机器人清洗机系统设计要点

机器人清洗机系统设计要点机器人清洗机系统设计要点关键词：机器人，清洗机，要点，设计，系统机器人清洗机系统设计要点本文简介：摘要：设备的可靠性很大程度上取决于前期设计和制造环节，本文结合实际应用经验，从前期设计方面，论述了发动机行业机器人清洗机系统设计思路、关键单元及核心部件选型设计要点，从而有效提高设备可靠性。关键词：机器人清洗机；清洗机器人选型夹爪设计1前言近年来，机器人清洗机以高柔性，高精度、结构简单、能耗低、占用机器人清洗机系统设计要点本文内容：摘要：设备的可靠性很大程度上取决于前期设计和制造环节，本文结合实际应用经验，从前期设计方面，论述了发动机行业机器人清洗机系统设计思路、关键单元及核心部件选型设计要点，从而有效提高设备可靠性。关键词：机器人清洗机；清洗机器人选型夹爪设计1前言近年来，机器人清洗机以高柔性，高精度、结构简单、能耗低、占用空间小，后期维护成本低等优势[1]，在发动机机加工清洗行业已成为主流发展趋势。但国内机器人清洗机装备行业起步晚，使用、设计制造经验不足，设备故率高。清洗机作为发动机缸体缸盖辅机，在生产线上与CNC机床多为串联方式，如果清洗机停线，即造成整个生产线停线，在大批量的生产中，将造成极大的产量损失。因此，机器人清洗机的可靠性是先期设计考虑的关键问题。2总体方案设计2.1确定设备功能及工艺流程清洗机的主要功能是用来清洗及干燥零件，以保证产品的清洁度，但有时也复合了去毛刺功能。机器人清洗机工艺流程与传统清洗机基本相同，通常由浪涌清洗-高压去毛刺/毛刷去毛刺（可选）-定点定位清洗-翻转沥水-扫描吹干-定点吹干-鼓风冷却-真空干燥工艺等流程组成，为节约成本，预清洗/中间清洗机不需要“真空干燥”工位也可满足产品干燥度要求。2.2确定设备布局方式机器人清洗机是对传统清洗机运动结构的简化集成，即将传统清洗室内各夹具单元、运动单元功能集成在机器人，主要动作均由机器人完成。设备布局主要取决于设备功能、生产节拍，清洁度&干燥度要求及现场空间。按机器人数量划分，常见布局有两种类型：a.单台机器人布局如图1案例（某发动机工厂缸体中间清洗机）。根据实践经验，适应于节拍≥80s，且清洁度&干燥度要求较低，清洗特征相对较少的预清洗/中间清洗机；机器人夹持工件进行清洗，上下料输送采用整体通过式滚道+升降台实现[2]。b.多台机器人布局如图2案例，根据实践经验，适应于节拍＜80s,清洁度&干燥度要求较高，清洗特征较多，且多兼顾去毛刺要求的最终清洗机；对于机器人负载，可以设计成机器人抓取工件类型，也可以设计成机器人拿着喷枪形式，也可以将两种形式组合在一起，形成大小机器人共线模式。3清洗室设计要点机器人清洗机除清洗室而外，其它功能单元结构与传统清洗机无明显差异，应用已经比较稳定成熟。清洗室因工况恶劣，是故障高发单元，故整机设计要点主要集中在清洗室部件的设计及选型上。3.1清洗机特殊工况确认以某发动机工厂中间清洗机为例，清洗过程中，清洗室内各零部件，如机器人、夹爪、管路，喷室，密封材料等长期受到具有一定压力的清洗液喷淋、冲刷、甚至浸泡，以及飞溅的铁屑、杂质等污染；且为保证清洗效果，清洗液需进行加热，加热后温度达到35℃~60℃，在清洗室内会形成热蒸汽及油雾。清洗液往往是由几种化学成分组成，具有一定碱性（pH值在8.5~10.5之间），可能产生化学反应导致腐蚀。综合上述工况条件，清洗机设计需遵循以下原则：a.合理布局，能布置在外部的结构部件，尽量不要布置在清洗室内；b.清洗室内所有零部件要具有防水（包含热蒸汽）、防尘、耐腐蚀、耐高温能力。3.2清洗室零部件选型技术要点清洗室内所用到的零部件，可能有多种选择，但是否适应工况，需对其关键技术参数，技术性能要做到充分理解，这样选择的零部件才可保证长期运行的可靠性。a.防水、防尘能力：IP防护等级是电气设备安全防护的重要评判标准，针对防尘能力，通过选择适合的IP等级完全可满足防尘要求；但对防水能力，仅看IP等级是不可靠的，因为IP等级只是在一定测试条件下得出的，并未将产品在各种工况条件下的使用寿命纳入考虑。例如某进口IP69品牌接近开关，多次验证，在清洗室内使用寿命仅1~2个月，原因是它的接线部分因清洗液腐蚀作用密封性变差。另外，防水IP等级不是越高越好，如在水流喷射环境下的元器件，采用IP65（防喷射型）可以适应工况，但采用等级更高的IP67（防浸型）却无法适应。