井用潜水泵导流壳钻攻压机器人工作站

李文治，张 瑶，郗安民

（1.北京科技大学，北京 100083；2.中国科学院大学，北京 100049）

井用潜水泵导流壳钻攻压机器人工作站

李文治1，张 瑶2，郗安民1

（1.北京科技大学，北京 100083；2.中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

井用潜水泵是深井提水的重要设备，主要用于将地下水提取到地表。导流壳是潜水泵的重要组成部件，负责液体的引流以及将液体的压力能转换为速度能[1]。导流壳材质为HT200，采用消失模的方法铸造完成后需对其进行机械加工方能装配使用，其机械加工过程为：先在数控车床上车削小端面，再在同时装有九把车刀的专用车床上车削大端面，然后在两工位钻孔机上完成小端面与大端面钻孔，接着在攻丝机上完成大端面攻丝，最后完成壳体压环，加工过程中各个工位均存在工件的人工码垛过程。

导流壳的钻孔、攻丝、压环是其机械加工中非常关键的环节，长期以来都存在工作环境差，劳动强度大，生产效率低的缺点。甚至多地潜水泵企业导流壳机加车间出现了招工难的问题，企业常常由于工人突然离职而蒙受具大的损失。所以迫切需要引入自动化生产设备代替人工完成导流壳的加工与搬运。基于上述原因开发了一套井用潜水泵导流壳钻攻压机器人工作站，在导流壳完成大、小端面车削之后，由机器人代替人工完成最常用两种导流壳的钻孔、攻丝、压环和码垛操作。在国内，此工作站首次将机器人技术用于潜水泵生产行业，它的成功研制为企业带来了相当可观的收益。

1 机器人工作站总体布局

机器人工作站主要由工业机器人、工件传输定位链、两工位钻孔机、攻丝机、压环机、上、下压环传输分拣定位链、成品码垛盘、机器人未端执行器、系统控制柜及机器人控制柜等组成。

本工作站用到的两种导流壳质量均为10kg，机器人末端执行器质量约为8kg，工业机器人选用日本安川公司的MOTOMAN HP20D垂直关节型六自由度机器人，负载为20kg，重复定位精度为±0.06mm。两工位钻孔机、攻丝机和压环机采用原厂设备，但是进行一些机械与电控方面的改造。

图1 机器工作站总体布局

机器人工作站总体布局如图1所示。工件传输定位链为工作站的始端，机器人手爪抓取由工件传输定位链定位完成的工件放入钻孔1工位进行小端面钻孔，随后经工件中转台进行工件的翻转后，放入钻孔2工位进行大端面钻孔。完成后机器人取钻孔2工位工件放入攻丝工位进行大端面攻丝，接着机器的两个小手爪分别从上环传输分拣定位链和下环传输分拣定位链取上、下压环套在压环机上，然后取攻丝完成的工件放入压环机中进行自动压环，最后机器人取压环完成的工件放入码垛工位。工作站在运行过程中同时有3～4个工件同时在不同的工位完成加工，工作站的生产节拍为85s。

2 机器人末端执行器

机器人末端执行器具有三个手爪。一个大手爪抓取导流壳体，其具备夹持工件、旋转工件、在垛盘中放置工件等多种动作要求，夹紧气缸采用SMC圆形手爪气缸，型号为MHS2-63D-Y59AL，在其进气口处装减压阀，使得夹持力在50kg内可调，避免夹持力过大而损坏气缸。另外两个小手爪分别抓取上环和下环，采用SMC方形手爪气缸，型号为MHZ2-32D-F9PV，两小手爪夹角为140，小手爪与大手爪夹角为110，机器人末端执行器如图2所示。

图2 机器人末端执行器

3 工件传输定位链

工件传输定位链完成导流壳体的传输与定位。其总体结构如图3所示。工件传输定位链包括工件传送链、工件阻挡机构、工件升降与旋转机构以及方口定位机构。工件传送链台面上采用双侧金属链板进行传动，保证同时放上15个导流壳体后传送链平稳传动。

图3 工件传输定位链

其工作过程为：经车削完成的导流壳工件由人工放在工件传送链上，传送链电机启动带动链板上工件向前移动，当光电传感器检测到最前端工件时，传送链电机停止，这时工件阻挡机构的两阻挡气缸伸出，将除最前端工件的其他工件挡住。再次启动传送链电机，将最前端工件传输到定位位置，传送链电机停止。然后工件升降与旋转机构的旋转平台被气缸顶起，如图4所示，环形定位块插入壳体大端面止口，接着方口定位机构的定位块伸出，与工件外圆接触，如图5所示，启动直流电机，工件在摩擦力的作用下随环形定位块慢速旋转，当方形定位块插入工件定位缺口后，直流电机停转，完成导流壳的定位。

图5 方口定位机构

4 压环传输分拣定位链

压环传输分拣定位链完成压环的传输与分拣定位。本工作站中的压环传输分拣定位链有两台，上环传输分拣定位链与下环传输分拣定位链，上环传输分拣定位链机械结构与下环传输分拣定位链机械结构完全相同，其总体结构如图6所示。压环传输分拣定位链包括压环传送链、环阻挡机构和环分拣定位机构。压环传送链台面上采用单侧金属链板进行传动，保证在同时放上100个粉末冶金环后传送链平稳传动。

