fc o n f i g u r a t i o n 这种布局形式不改变现行机床布置，只需要在最后增加检测工位，在热处理 前剔除不合格品。机械手具有回转自由度，并且带有两条伸缩手臂，前端都安装 夹持装置。两条手臂相当于人的左右手，在工作过程中完全模仿人的动作左右开 弓，进行工件传递。中间位置可设计一些机构可以实现工件的翻转，以减少机械 手臂上的自由度，简化机械手的结构。这种方式有两个明显的缺陷：首先门架式 机械手多采用气压驱动，回转运动的冲击无法避免，在设计中应该尽量减少转动 惯量，但这里回转运动必须设计在主轴上，所以在运动冲击必然很大，因而速度 和精度都将受到影响；其次，虽然中间位置可以减少机械手的自由度，但是也加 长了生产流程，使工件的热量损失的加大，很难保证最后热处理的温度要求。 综合考虑各方面因素，特别是用户对生产节拍和最后温度的严格要求，我们 准备选择一种更紧凑的布局方式，如图2 4 所示： 8 固 囡囡 固 重庆大学硕士学位论文2 铁道扣件生产线的总体规划 图2 4 布局方案二 f i g 2 4p r o g r 锄20 fc o n f i g u r a t i o n 网 i一 在这种方案中，将包括中频炉和淬火池在内的所有设备布置在一条直线上， 以便机械手作纯直线运动就可以完成工件的传递。同时取消中间位置，尽量减小 设备间距，缩短机械手的行程，提高工作节拍，保证工件的最终温度。但是取消 中间位置后，有很多需要回转的动作必须集成在机械手臂上，增加了结构的复杂 性。但是在结构设计的时候可以考虑尽量把回转运动放置在末端，减轻转动惯量。 另外还可以考虑在检测工位上增加翻转和剔除的动作，也可以减少机械手四的复 杂程度。 经过两种主要方案的对比，方案二更适宜实现扣件的自动化生产，在确定设 备布局形式后，才能进一步确定机械手的结构形式。 2 2 3 机械手门架形式的确定 为满足特定的生产需要，门架型机械手往往被设计成各种各样的结构形式， 综合来看用得最多的是，立柱型、悬臂型、龙门型、三角型。 立柱型机械手由两个直线驱动模块( x 轴作进给退回，z 轴作放下提升两个 功能动作) 和基础构件( 作立柱支架用) ，摆动模块( 作腕关节功能) 及气动手指 缸，组成一套抓取提升旋转退回放下的循环动作，如图2 5 ( a ) 所示。这类抓取 送料装置在送料自动化的应用中占了7 0 。 悬臂型机械手是由一个直线驱动模块( 具手臂功能) ，一个带重载导轨的直线 驱动模块( 气缸或电缸) ，及一个滑块气缸组成的搬运系统，如图2 5 ( b ) 所示。 在这个系统中由于滑块气缸具有高精度，能承受重负载，工作平稳，摩擦力低， 精度达肛级。缸体外部安装的液压缓冲器能吸收大的冲击力，特别适合短行程移 动的支撑场合。直线驱动模块具有高精度，承受大的径向负载和扭矩。带重载导 轨的直线驱动模块作为基础构架，其导轨十分坚固，能承受很大负载( 5 6 0 0 n ) ， 静负载可达4 3 0 0 0 n ，最大速度3 州s ，非常适合有大扭矩负载的悬臂支撑场合。 9 重庆太学硕士学位论文2 铁道扣件生产线的总体规划 ( 时0 ) 图2 5 立柱型机械手和悬臂型机械手 f i 25 i c a l a i 珊l 咖蚰d o v e 小u n g m 柚j 叫a i o r 龙门型机械手是由一个直线驱动模块( 作z 轴方向放下手臂功能动作) ，一组 横移模块与一对无杆气缸或电缸( 具脚的功能) 组成一个龙门框架结构。z 轴末端 可安装气动手指或真空吸盘，来实现工件的抓取。这种结构避免了悬臂结构，充 分发挥了无杆气缸的长行程优势非常适合远距离传输的搬运场合，在抓取自动 线送料应用中也有1 5 的占有率。 三角型机械手是在塔型框架内悬挂三根电缸，电缸的滑块通过特殊形式的构 件铰接在一起成为机械手末端，分别控制三根电缸的运动，机械手末端可在空间 半球面内的任意定位。三角型机械手成功的实现了通过单纯的直线运动来完成空 间中的任意快速定位，为门架型机械手新的发展提供了思路。但是这种形式的机 械手结构复杂，控制算法繁琐，目前并没有得到较好的推广，只是在高精度、高 速的轻载场合有一些应用。 0 )( b ) 圈26 龙门型机械手和三角型机械手 2 6p 0 r i a i t y p e l a n i p u l a 协r d t l l l w m “p u l 札町 1 0 幕 ，蔷髫 龋裂 重庆大学硕士学位论文2 铁道扣件生产线的总体规划 铁道扣件生产中，压机型号为腰2 1 8 0 ，工作台前后尺寸为6 4 0 m m ，左右尺 寸为1 0 0 0 m m ，高7 5 0m m 。