汽车轮毂加工和气密性检测工作站的设计

□ 许国强

运城职业技术大学 机电工程系 山西运城 044000

1 设计背景

随着乘用车的不断普及,乘用车轮毂的需求不断增加。轮毂是支撑车身、承担载荷的主要部件,市场对轮毂形状、性能等提出了较高的要求。铝合金轮毂以轻量化、散热性能好、易加工、易造型等优势越来越受到消费者的认可,市场占有率达到乘用车轮毂总量的80%以上。汽车轮毂生产企业作为汽车制造企业的零部件供应商,需要对不同种类、不同尺寸、不同规格的轮毂进行加工和生产。如何提高生产效率,节约生产成本,是铝合金轮毂生产企业所面临的问题。通过分析现有的铝合金轮毂制造技术,发现多数企业的轮毂生产工序基本相同,主要包括熔炼、铸造、X射线探伤、打磨、热处理、机械加工、气密性检测、涂装等。各生产工序之间通过轮毂辊筒输送线进行串联,以增强生产环节间的联系。在轮毂机械加工和气密性检测工序中,轮毂上下料的过程通过人工完成,不仅生产工序之间脱节,生产效率较低,而且人工作业容易产生疲劳,人工多次搬运容易造成轮毂的二次损伤,提高产品的次品率[1]。

工作站虚拟仿真和数字孪生技术的应用,能够提高数据管理和工艺规划能力,实现仿真验证与离线编程,同时能够有效降低企业设备的过度投入风险。通过SolidWorks软件对轮毂专用夹具、数控机床、加工中心等进行建模,利用工业机器人仿真软件的虚拟控制技术将所创建的三维模型导入RobotStudio软件,完成整个工作站的空间布局。建立输送链、数控机床、加工中心、气密性检测装置等组件,完成对应的属性连接和信号连接,并完成工业机器人Rapid程序的设计与同步,对工作站进行仿真和调试。通过工具坐标跟踪、碰撞监测等功能,对工业机器人的运动轨迹进行优化,通过RobotStudio软件中的信号监控器,对工业机器人的总功耗、电机功率、工业机器人末端运行速度等参数进行实时监控。进一步分析对应参数曲线,可以识别出工业机器人工作过程中的异常,从而追溯造成异常的Rapid程序,进行修改。通过设计,不仅提高了整个工作站的工艺水平,而且缩短了工作站的现场调试时间,提高了生产效率[2]。

2 工作站布局

对铝合金汽车轮毂机械加工和气密性检测两个生产工序进行研究。这两个相邻工序具有相同的工作逻辑,以上下料动作为主。通过工业机器人来代替人工实现生产过程的自动化,对这两个工序进行整合,完成轮毂加工和气密性检测工作站的创建。工作站空间布局如图1所示。这一工作站以六轴工业机器人为核心,按照生产工序布置立式数控车床、加工中心、轮毂气密性检测装置,分别对铝合金汽车轮毂进行粗加工、精加工、气密性检测,实现一工位、多工序的加工原则,优化生产节拍,减少设备投入,进而提高设备的柔性制造能力[3]。

▲图1 工作站空间布局

铝合金汽车轮毂的质量为5 kg～16 kg,考虑轮毂夹具的质量,选择承载能力可以达到40 kg的IRB4600型工业机器人来实现数控机床与气密性检测工作站的上下料功能。为了增大工业机器人的活动范围,将工业机器人安装在最大行程为4 m的IRBT4004型导轨上。选用W系列立式车床对铝合金汽车轮毂进行粗加工,完成主要表面和精加工基准面的加工。选用18系列加工中心进行精加工,完成螺栓孔、气门孔、加工帽口、轮毂正面的加工。选用SUP_LQM_0.8型轮毂气密性检测装置,对精加工后的铝合金汽车轮毂进行0.8 MPa压力测试。

3 仿真系统

在这一工作站中,以工业机器人多次上下料的工序来实现加工与检测工艺之间的连接,这就需要通过SolidWorks软件对汽车轮毂的上下料专用夹具进行重新设计。专用夹具结构如图2所示。