其工作过程为：人工将成箱的压环开箱后成摞的推至传送链上，传送链将一摞一摞的压环向前送进。当光电传感器检测到第一摞环接近时，传送链停止传送，环阻挡机构气缸伸出将第一摞后面的环挡住。随后传送链再次启动，将第一摞压环输送到工件传送链的最前端，环分拣定位机构中的气缸推出将第一摞环最下端的一个压环推至机器人取料位，实现环的定位。当机器人取料位的接近式传感器检测到压环推出到位时，环分拣定位机构中的气缸延时缩回。如果光电传感器检测到本摞环没有推完时，环阻挡机构气缸就不会缩回，压环传送链不启动，此时机器人的每个工作循环只是环分拣定位机构负责将环推出到机器人取料位，最后机器人末端执行器小手爪取定位完成的压环。

图6 压环传输分拣定位链

5 原厂设备改造

工作站使用到的原厂设备包话两工位钻孔机，攻丝机和手动压环机。为适应本工作站的使用，需对三台原厂设备做一些机械和电控方面的改造，便于实现工作站的自动生产。机械方面，两工位钻孔机增加中转定位台和自动吹屑装置；攻丝机增加定次润油装置和自动吹屑装置；对于压环机，增加自动启动装置。电控方面，增加一些PLC的I/O点数，用于控制三台设备的启动，急停以及监测三台设备的工件状态等。

6 机器人码垛

工件的码垛通过机器人程序实现，压完环的工件由机械人手爪抓取放入码垛工位，码垛时每层5×5个工件，层数由触摸屏选择为3～5层。机器人的最多125个码垛位置不可能逐一去示教，其码垛程序中用到了平行移动指令，只需指定最初一个工件码垛位置，其它工件的位置通过运算平行移动得到。平移指令中用到了用户自定义坐标系，首先需要设定用户坐标系原点，可以将最初一个工件码垛的位置作为用户坐标原点，位置变量P011，P012，P013分别存储工件的X，Y，Z单位偏移量，整型变量D001，D002，D003分别记录工件的X，Y，Z偏移个数，用单位偏移量乘以偏移个数可求得任意码垛位置相对于用户坐标原点的X，Y，Z偏移量P000，从而实现码垛功能。

7 工作站控制系统

机器人工作站电器控制系统由机器人控制柜，系统控制柜，钻孔机控制柜，攻丝机控制柜，压环机控制柜以及外围设备组成。

系统控制柜中的PLC是整个控制系统的核心，选用西门子S7-200系列，通过PLC程序来实现整个工作站的逻辑与运动控制。系统开机后程序的运行流程如图7所示，首先在PLC的第一个工作扫描周期完成系统的初始化，如参数的一些赋值操作，接着无论是要进行手动操作还是系统自动运行都必须先完成系统复位，复位过程主要是各气缸的归位。系统手动操作一般用于系统调试过程中，系统自动有三种运行状态：系统自动运行，自动停机和自动暂停。

图7 程序运行流程图

机器人工作站的工作状态分为系统开机、系统停机、系统复位、系统急停、系统手动，系统自动和系统复位完成七种，各状态之间可以相互转化。系统其他的六种工件状态可以马上转为系统急停状态，保证在发生异常或事故时，拍系统控制柜面板上红色急停按扭后，系统能立即停止。系统开机时，当没有急停时，按黄色复位按钮可完成系统的复位。系统复位还可以在系统手动和系统自动时进行，但在系统自动进行复位时，需满足系统自动状态处于自动停机状态下才可以。系统复位完成后，可以进行系统的手动操作或自动运行。

系统程序设计是按照模块化的设计方法来完成的，主程序调用各个子程序功能模块，各个子程序之间相对独立。采用模块化设计方法降低了程序的复杂度，便于对程序进行设计、调试和维护。系统组态软件采用西门子WinCC Flexible 2008。触摸屏SMART 700 IE安装于系统控制柜面板上，与S7-200 PLC的通迅为RS485通迅。

8 结束语

导流壳钻攻压机器人工作站自投入工作以来，机械与电控方面没有出现任何故障，可长时间稳定可靠运行，提高了企业的生产效率与产品质量，解决了企业招工难的问题。

[1]赵秋霞.导流壳几何参数选取及其对泵性能的影响[J].太原理工大学学报,2002(4):414-416.

[2]郗安民.机电系统原理及应用[M].北京:机械工业版社,2007.

Drilling-tapping-pressing robot workstation of diversion shell in well using submersible pump

LI Wen-zhi1, ZHANG Yao2, XI An-min1

介绍了一种井用潜水泵导流壳钻攻压机器人工作站。讨论了工作站的总体布局，详细讲述了工作站各组成部分的结构与功能，并对工作站控制系统进行了简要分析。本工作站是国内将工业机器人技术应用于潜水泵行业的首例。

潜水泵；导流壳；机器人工作站

李文治（1988 -），男，山西忻州人，硕士研究生，研究方向为工业机器人及生产自动化。

TP242

B

1009-0134(2015)12(上)-0074-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.21

2015-08-31