多型号阀体产品智能化测量单元搭建研究

陈晓航 张乃方 郭华 李雄飞

摘  要：阀体类产品为多型号中批量的精益生产加工模式。为适应现有加工节奏，原有的检验手工尺寸检测模式需被全自动智能化测量单元替代。文章针对阀体类零件，设计测量方案、选取专用机器人、组建测量系统、设计专用定位工装、开发数控测量程序、实现精确高效的批量产品自动测量；并针对测量结果进行重复性验证分析，对后续优化测量方案奠定基础。

关键词：阀体；多品种；智能化；全自动

中图分类号：TP242 文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）01-0151-04

Research on the Construction of Intelligent Measurement Unit for Multi-Model Valve Body Products

CHEN Xiaohang1， ZHANG Naifang1， GUO Hua2， LI Xiongfei3

（1.Xi'an Aerospace Engine Co.， Ltd.， Xi'an  710100， China; 2.School of Art and Design， Xi'an University of Technology， Xi'an  710048， China; 3.School of Computer Science， Shaanxi Normal University， Xi'an  710119， China）

Abstract： Valve body products are lean production and processing modes of multi-model and medium-volume production. In order to adapt to the existing processing rhythm， the original manual dimension measurement mode needs to be replaced by a fully automatic and intelligent measurement unit. This paper is aimed at valve body parts， designs measurement plans， selects special robots， sets up measurement systems， designs special positioning tooling， develops CNC measurement programs， and achieves accurate and efficient automatic measurement of batch products. And it repeats the verification analysis of the measurement results to lay the foundation for the subsequent optimization of the measurement plan.

Keywords： valve body; multi-variety; intelligent; fully automatic

0  引  言

电磁阀阀体是姿控发动机的重要组成部分之一，能够实现对发动机姿态的精准控制，近年来随着电磁阀产量的成倍增加，電磁阀阀体的检验成了制约电磁阀交付节点的重要环节，同时大量的尺寸及形位公差在手工检验时繁琐过程也容易导致检验结果的一致性不高，检测效率低。随着自动化、智能化产业的飞速发展，电磁阀阀体的自动化智能化检测也势在必行[1]。

1  智能化测量单元整体框架设计

1.1  单元构建条件分析

车间共有不少于20种阀体类产品需进行总检全尺寸检测，参与智能化检测单元构建的设备主要包括LETIZ三坐标测量机和ABB工业机器人。

1.2  单元检测模式分析

单一品种的大规模生产任务是智能计量单元的主要服务对象[2]，因为单一品种少量生产检测任务小，智能化测量会导致单元成本升高，因此产品的数量和成本率决定了智能计量单元意义。本文研究的阀体类产品智能化测量单元的生产任务，属于多品种中批量生产任务类型，其特点是产品结构大多比较相似，零件种类多，装夹位置相对比较固定，产品检测工艺复杂，被测元素多。

1.3  单元整体框架设计

应用机器人技术完成单元检测过程中的产品自动上下料是智能化测量单元构建过程中最合适的选择[3]。如图1所示。将工业机器人安装在上下料转台中间完成三坐标测量机的自动化上下料任务，利用这种通用在线自动检测模式，系统主要包含“通用检测仪器”，“自动导向的零件物流系统实现运输、存储和交换”，“自动抓取机构”和“信息传输和交互网络”。

在产品周转方面，由于现场空间狭小，覆盖的产品种类多，因此设计了分度式转盘结构上下料工位方案，前方为待测区，后方为已检区；在工装方面，针对测量过程设计了一套特殊的自动气压夹具，负责产品检测时的定位和夹紧，在信息传输和交互网络方面，针对该系统单元特征独立开发了一套 “分布式集成控制系统”，负责单元内设备之间的信息传输与交互。

2  检测单元设计方案

2.1  气压夹具设计方案

阀体类产品多为软磁合金材料，圆柱体结构。共设计一套装卡工装可覆盖外径φ6 mm～φ50 mm阀体类产品的检测工作。设计图如图2所示。

2.2  气压工装控制原理

气压控制系统是基于空气压力和流量提供原始动力，利用气缸将空气压力和流量转化为机械运动实现抓紧和松开。通过控制各种阀门的大小和开关来改变压力大小和方向，从而驱动机械执行机构的运动方向、行程和位置，完成各种不同动作的需要[4]。气动机构的控制元件包括封闭汽缸、力传感器、储气筒、机械执行机构及其他辅助元件。压力传感器的反馈电信号和阀门的控制信号连接到系统控制核心PLC外设端口。系统控制柜通过总线与控制核心PLC进行信息交换，PLC通过数字和模拟IO信号，控制气压阀方向，驱动执行机构实现工装的夹紧和松开。

