郭 超
（秦皇島威卡威汽車零部件有限公司，河北 秦皇島 066000）
摘 要：【目的】提高汽車行李架加工效率，設(shè)計(jì)一種機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置。【方法】通過(guò)研究機(jī)器人自動(dòng)上下料工藝流程，對(duì)機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)?！窘Y(jié)果】機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置利用儲(chǔ)料式傳送帶集中供料，對(duì)零件進(jìn)行傳送、分離、檢測(cè)后，機(jī)器人抓取和搬運(yùn)，完成上料操作，將成品有序地放在下料車中，完成碼垛操作。【結(jié)論】采用工業(yè)機(jī)器人替代工人進(jìn)行上下料操作，車間生產(chǎn)狀態(tài)從一人操作一臺(tái)設(shè)備變成一人操作多臺(tái)設(shè)備，可降低人力成本，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；自動(dòng)上下料；汽車行李架；RobotStudio仿真；一鍵復(fù)位
汽車行李架是安裝在汽車車頂上的支架，用于攜帶大件物品，如自行車、大件行李、帳篷等，增加了愛車的承載空間，成為越來(lái)越多的車主喜歡選裝的部件[1]。行李架的材質(zhì)多為鋁合金材料，有著較高的強(qiáng)度和硬度，在機(jī)加工成型的工序中，需要工人不斷重復(fù)單一的上下料操作進(jìn)行生產(chǎn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，消耗大量的人力成本，生產(chǎn)效率低。汽車行李架圖如圖 1所示。
圖1 汽車行李架圖
機(jī)器人技術(shù)是機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、人工智能等多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)交叉和融合的一門新興交叉學(xué)科[2]。近年來(lái)，工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平持續(xù)提升，其憑借操作靈活、占地面積小、精度高和成本低等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在汽車制造、電子工業(yè)等領(lǐng)域[3]。汽車行李架機(jī)加工工序采用 PLC+HMI 架構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行程序邏輯控制，采集傳感器的輸入，控制伺服、氣缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人模擬工人的上下料動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)行李架的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)、下料碼垛操作，將員工從重復(fù)和單一的工作中解放出來(lái)，有效降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了員工的作業(yè)環(huán)境，可提高企業(yè)生產(chǎn)效率，為促進(jìn)工廠的智能化和自動(dòng)化發(fā)揮了重要作用[4]。
1 機(jī)器人自動(dòng)上下料工藝流程
工藝流程圖如圖2所示。1）將待加工的零件集中放在上料傳送帶的隔斷內(nèi)，伺服系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)連接PLC，按照人機(jī)界面上預(yù)先設(shè)定的參數(shù)配方，以位置控制模式帶動(dòng)傳送帶向機(jī)器人方向轉(zhuǎn)動(dòng)。2）當(dāng)傳送帶終端的紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)到零件時(shí)，尼龍材質(zhì)的符形塊托起零件，利用零件本身的重力作用，在垂直方向?qū)α慵M(jìn)行位置校正，安裝彈簧緩沖機(jī)構(gòu)的氣缸側(cè)推工作，在水平方向?qū)α慵M(jìn)行二次定位校正，3D激光傳感器對(duì)零件側(cè)面進(jìn)行輪廓掃描，判斷零件是否上錯(cuò)、放反，保證上料位置一致性，提高機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置的穩(wěn)定性。3）PLC通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)讀取機(jī)器人夾具上面的電子標(biāo)簽，采集工裝產(chǎn)品信息，轉(zhuǎn)換成數(shù)字產(chǎn)品代碼后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將代碼發(fā)送給機(jī)器人，用來(lái)自動(dòng)調(diào)用機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡任務(wù)，當(dāng)傳感器檢測(cè)零件合格時(shí)，上料單元啟動(dòng)機(jī)器人。