若选择龙门形式的机械手，可以在空中悬挂安装，这 样不占用机床正面的空间，不会影响更换工装的操作。由于压机台面不高，z 轴方 向的行程势必很长，才能让开机床正面。 机械手一 机械手二 机械手三 机械手四 ： ： i 爿1 ：j 上上 1 l _ j亡，亡当 匝匝匝】 厂厂厂 压机一 压机二 压机三 图2 7 龙门型结构 f i g 2 7p l a j l e rt y p ec o n f i g u r a t i o n 另外用户的厂房是轻钢结构，没有设计用于空中安装的支撑梁，所以还需要 在地面安装立柱，工程量较大，成本较高。采用悬臂形式的机械手，虽然会占用 机床正面空间，但可以避免上述问题。采用交错布置的形式，在结构设计的时候 注意各机械手的运动干涉，尽量缩小安装空间，可以做到不影响换工装的操作。 综合各方面因素的考虑，最终确定选取悬臂型机械手地面安装的结构形式。 压机一压机二 压机三 出 u 舟 亡j【_ j 丹厂 丹 厂 厂 图2 8 悬臂型结构 f i g 2 8c i v e r h u n gc o n f i g u r a t i o n 2 3 门架式机械手总体方案设计 2 3 1 机械手运动轨迹的规划 通过上面的分析，确定了机械手的基本结构形式，现在需要结合工件进出模 具的状态及模具的结构形式来规划机械手的运动轨迹和自由度的数目以及检测分 重庆大学硕士学位论文 2 铁道扣件生产线的总体规划 拣工位的工作原理。 机械手 以机械手一为例加以说明运动轨迹和自由度数目的确定。机械手一的功能是 从中频炉的出料架上夹取捧料送入压机一的u 成型模具。 棒料在出料架上的放置形式和在u 成型模具上一样，都是放置在带滚轮上的 凹槽中，槽深7 m m 。机械手在夹持棒料后必须有一个上升的动作才能将工件取出 在放入工件时也需要一个下降的动作将工件放好。如图29 麒 ii r 图29 工件在出料架和u 成型模具上的状态 h s 29s 咖o f n ”w m l 甲i 洲呻ms l l e l f 蚰d u f b n 曲g m 。l d 跟据模具宽度尺寸和压机宽度尺寸( 1 0 0 0 m m ) 可以确定机械手一的行程 x 1 - 1 0 0 0 ；y 1 = 1 6 0 ；z 1 = 1 0 机械手一的运动轨迹如图2 1 0 所示： 机械手前伸抓工件 机械手上移 机械手收回 机械手右移 机械手前伸 机械手下移 放工件机械手收回 机械手左移回到原位 图2 1 0 机械手一运动轨迹 f i 吕21 0 m 0 6 0 n p 蛐o f 册n p u l 咖r l 重庆大学硕士学位论文2 铁道扣件生产线的总体规划 检测分拣工位 检测环节是自动生产线中最重要的一环，在这里将对工件进行温度和尺寸的 检测，同时对不合格品进行剔除，避免流入热处理工序。因此需要设计两个通道， 用于分拣合格品和废品。尺寸检测可采用工业照相机进行非接触测量，温度检测 采用红外线温度仪来完成。在结构设计的时候应和负责这部分的专业人员充分沟 通，在结构上达成一致。检测工位的工作包括照相机拍照、测温仪测温、数据处 理、x 和y 方的剔除动作。剔除动作的行程可确定如下： x 5 = 2 0 0 ，y 5 = 2 0 0 检测分拣工位的动作顺序如图2 11 所示： 检坝4 分拣工位 拍照 合格5 目罗 圆7 未台 日彩口= l 槲y 5 测温数据处理送料( 剔除)回退 图2 1 l 检测分拣工位 f i g 2 1 1a c t i o no ft e s ts t a t i o n 2 3 2 机械手模块化元件的选取 门架式机械手的优势在于可以用模块化的元件进行搭建，而不需要进行很基 础的机械设计。通过对国内外元件供应商的选择比较，我们决定选用性价比很高 的德国f e s t o 产品作为系统基础构件。德国f e s t o 是国际上知名的气动元件制 造商，其产品系列以气动技术为依托，已经扩展到包括电驱动及控制系统元件在 内的所有自动化元件。因此选择f e s t o 产品作为系统的基础构件，可以几乎完全 使用一个厂家的产品来完成设计，便于用户今后备件的维修管理。另外，在元件 选择的时候要尽量做到型号规格上的统一，在各台机械手结构大致相同的情况下， 应该选择相同类型的驱动元件。 x 轴元件选择 机械手一和机械手四的x 方向行程相对较短，运动速度不高，而且终端位置 固定，考虑选用f e s t o 带导轨的d g p l 系列无杆气缸。 