2D90组合压缩机气阀装配机械手设计分析

2D90组合压缩机气阀装配机械手设计分析

王冬杰

松下 . 万宝（广州）压缩机有限公司 511497

摘要：对2D90组合压缩机气阀装置设计一种支持多工位操作的机械手工作平台，在提高机械手使用率的同时，尽可能的降低材料与设备的应用成本，完成工作台机械建模和车架有限元分析，使PLC控制器应用效果达到最佳。结合2D90组合压缩机机械手的功能要求，分别从结构设计、电气设计、通讯与人机界面设计几方面入手，详细阐述2D90组合压缩机启发装配机械手的设计思路。

关键词：2D90组合压缩机；气阀装配；机械手设计

引言：现代化工业生产进程中，机械手的使用效率不断提高，过去生产线中常用到机械手，如今任意一个生产环节都能看到机械手的身影，可见其在工业生产活动中的重要地位。在机械装配环节，机械手能够代替人工完成装配工作，减轻人员工作强度，提高装配效率。设计一款操作方便且成本较低的机械手，支持不同压缩机机型、不同工位与气阀同时应用，可以在统一平台中完成装配任务，从而强化机械手设计的适用性。

1.2D90组合压缩机气阀装配机械手功能要求

2D90组合压缩机气阀装备机械手在设计时应满足生产需求，以提高生产效率作为前提，达到技术先进和经济合理的要求。该自动化设备需要具备以下功能：（1）使用性能。机械手应满足基本的气阀装配所需的强度与刚度，可完成运动动作，保持装配精度，不会出现任何失误。机械手应有足够的可靠性，生产时凭借着机械手的可靠性规避故障问题，且满足现实生产环境。由于机械手装配操作空间大多狭小，且存在油渍，环境污浊，所以机械手的设计应对环境有一定的适应性。机械手不仅操作方便，且使用成本较低，目前主要用于企业批量化生产，可适用于压缩机的不同机型，只需在平台内统一完成装配任务即可。（2）技术性能。机械手必须具备产品适应性与自动化程度，可以适应2D90组合压缩机型号的使用要求，满足气阀部位各个构件型号的装配需求。企业应当从可行性角度出发，在追求技术先进的同时紧紧结合生产实际需求，2D90组合压缩机机械手的设计应当朝着标准化和通用化的方向发展，也要为未来的升级和改造奠定基础。（3）经济性能。2D90组合压缩机机械手系统应支持模块化生产，组装速度不能过慢，生产效率在提升的同时也要兼顾能耗，尽可能的避免能耗过度使用。在满足机械手力学性能的条件下，主张使用节约型环保材料设计2D90组合压缩机机械手。在机械装配环节，机械手平台也具有较强的经济性能，与以往人工装配工作方式相比，机械手能够完全代替人工完成装配工作，减轻人员工作强度，提高装配效率。此外，压缩机气阀装配机械手在应用时应秉承着降低一线工人劳动强度的理念，改善人们的工作环境，分别从人因工程学与人机工程学等领域出发，致力于文明健康生产环境的创造^[1]。

2.2D90组合压缩机气阀装配机械手机械结构设计

为满足机械手运行中需要的承载功能，以车架作为结构核心，机械手设计的合理性将关系到结构稳定度。对车架部分进行建模处理，在Pro/E和有限元软件的应用下进行车间力学分析。2D90组合压缩机比较笨重，大型压缩机的气氛重量在50kg左右，带有抓取能力的机械手重量在800kg左右，工作平台承载力为800kg，自重200kg。将重量达到800kg的机械手向下施加到工作台中，以10000N的提升力朝着向上的方向，将力施加在车架的升降机中，机械手在移动作业和装配作业中，此时车架的最大应力可以达到7.820MPa，小于车架钢材屈服强度，可以满足2D90组合压缩机工况需求。