2.3  分度式转台设计方案

由于检测现场场地有限，并且本测量单元需覆盖多种产品，传统的产品存储工位无法适应检测需求。设计可更换底座的六工位分度式转台系统适用于智能化检测单元的产品中转方案。底板选用树脂及软铝材料加工，在确保产品固定的同时，保证产品不会引起划伤。底板周围加工两处旋转更换销，手动即可更换底板，确保底板的适应性。每块底座上配备了不同规格的定位销，可适应不同种阀体产品的同时检测需求。转台及底座如图3所示。

2.4  分度式转台控制原理

根据阀体图号选用不同底板，将阀体产品放置于底板上，每块底板最多可放置20个产品。分度式转台与总控PLC连接，根据控制指令进行转台转动。底板编号分为1～6号，在完成第一块底板测量后，第二块底板会转到待测位，等待机器人的抓取，控制系统会根据所输底板数量确定转动次数。

2.5  自动上下料技术

工业机器人主要由机械主体、驱动部件和控制器三个基本部分组成：主体是机座和执行器，包括臂部、腕部和手部，驱动装置包括动力单元和使执行器进行相应运动的传动机构，而控制器则通过系统程序对传动单元和执行机构发送指令信息，实现系统控制。工业机器人作为自动检测系统上下料的执行者，在控制系统指挥下负责完成“工件在工作空间内的位置运动”“姿态和轨迹的调整”等任务。工业机器人按坐标形式可分为直角坐标、柱坐标、球坐标、关节坐标、并联机器人等[5]。自动上下料系统由工业机器人和末端执行装置组成。在自动上下料时，末端执行装置一般采用气动系统实现。随着机器人技术的成熟和应用，工业机器人一般都配备了内置气动接口和24 V的IO控制输入输出，易于集成外部气动夹具。

2.6  自动运动机构选择及轨迹规划

自动上下料系统中的运动机构一般选择工业机器人，选择合理工业机器人的型号系统成功的关键，选择时主要参考四个重要参数，如“运动范围”“额定负荷”“轴数”“重复定位精度”[6]。本文采用机器人运行路径仿真的方法，根据实际现场数控设备布置参数确定“运动范围”。根据“末端夾紧装置重量、工装最大重量”和“机器人载荷曲线”确定“额定负载”；由系统运动姿势灵活性要求确定运动轴数。最终选定型号ABB IBR1200-7/0.7。ABB IBR1200-7/0.7是一个6自由度的关节型机器人，额定负荷7 kg，移动半径为703 mm，重复定位精度为0.02 mm，包括机器人本体和机器人控制面板。机器人和气动夹紧系统集成在一起，形成一个自动装卸系统。

物料自动上下料的过程可以利用机器人运动轨迹的示教过程实现轨迹的规划，在示教过程中确定机器人的运行轨迹参数并存储在机械人存储器里。机器人道路智能规划是提高生产速度和保证生产安全的重要手段。机器人运动的轨迹主要由直线、关节和弧线三种类型构成。直线运动是指装置在两个给定点之间的沿着直线运动，关节运动是装置以最适合装配的方式在两个点之间运动，圆弧运动是指装置沿三个给定点确定的圆弧轨迹上运动。运动点分为两类，如图4所示，Fine表示机器人的运行在该点终止，速度降为0。CNT表示机器人的运行在该点附近终止，且保持运行速度不变或下降到指定比例。机器人的运行轨迹由这三种类型组成，机器人轨迹示教是指在任意空间位置下，通过点运动的方式使机器人运动到物流系统确定的理想位置，然后根据实际状态确定点之间的运动类型和结束点的类型，从而形成机器人的空间运动轨迹，并满足物料系统的需要。根据在线检测工件实际装卸位置和方式的需要，合理规划机器人在装卸过程中的轨迹和姿态，是保证在线检测自动物料装卸的可行性和安全性的关键因素。