重庆大学硕士学位论文2 铁道扣件生产线的总体规划 目匹亨匝互菩习口 匿墓i 宝受三三兰鍪霎 、t f b2 f 1 陪兰三兰三；三一三三i ! 孝i 兰季刊 图2 1 2 d g p l 无杆气缸 斟9 21 2 d g p l m d l sc y l h d 盯 机械手二和机械手三，需要跨越机床间距，形成偏长，若采用无杆气缸，移 动部件到达终端的速度不易控制，高速时冲击较大；另外，机械手二和三都是在 机床间搬运工件，更换模具后，终端位置都需要重新调整，若采用气缸，则需要 调整挡块和液压缓冲器的位置，较为烦琐。如果考虑选择交流伺服电机驱动的电 缸来做x 轴则速度和位置都能精确的控制，可以解决上述问题。 多遮塞塞曼 图2 1 3 d g e 电缸 h 9 2 1 3 d g e d e a 匝cc y l m d c r 所谓电缸是指将滚珠丝杆或同步皮带封装在铝型材内，把电机的旋转运动转 黪 莆庆大学硕士学位论文 2 铁道扣件生产线的总体规划 换成滑块的直线运动的模块化驱动元件，如图21 3 所示。由于其外型与气缸相似， 甚至可与同规格的气缸进行互换( 例如f e s l o 的d g e 电缸和d g p 无杆气缸安装尺 寸完全一样) ，功能上也与气缸相同实现直线运动，所以习惯上将其称之为电缸。 电缸可选用伺服电机和步进电机来做驱动，相比气缸来说具有任意定位和速度可 控的优势，因此在自动化行业得到广泛的应用。f e s t 0 电缸和无杆气缸一样也集 成了滚珠导轨，可以承受很大的侧向负载，用来构造悬臂形式的机械手非常合适。 电缸的直线运动元件主要是滚珠丝杆和同步齿型带，滚珠丝杼型电缸适用于重载 低速高精度的场合，而同步齿型带型电缸适用于轻载高速一般精度的场合。因此 根据需要我们选用同步齿型带型的电缸作为机械手二和三的x 轴。 y 轴元件选择 y 轴是悬臂结构，因此需要元件具有很强的抗扭特性，同时y 轴在x 轴上运 动，因此要求其质量很小才能达到系统要求的速度和精度，而且y 轴自身的运动 速度也必须很快才能达到系统要求。f e s t o 的新型坐标气缸可以满足上述刚性好， 质量轻、速度快的要求。这种组合气缸采用中空结构，用直线轴承作为基本导向 元件外置加强筋板，在保证精度的同时有效的提高了刚度和强度，同时也减轻 了重量。这种气缸还有一个优点是集成度很高，在中空的结构内安装了调速阀、 位置传感器、液压缓冲器、中位停止模块，为机械设计带来了极大的便利。因其 中位模块的作用，气缸可以实现几个坐标位置的精确定位，故称之为坐标气缸。 机械手一、二、三的y 轴可以统一选为 玎胛l 系列缸。 爨雄 图21 4 t m p l 坐标气缸 f 1 92 1 4 h m p lc 0 0 一l n a i 。c y 】i n d 盯 由 重庆大学硕士学位论文2 铁道扣件生产线的总体规划 z 轴元件选择 z 轴元件所需的负载能力不大，行程也不长，但是其动作频繁，要求质量很好， 寿命很长。由于z 轴处于机械手末端对其重量和安装形式的要求更为严格，最好 是气缸之间就能直接组合安装，省去联接附件，既可以减轻质量又可以缩小空间 尺寸。f e s t o 的小型滑台气缸质量轻，寿命长，连接方便，很适合作为z 轴元件。 图21 5d g s l 滑台气缸 f i 9 2l5 d g s l d 帅a y c y l 抽d 叮 气爪的选择： 气爪是机械手最末端的执行元件，类似于人的手指，因此又被称为气动手指。 由于工件结构复杂，重量大，气爪需要承受的附加载荷很大，因此气爪本身的导 向机构必须十分坚固。另外由于工件温度很高，气爪最好要带有冷却装置，才能 延长使用寿命。f e s t o 的h g p t 气爪带有高强度的t 型导轨，可承受很大的负载。 另外这种气爪带有吹气口，本来是用于排屑的，在这里可起到相当于风冷的降温 作用，非常适合在这种高温环境使用。 图21 6 h g p t 气爪 f i 21 6 i o p ta i r 鲥p p e r 葡 重庆大学硕上学位论文2 铁道扣件生产线的总体规划 回转元件的选择： 机械手三上都需要一个同转动作，由于回转动作小于2 7 0 度，适合选择摆动 气缸来实现。 ! 口 68 r 图2 1 7 d r o d 摆缸 f 1 921 7 d r q d s w i ”g o y l l n d e 摆动气缸内部的齿轮齿条机构将气缸的直线运动转换成输