3.2D90组合压缩机气阀装配机械手电气控制设计

3.1数字输入模型设计

3.1.1传感单元

压缩机工作平台运行中，其电气控制部分选用西门子PLC，编程方式简单，成本较低，功能齐全，能够最大限度上满足压缩机平台设计需求。其中，传感器单元负责数据的采集和机械手运行反馈，传感器中包含红外测距与水平传感器，前者负责测量机械手与工件间的距离，实现机械手平台和装配件之间处于X轴的共线。水平传感器主要负责调平工作台，将反馈到的角度信息传送到控制器，计算升降机转动情况，控制升降机运行，使其达到系统设定的角度。传感单元中的超声波模块内包含两个测距传感器，主要用于工作台两端的测距工作，通过对传感器数值的控制实现平台与装配体Y轴的平行，提高红外传感器测距精度^[2]。

3.1.2计数器单元

该部分主要安装于升降机输入轴处，负责对平台上升、下降以及调平等工况的有效监控。计数器接收到的信号将会在第一时间被反馈到PLC控制端。计算了输入轴的旋转圈数后即可了解升降机的实际提升高度，使机械手平台最终达到设定高度，计数器单元可以与水平传感器实时通讯，指导工作台调平完成。

3.1.3图像处理单元

该模块应用了热成像摄像头，所采集到的图片信息会传送到视觉传感器统一处理，再将处理结果上传到PLC控制器，完成与摄像头热像图片的对比。如果发现区域内存在热源移动情况时，传感器即可认定区域内有人活动，此时机器报警，向2D90组合压缩机机械手发出停止工作的信号，对进入监控区域的人起到保护效果。

3.2数字输出模组设计

2D90组合压缩机中的PLC控制器可以在一定程序下控制伺服电机，再利用PID算法将平台运动情况实时反馈给PLC控制器，这种运动状态和电子罗盘的位置输入比较分析，从而提升位置控制精确度。PLC控制器利用程序对伺服电机加以控制，并驱动升降机完成运动，实现设备提升和下降操作，固定工位，补偿平台高度，扬声器和驱动器能够在2D90组合压缩机机械手关键工作状态下及时播报提示，从而达到预警功能要求。

4.2D90组合压缩机气阀装配机械手通讯与人机界面设计

为了强调2D90组合压缩机机械手操作平台的通用性，强化平台可视化程度，帮助操作人员掌握设备实际运行状态，采用可视化人机交互界面优化机械手通讯设计。使用串口联网模块完成接口的协议转换，使2D90组合压缩机机械手工作平台可以提供出多路并行通讯模式，并在RS485通讯接口应用下预留控制接口，从而达到2D90组合压缩机工业控制过程中的通讯要求。分析设计要点，主要包含以下几部分：（1）人机界面设计。平台中的人机界面可以详细划分为主页、参数、路径、报文报警等部分，其中主页负责显示当前机械手平台的运行状态，对平台开启和关闭予以控制；参数设置页面包含压缩机型号、气阀型号、装配工位等部分。（2）PLC和触屏的通讯设置。在通讯方面，PLC和触屏之间存在标准化通讯组态程序，操作人员可以直接在软件内设置通讯情况，统一设定通讯协议与接口标准。（3）通讯协议之下，PLC和控制柜通讯设置需要以Port0为借口，以便不同型号的设备接入。转换之前协议物理接口是RS485，转换之后的协议接口为RJ45.

总结：总而言之，利用ANSYS Workbench软件进行有限元分析，在满足车架机械结构基本承载能力需求的同时进行2D90组合压缩机机械手的有效设计，所设计的工作平台无论是强度还是刚度，都能满足工作要求。对平台的机械结构和电气控制结构详细分析，为强调2D90压缩机机械手的通用性，提高平台可视化程度，

采用可视化人机交互界面实现该平台的创新设计。

参考文献：

[1]王浩. 2D90组合压缩机气阀装配机械手设计研究[D].沈阳理工大学,2019.

[2]王健,邹昌利,苏放.多工位压缩机气阀装配机械手的工作平台设计[J].成组技术与生产现代化,2018,35(01):11-15+32.