3  自动上下料系统与三坐标测量机集成

研制智能化测量单元控制系统的关键是保证单元内各设备之间通信的畅通和稳定[7]，目前，由于实际现有设备的开放性不足，对现场总线的支持程度差别很大。所以该装置的通信系统选择以工业以太网为主，现场总线为辅的方式建立。上位机是设备的控制中心，是设备各部件的“通信终端”。，上位机基于不同层的TCP/IP协议完成与三坐标测量机、以及ABB工业机器人的网络通信。工业机器人和西门子PLC通过PROFINT现场总线连接，有关机器人的数据信息通过现场总线发送给PLC，PLC通过以太网发送给上位机。

三坐标测量机与机器人都是单一设备，相互之间没有任何联系。为了实现自动上下料，三坐标和机器人需要实现动作的配合，如图5所示。

上、下料时机器人首先运动到上料原始位置，然后机器人抓取工件，等待三坐标发出上料请求，然后开始上料，三坐标卡紧工件后，机器手退回到原始位置，这样机器手上料动作就完成了，下料与上料动作类似。经初步分析，执行握手操作需要信号交互。三坐标和机器人的电气部分也需要集成在一起。动作信号主要包含：

（1）来自三坐标一侧的：三坐标上料请求、三坐标上定位工装卡紧工件、三坐标松开工件等；

（2）以及来自机器人的：机器人进给到三坐标固定工装，机器人在卡盘夹紧后返回，卸料时机器人夹住工件，机器人在卸载后离开机床等。

具体方案是在三坐标测量台上固定1套共用卡紧工装，12个待测工位和电气快速连接系统；使用PLC编写逻辑控制程序，实现机器人装夹和工装环节控制。然后根据装卸机器人的握手动作对其进行拆卸，用PLC的PROFINT网络定义三坐标、机器人的每1个动作；这样既方便实现每1个动作之间逻辑关系，也可以利用上位机监控三坐标及机器人动作。

4  自动化检测单元运行效果评价

经自动化检测搭建后统计，阀体检测单元可实现21种产品全自动检测，人工参与时间不超过总检测时间2%，实现了无人值守测量，年节约人力成本30余万元。单件阀体可检测17～30项公差尺寸，测量时间约5分钟，检测效率提升300%。为了分析各主要因素的稳定性，在相同测量条件下，对21种产品各取20件重复上下料装夹6次并测量。对6次测量的数据计算标准偏差，验证自动化检测的重复性精度，利用贝塞尔公式进行重复性分析如图6所示。

经分析，阀体产品经机器人上下料后使用三坐标自动检测重复性精度不大于0.005 mm，因此，检测系统具有较高的稳定性，满足测量要求。

5  结  论

阀体类产品智能化测量单元可实现21种产品的全自动无人值守总检工作；检测效率提升3倍以上，其测量重复性精度介于0.003 mm～0.005 mm之间，产品检测项目覆盖率均达到或超过70%。现场产品检测效率得到有效提高，检测数据的准确性得到有效保障。采用三坐标测量机配合机械人的测量系统通过上述理论研究及搭建可解决了阀体类零件这一测量难题，测量方法已通过编程完成了测量验证；阀体类产品智能化测单元已完成全部聯调工作，这是厂内首次智能化检测技术的应用，彻底解决了传统测量方法带来的问题和隐患，提高了测量准确性和测量效率，后续将对自动测量关键参数及方法进行总结、推广，为以后的自动检测生产线搭建工作奠定基础。

参考文献：

[1] 傅建中.智能制造装备的发展现状与趋势 [J].机电工程，2014，31（8）：959-962.

[2] 冯兆斌.军工企业数字化制造系统建设方案初探 [J].企业技术开发，2015，34（2）：39-40.

[3] 喻志响.轴套零件数字化无人值守加工关键技术研究 [D].上海：上海大学，2015.

[4] 黄安全，梁华国，胡必君.基于工控机的负压控制系统设计与实现 [J].合肥工业大学学报：自然科学版，2018，41（8）：1035-1040.

[5] 乔宁宁.工业机器人技术的发展与应用分析 [J].新型工业化，2021，11（11）：85-87.

[6] 陈勃琛，郭广廓，董成举，等.工业机器人性能测试技术发展综述 [J].自动化与信息工程，2022，43（1）：20-24+48.

[7] 陈思涛，温良，苟绍轩，等.三坐标测量机在自动化生产单元中的应用 [J].工具技术，2021，55（12）：123-127.

作者简介：李雄飞（1995—），男，汉族，河北邯郸人，硕士研究生在读，研究方向：隐私保护。

收稿日期：2022-09-10