4）機(jī)器人將待加工的零件放置在加工設(shè)備的上料位置，取走已加工完成的零件，同時(shí)啟動(dòng)設(shè)備工作，按照碼垛程序的控制算法，將零件有序地放入下料小車對(duì)應(yīng)位置。5）MES系統(tǒng)對(duì)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信號(hào)連接，利用智能算法進(jìn)行生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量數(shù)據(jù)分析，并自動(dòng)生成表格和圖形，以便進(jìn)行可視化管理[5]。
圖2 工藝流程圖
為提高設(shè)備利用率，機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置設(shè)計(jì)三個(gè)功能。1）抽檢不停機(jī)功能。由于下料車被安全護(hù)網(wǎng)圍在內(nèi)部，質(zhì)檢員在護(hù)網(wǎng)外部接觸不到零件，若進(jìn)入護(hù)網(wǎng)內(nèi)部取件，需要設(shè)備停機(jī)，以保護(hù)人員安全，但會(huì)降低設(shè)備生產(chǎn)效率。抽檢功能只需要員工觸發(fā)抽檢按鈕，機(jī)器人自動(dòng)將加工完成的零件放在下料傳送帶上，傳出防護(hù)網(wǎng)外。2）換車不停機(jī)功能。當(dāng)下料車碼垛裝滿時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，設(shè)備繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)，機(jī)器人自動(dòng)切換下料軌跡，將零件放在下料傳送帶上，換車完成后，員工觸發(fā)啟動(dòng)按鈕，機(jī)器人自動(dòng)切換到下料車碼垛軌跡。3）機(jī)器人一鍵復(fù)位功能。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)，若機(jī)器人沒有停在待機(jī)起始位置，以往需要員工手動(dòng)操作示教器來(lái)復(fù)位機(jī)器人，步驟繁瑣，對(duì)員工技能要求高，一鍵復(fù)位功能可以通過(guò)按住復(fù)位按鈕，機(jī)器人自動(dòng)調(diào)用復(fù)位程序，判斷停止位置，規(guī)劃復(fù)位軌跡，回到待機(jī)位置，操作簡(jiǎn)單方便。
2 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)
機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置分為主體設(shè)備和產(chǎn)品工裝兩部分，通過(guò)更換產(chǎn)品工裝，主體設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格零件的加工，以此適應(yīng)市場(chǎng)上產(chǎn)品多樣化和個(gè)性化的需求。主體設(shè)備由工業(yè)機(jī)器人、上料單元、下料單元、電控系統(tǒng)四部分組成，設(shè)備實(shí)際效果圖如圖3所示。
圖3 設(shè)備實(shí)際效果圖
2.1 工業(yè)機(jī)器人選型
工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)上下料裝置中的主要應(yīng)用為搬運(yùn)和碼垛操作，選型的依據(jù)和重點(diǎn)是動(dòng)作范圍、有效負(fù)載和重復(fù)定位精度。IRB 4600-40/2.55 是 ABB公司開發(fā)的高效通用型機(jī)器人，裝配性能優(yōu)異的IRBP變位機(jī)和IRBT軌跡運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，增強(qiáng)了機(jī)器人對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的適應(yīng)能力，纖巧的機(jī)身使其在避繞障礙物時(shí)，可以保持最高加速度，循環(huán)周期時(shí)間短。IRB 4600的規(guī)格參數(shù)如表1所示。
表1 IRB 4600的規(guī)格參數(shù)
2.2上料單元設(shè)計(jì)
上料單元設(shè)計(jì)采用儲(chǔ)料式傳送帶的形式，集中供料，可以滿足50件待加工零件的同時(shí)擺放，皮帶上的橫條用于隔斷相鄰的兩個(gè)零件，便于零件的分離操作，皮帶支架固定在花軸上，通過(guò)軸承在花軸上的移動(dòng)，調(diào)節(jié)兩側(cè)支架的間隔，使上料單元可以兼容長(zhǎng)度在1.8 m~2.8 m范圍內(nèi)的零件，利用傳送帶兩側(cè)的導(dǎo)向板，對(duì)移動(dòng)的零件進(jìn)行左右方向校正，降低人工零件擺放的位置精度要求。下料傳送帶固定在上料單元的上方，用于抽檢和換車下料，上下料在一側(cè)的設(shè)計(jì)，可以有效減少員工的頻繁走動(dòng)，下料傳送帶的皮帶電機(jī)為220 V調(diào)速電機(jī)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)速旋鈕可以控制皮帶轉(zhuǎn)速，防止速度過(guò)快，導(dǎo)致成品件堆放，造成零件表面磕碰劃傷。