综上，为满足设备使用寿命，防水能力的选择要综合IP等级，元器件材料，结构，布局等来选择最可靠的方式。b.耐高温、耐腐蚀,耐压能力：清洗室内所有零部件（包括电气线缆），要与制造厂家核对产品材料性能参数，确认长期高温条件下是否会发生老化，与清洗液是否发生化学反应，在清洗液区域是否能够承受清洗液压力。例如清洗室内蝶阀、喷室板等使用的密封材料，选用硅橡胶虽然也耐腐蚀，耐高温，但其抗张强度和抗撕裂强度性能较差，受力后极易发生破损，根据使用经验，短则几周，长则3~6个月就会发生破损失效，无法满足长期使用要求，而聚四氟乙烯材料耐压强度高达64bar，耐腐蚀，耐高温能力大于硅橡胶，是清洗室内最佳密封材料。3.3清洗室核心部件选型&设计清洗室内动作基本全部由机器人完成，机器人及其夹爪是清洗机最关键核心部件。3.3.1清洗机器人选型通常机器人选型主要是根据定位精度，工作半径，负载等参数来选择，用于清洗机的机器人，重点是针对工况选择。按照上述清洗机工况，机图1典型单台机器人布局输送滚道冷却通道扫描吹干定点吹干机器人浪涌清洗定位清洗图2典型多台机器人布局壁挂小机器人地面大机器人地面大机器人吹干工位定点清洗工位浪涌工位器人要具备足够的防水（包含热蒸汽）、防尘，耐腐蚀、耐高温能力。根据技术对比及使用经验，除IP等级外，还应从增压保护、机体材料、构造等诸多方面综合评估：a.内充增压气体保护：为防止清洗室热蒸汽进入机器人内部，内充增压气体保护功能基本是各大品牌清洗机器人的标配。但实际选型时要重点关注，是全部机体充气还是仅某些关节充气，对于清洗机工况，需要全部机体充气[3]。例如某清洗机器人虽显示具备充气功能，但仅是部分关节，所以在实际应用中仍会出现机器人电气故障；b.机体材料：机器人常见的机体材料有铸铁，铸钢和不锈钢，外加环氧涂层或特殊涂层的防腐处理。相比之下，铸铁材料防护能力最差，因各关节机体上存在的铸造工艺孔中会长期储水，相当于将机器人长期置于浸泡环境中；且铸铁材料存在常见的砂眼和气孔等孔洞类缺陷，透过这些缺陷短时防水测试可以达到要求，但长期承受水压及内充气工况后，则易发生渗漏；c.机体构造：整体封装结构防护能力最好，有马达、平衡缸、线缆等外漏结构形式，防护能力最差；d.pH值耐受区：机器人机体材料要能适应清洗液化学成分及其pH值等，如不适应，则机体易被腐蚀而导致防护能力下降；e.关节处密封：机器人各关节接口处的密封也是防护能力的重点关注部位，好的密封形式及材料选型可保证寿命及可靠性；f.其它物理防护：为弥补机器人自身防水能力不足问题，某些机器人采用防水雨衣，但防水雨衣本身也存在损坏或者进水风险，且需定期更换，造成后期维护成本增加，故不建议使用。3.3.2机器人夹爪设计要点机器人夹爪作为执行元件，且直接接触工件，因不同负载对象，不同工况条件，对应不同的设计。a.首先确定工作对象：是夹持工件还是喷枪，如果是工件，则要确定工件的重量、材质、机型品种、换型要求、来料姿态和工作姿态等；b.针对工况设计：选择合理的夹持定位方式，除保证工件具有足够的夹持力外，还需关注夹具是否对清洗特征有遮挡，工作空间范围内是否存在干涉，机器人运行空间是否狭小等问题；c.工件落座，夹紧检测：为防止工件夹紧定位异常，导致工件因定位不准或未夹紧等原因发生掉落，夹爪上需设计有工件落偏、防工件掉落检测装置；为提高机器人抓取工件的准确性及偏差，可配合视觉传感器等来引导机器人定位；d.机器人管线包，夹爪管线合理布置：采用柔性可弯曲的管线及固定方式，确保机器人可在工作区域内具备足够可调整的灵活度，防止管线与机器人发生摩擦磨损。4结论相比传统清洗机，机器人清洗机主要差异在于清洗室内的布局结构变化，项目成功的关键在于确认清楚工况，对关键核心部件技术性能参数做到充分理解评估,使设计及选型正确匹配工况。参考文献：[1]梅杰.机器人在发动机缸体清洗中的应用[J].制造技术与机床,2009（12）:34-37.[2]姚得强.发动机制造中缸体的典型清洗工艺与装备[J].清洗世界,2007,23(6):13-15.[3]孙良欣.中国清洗行业现状与发展趋势展望[J].洗净技术,2003（1）:2-10.作者：汤佳云王刚朱广波单位：上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司