▲图2 专用夹具结构

将专用夹具模型导入RobotStudio软件,通过创建机械装置,完成气缸与夹爪动作连接、接点、依赖性的设置。在创建专用夹具时,完成质量、质心、转动惯量的设定[4]。将工业机器人第六轴的法兰盘与专用夹具的法兰盘进行连接。为了便于工业机器人同时完成上下料动作,在法兰盘的末端配置两套夹具。每套夹具都配有两个气缸,四个夹爪同步运动,完成汽车轮毂夹取的动作。专用夹具包括气缸、电磁阀、机械部件、位置传感器等部件。考虑到汽车轮毂在加工之前需要进行中心定位的要求,专用夹具具备自定心和自动夹紧的功能。

汽车轮毂加工和气密性检测工作站的工作流程如图3所示。启动之前,数控机床、加工中心、气密性检测装置都处于复位状态,输送链处于停止状态。输送链将热处理后的毛坯传送至工业机器人的取料位置,位置传感器检测到位信号,工业机器人抓取毛坯并将其送至数控机床位置,数控机床门打开,进行上料。在粗加工过程中,工业机器人再次完成毛坯取料。粗加工完成,数控机床门打开,工业机器人先完成下料,变换夹具位置之后,再完成上料。工业机器人将粗加工完成的半成品送至加工中心位置,并完成上料动作,然后回到取料位置完成第三次毛坯抓取,运动至数控机床加工位置,等待粗加工完成。工业机器人第三次完成下上料动作,并运动至加工中心位置,等待精加工完成。取出汽车轮毂成品,工业机器人第二次完成加工中心上料。工业机器人运动至气密性检测装置位置,判断该装置处于自动状态,完成气密性检测上料,并进行气密性检测。工业机器人第四次完成毛坯抓取,并依次完成数控机床、加工中心、气密性检测装置的上下料动作。工业机器人根据气密性检测结果对汽车轮毂进行分类,分别放入次品输送链或正品输送链,至此完成汽车轮毂的整个加工与检测过程[5]。

4 工作站组件设计

在实际工作站中,S7-1200 可编程序控制器是数据处理中心,完成数据的采集、处理、发送功能。工业机器人、数控机床、加工中心、气密性检测装置、输送链等设备通过各种通信总线与可编程序控制器进行通信。在RobotStudio软件中,可以对所设计的工作站进行仿真。RobotStudio软件的组件模拟可编程序控制器功能,完成与各外部设备的数据交换,实现位置传感器检测、工业机器人抓取、机床加工、加工中心加工、气密性检测等动作的仿真。在整个工作站的仿真过程中,以工业机器人上下料动作为核心完成数控机床、加工中心、气密性检测装置的上料和下料[6]。对工业机器人夹具和数控机床的组件进行分析,实现工业机器人夹具的动态效果,需要创建夹具组件。分别在两个夹具末端中心的位置添加线性传感器,通过安装和拆除组件,完成汽车轮毂的抓取与放置动作。

▲图3 工作站工作流程

实现数控机床的动态仿真,需要创建数控机床组件。将数控机床门、主轴进给动作通过位置移动组件来实现,机床法兰的旋转动作通过旋转组件进行设置,在法兰中心通过位置传感器检测汽车轮毂到位信号,通过安装与拆除组件,完成汽车轮毂在法兰上的安装与拆除动作。添加数控加工启动信号、汽车轮毂安装到位信号、法兰旋转信号、加工完成信号,添加各信号与组件间的信号连接,实现数控机床的动态效果。

5 工作站仿真逻辑

汽车轮毂加工和气密性检测工作站包括上料机、夹具、数控机床、加工中心、气密性检测装置、下料机、工业机器人七个基本组件。在完成基本组件的创建和输入、输出信号连接后,通过连接各基本组件,设置工作站信号和连接等,来设计仿真逻辑[7]。

在工作站仿真运行过程中,工业机器人通过输入、输出信号与各组件进行通信。工作站通过位置传感器检测汽车轮毂到位信号,通知工业机器人运动至上料机位置,输出抓取信号,完成抓取动作。工业机器人运动至数控机床位置,接收到数控机床门打开信号,工业机器人完成毛坯的安装,抓取半成品,并输出数控机床门关闭信号。工业机器人运动至加工中心位置,接收到加工中心门打开信号,工业机器人完成半成品的安装,抓取汽车轮毂成品,并输出加工中心门关闭信号。工业机器人运动至气密性检测装置位置,接收到气密性检测装置夹具松开信号,完成汽车轮毂成品的安装,并输出气密性检测装置夹具夹紧信号。检测完成后,工业机器人将汽车轮毂成品放入下料机,输出汽车轮毂成品到位信号,汽车轮毂成品送至涂装单元进行加工[8]。工作站的仿真逻辑如图4所示。