2.3 下料單元設(shè)計(jì)
下料單元由下料小車和小車固定機(jī)構(gòu)兩部分組成，由于不同型號(hào)的汽車行李架形狀相似，所以下料小車設(shè)計(jì)成通用形式，即不同型號(hào)的行李架共用一種下料車，可以降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。小車的車身結(jié)構(gòu)是方鋼焊接成型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固耐用，使用耐磨的布料包裹車身，防止小車運(yùn)輸零件時(shí)產(chǎn)生劃傷。小車固定機(jī)構(gòu)具有導(dǎo)向、定位和鎖死功能，利用電容式傳感器檢測(cè)下料小車的擺放位置，保證每次換車操作后，下料車位置的一致性。
2.4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
選用羅克韋爾1769-L30ERM型號(hào)的CPU作為電控系統(tǒng)的PLC，進(jìn)行程序控制、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和故障診斷；選用羅克韋爾2711P-T6C21D8S型號(hào)的觸摸屏作為人機(jī)界面，用于設(shè)定伺服參數(shù)、手動(dòng)操作HMI上的虛擬按鈕、顯示設(shè)備報(bào)警[6]；選用易福門AC1421型號(hào)的以太網(wǎng)IP網(wǎng)關(guān)配置AS-i從站，控制分布式I/O，與行李架加工設(shè)備進(jìn)行通信，采集傳感器輸入，控制電機(jī)和氣缸等執(zhí)行器機(jī)構(gòu)輸出；選用羅克韋爾Kinetix350型號(hào)的單軸驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)間用兩根電機(jī)線相連接，紅色的電機(jī)線提供電源，綠色的電機(jī)線傳遞電機(jī)編碼器信號(hào)，PLC執(zhí)行MAM控制命令，使伺服電機(jī)按設(shè)定的絕對(duì)位置轉(zhuǎn)動(dòng)，每當(dāng)上料傳送帶旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，伺服電機(jī)的位置值自動(dòng)歸零，防止出現(xiàn)累計(jì)誤差；選用易福門ANT513型號(hào)的RFID讀寫頭，識(shí)別機(jī)器人夾具上的E80371型號(hào)的RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽里寫有當(dāng)前工裝的ID信息，PLC將其與切換工裝時(shí)選擇的產(chǎn)品信息做比較，以驗(yàn)證當(dāng)前工裝是否配方選擇錯(cuò)誤，同時(shí)將產(chǎn)品代碼傳送給機(jī)器人，機(jī)器人利用TEST語(yǔ)法結(jié)構(gòu)來(lái)選擇當(dāng)前產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的上下料程序[7]；利用MES系統(tǒng)對(duì)PLC進(jìn)行設(shè)備產(chǎn)量、運(yùn)行時(shí)間、異常報(bào)警等數(shù)據(jù)采集，通過(guò)智能算法的邏輯計(jì)算，轉(zhuǎn)換成可視的圖形和報(bào)表，進(jìn)行監(jiān)控和管理[8]。開通ABB機(jī)器人EtherNet/IP通信協(xié)議，將機(jī)器人的EDS文件通過(guò)Studio5000軟件導(dǎo)入PLC中，使PLC與機(jī)器人建立硬件組態(tài)，實(shí)現(xiàn)32個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的以太網(wǎng)通信；開通ABB機(jī)器人DeviceNet協(xié)議，使用DSQC652型號(hào)信號(hào)板連接機(jī)器人夾具I/O信號(hào)，控制真空吸盤和氣缸夾爪動(dòng)作。硬件網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示。
圖4 硬件網(wǎng)絡(luò)圖
2.5工裝夾具設(shè)計(jì)
通用型工裝夾具可靠性低，夾持精度不高，影響行李架上料穩(wěn)定性，所以將上料傳送帶的定位機(jī)構(gòu)和機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)成專用型工裝，不同型號(hào)的行李架需要開發(fā)對(duì)應(yīng)形狀和尺寸的工裝[9]。定位機(jī)構(gòu)有零件分離、位置校正、輪廓檢測(cè)功能，是通過(guò)水平和垂直方向的氣缸運(yùn)動(dòng)，以及3D激光輪廓傳感器檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用定位銷和螺絲與機(jī)器人六軸法蘭相連接，降低工裝硬件成本，夾具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由真空吸盤和氣爪組成，利用真空發(fā)生器產(chǎn)生真空壓力，將行李架吸附在夾具上，利用氣爪運(yùn)動(dòng)，鎖緊行李架位置[10]。
3機(jī)器人程序開發(fā)
3.1機(jī)器人軌跡仿真
機(jī)器人仿真圖如圖 5 所示。機(jī)器人程序開發(fā)有手動(dòng)示教和離線仿真兩種方式，手動(dòng)示教是在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，手持示教器操作機(jī)器人移動(dòng)，記錄軌跡位置、編寫邏輯；離線仿真是在軟件里建模，模擬機(jī)器人工作，編寫動(dòng)作程序。機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置利用ABB公司開發(fā)的RobotStudio軟件對(duì)其進(jìn)行離線仿真[11]。1）創(chuàng)建一個(gè)空的工作站，在模型庫(kù)中選擇IRB 4600-40/2.55機(jī)器人模型，并將其導(dǎo)入工作站中。2）選擇“從布局”方式創(chuàng)建機(jī)器人系統(tǒng)，設(shè)置機(jī)器人的RobotWare的版本，配置系統(tǒng)參數(shù)，如添加840-1 EtherNet/IP Anybus Adapter、608-1 World Zones、617-1 FlexPendant Interface等功能。3）將SolidWorks軟件設(shè)計(jì)的上下料主體設(shè)備和產(chǎn)品數(shù)模，以stp格式幾何體導(dǎo)入系統(tǒng)中，按照設(shè)計(jì)布局，擺放各裝置的位置。4）定義工具數(shù)據(jù)，將機(jī)器人夾具的質(zhì)量和重心位置等參數(shù)保存在tooldata中，定義負(fù)荷數(shù)據(jù)，將行李架質(zhì)量和重心保存在loaddata中，分別在上料傳送帶、加工設(shè)備和下料小車三個(gè)位置定義工件坐標(biāo)，保存在wobjdata中。5）將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)曲線生成軌跡指令，配置軸參數(shù)，仿真運(yùn)行機(jī)器人的上下料操作，檢測(cè)機(jī)器人是否發(fā)生碰撞[12]。
圖5 機(jī)器人仿真圖
3.2機(jī)器人一鍵復(fù)位程序開發(fā)
現(xiàn)場(chǎng)異常觸發(fā)機(jī)器人故障停機(jī)，需要設(shè)備具有一鍵復(fù)位功能，快速恢復(fù)正常生產(chǎn)。創(chuàng)建初始化程序rinit()，并添加在主程序main()中，刪除中斷連接，將中斷字符int_Home和中斷程序Return_to_home相關(guān)聯(lián)，將輸入信號(hào)Home_Button與中斷字符int_Home相關(guān)聯(lián)，當(dāng)按住Home_Button按鈕時(shí)，觸發(fā)中斷程序執(zhí)行。機(jī)器人停止移動(dòng)，獲取機(jī)器人當(dāng)前位置，并保存到變量P_Home中，清除真空吸盤工作指令，清除氣爪工作指令，機(jī)器人放下夾具中的零件，在x方向以直線運(yùn)動(dòng)指令移動(dòng)-100距離，在y方向和z方向保持不變，用于安全避讓，然后回到Home位置，機(jī)器人停止。機(jī)器人自動(dòng)復(fù)位程序圖如圖6所示。
4結(jié)語(yǔ)
利用上料單元對(duì)加工零件進(jìn)行存儲(chǔ)、傳送、分離、定位、檢測(cè)，IRB4600工業(yè)機(jī)器人抓取和搬運(yùn)零件進(jìn)行上下料操作，在下料單元進(jìn)行有序的碼垛操作，完成成品存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種用于汽車行李架加工的機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置。通過(guò)RobotStudio軟件對(duì)機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行虛擬仿真，簡(jiǎn)化開發(fā)和設(shè)計(jì)流程，通過(guò)機(jī)器人一鍵復(fù)位功能，降低設(shè)備操作復(fù)雜度。采用工業(yè)機(jī)器人替代工人進(jìn)行上下料操作，車間生產(chǎn)狀態(tài)從一人操作一臺(tái)設(shè)備變成一人操作多臺(tái)設(shè)備，可降低人力成本，提高生產(chǎn)效率，為增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力提供了可靠支持。
圖6 機(jī)器人自動(dòng)復(fù)位程序圖
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