6 系统编程

在完成汽车轮毂加工和气密性检测工作站各单元空间布局、组件设计、输入输出信号连接后,完成工业机器人程序的编写,并将其同步至工作站,这样工作站才能按照生产工序进行模拟加工和检测。在工业机器人程序中,按照不同的功能来设计各例行程序,包括抓取程序rPick、数控机床上下料程序rCNC1Extract、加工中心上下料程序rCNC2Extract、气密性检测上下料程序rCheckExtract、放置程序rPlace。通过主程序调用以上例行程序来完成工业机器人程序的运行,这样有利于程序的调试和维护。汽车轮毂加工与气密性检测工作站工业机器人部分程序如下:

▲图4 工作站仿真逻辑

PROC main()

rInitall;//初始化设备状态

WHILE TRUE DO

IFCNC1ATUO=1 AND planesensor1=1 THEN //数控机床处于自动状态,并且毛坯到位

rPick;取件程序

rCNC1Extract;//数控机床上下料

IF CNC2=1AND CNC1=1THEN

rCNC2Extract;//加工中心上下料

IF CHECK=1 AND CNC2=1 THEN//气密性检测处于自动状态,并且精加工完成

rCheckExtract;//气密性检测上下料

IF sensor2 AND CHDONE=1THEN//下料机末端没有工件,并且检测完成

rPlace;//调用下料程序

ENDIF

ENDIF

ENDIF

ENDIF

ENDWHILE

ENDPROC

7 工作站仿真优化

在完成了各例行程序的设计之后,需要对汽车轮毂加工和气密性检测工作站工作时序进行仿真与优化,主要包括碰撞检测和信号分析两方面的内容。在RobotStudio软件中进行碰撞检测,启动工具坐标跟踪,并将工业机器人末端夹具设置为物体A,数控机床、加工中心、气密性检测装置等设置为物体B。在仿真的过程中,可以记录工业机器人与外部设备接近丢失和碰撞的目标点。完成对工具坐标路径的优化,避免现场调试中设备碰撞造成损失,提高设备在线调试的效率。通过信号分析器对工业机器人运行总功率进行分析,在保证生产工艺的前提下,提升工业机器人的作业效率。虽然这一工作站实现了汽车轮毂的多工序加工,但是工业机器人的功能主要集中在汽车轮毂的抓取和安装。以汽车轮毂的一个精加工周期为研究对象,分析工业机器人在轮毂抓取和安装过程中的工业机器人末端运行速度和电机总功率,提升工业机器人的作业性能。将工业机器人末端运行速度分别设置为2 00 mm/s和100 mm/s,对应的电机总能量、速度、加速度分别如图5、图6所示。在一个生产周期内,工业机器人末端运行速度提高了1 000 mm/s,运行时间由49 s减少为46 s,减少了3 s;电机能量由20 215 J增大至37 869 J,增大了81%,加速度均值由28 507 mm/s2增大至31 447 mm/s2,增大了7%。从以上分析可以看出,适当降低工业机器人末端运行速度,工作站固定生产节拍的运行时间并未出现大幅上升,且电机总功率明显下降,工业机器人运行更平稳。因此,配置合理的工业机器人末端运行速度,能够改善伺服电机的使用状况,提高工业机器人的作业精度,有效降低企业的设备使用成本[10]。

8 结束语

笔者通过研究汽车轮毂的加工工艺,以工业机器人为核心,对汽车轮毂的粗加工、精加工、气密性检测工序进行集成,设计了汽车轮毂加工和气密性检测工作站。在SolideWorks软件与RobotStudio软件中进行建模和工作站空间布局,创建工业机器人、上料机、数控机床、加工中心、气密性检测装置、下料机组件,完成输入、输出信号及属性的连接,示教工业机器人抓取与放置的目标位置,编写工业机器人Rapid程序,对工作站进行离线仿真。同时结合现场加工要求,进行碰撞检测和信号分析。通过仿真优化,有效降低工业机器人末端运行速度,提高设备的稳定性,并提高设备的重复定位精度,降低设备的能量消耗。

▲图5 TCP的速度为2 000 mm/s电机参数▲图6 TCP的速度为1 000 mm/s电机参数