王玉闖，劉德平，馬龍杰

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州　450001)

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基于工業(yè)機(jī)器人的電熱水器倒機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

王玉闖，劉德平，馬龍杰

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州450001)

在某電熱水器的組裝車間內(nèi)，電熱水器的倒機(jī)自動(dòng)化程度很低。針對(duì)這一實(shí)際問(wèn)題，文章結(jié)合工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)，提出了應(yīng)用一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在兩條生產(chǎn)線之間進(jìn)行電熱水器倒機(jī)的方案，并設(shè)計(jì)了一套電熱水器倒機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC為主控制器，協(xié)調(diào)工業(yè)機(jī)器人、兩條生產(chǎn)線以及底殼供料機(jī)之間的動(dòng)作，從而代替人工完成倒機(jī)工作。該系統(tǒng)已經(jīng)在某電熱水器組裝車間得到應(yīng)用，減少了企業(yè)的人工成本，提高了企業(yè)生產(chǎn)車間自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，并且產(chǎn)品的穩(wěn)定性也得到了大幅提高。

工業(yè)機(jī)器人；電熱水器；倒機(jī)；自動(dòng)化系統(tǒng)

WANG Yu-chuang, LIU De-ping, MA Long-jie

(School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001,China)

0　引言

某電熱水器生產(chǎn)車間的倒機(jī)工作是由人工進(jìn)行，人工完成放底殼并把前面流水線生產(chǎn)出來(lái)的半成品熱水器抱起反轉(zhuǎn)180°放于另一條生產(chǎn)流水線上。近些年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)研究和應(yīng)用取得了突出的進(jìn)展，也已經(jīng)應(yīng)用于汽車工業(yè)、物流、碼垛、食品和藥品等領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人正在逐步取代人工從事繁重的工作。因此基于KUKA關(guān)節(jié)機(jī)器人在電熱水器組裝過(guò)程中倒機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，會(huì)在很大程度上提高工廠的自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)效率，減輕了繁重的體力勞動(dòng)，并且該自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)在某電熱水器生產(chǎn)車間正常使用。

1　電熱水器倒機(jī)方案

目前，電熱水器的生產(chǎn)組裝大部分處于人工作業(yè)的狀態(tài)，在流水線組裝的某熱水器生產(chǎn)車間，每個(gè)工人只能完成一個(gè)工位，組裝一臺(tái)熱水器需要大量的人工，而且許多工位勞動(dòng)強(qiáng)度比較大。由于工人工作時(shí)還具有一定的不確定性，產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量得不到嚴(yán)格的控制，降低了生產(chǎn)效率，且廢品率也不能控制。并且隨著人工成本的增加和工人缺失，企業(yè)在招工方面變得越來(lái)越困難。隨著企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，用工成本的增加和生產(chǎn)效率的不均勻，也會(huì)導(dǎo)致企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中處于不利地位，因此生產(chǎn)車間的自動(dòng)化水平的提高已經(jīng)變得日趨重要。

由于工業(yè)機(jī)器人有著高度的準(zhǔn)確性、可靠性和重復(fù)性，因此利用工業(yè)機(jī)器人來(lái)代替人工作業(yè)，不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，而且能有效降低次品率。機(jī)器人可以連續(xù)工作，比起人來(lái)說(shuō)，機(jī)器人可以不用休息，連續(xù)作業(yè)。而且不受人為因素的影響，不像人一樣容易受情緒的影響。此外，機(jī)器人具有可編程功能和工作多樣性的特點(diǎn)，因而能適應(yīng)需求多變的市場(chǎng)[4]?；谝陨系目紤]，采用工業(yè)機(jī)器人來(lái)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行銜接的方案。

2　總體設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人的倒機(jī)系統(tǒng)是采用一臺(tái)機(jī)器人來(lái)銜接兩條生產(chǎn)線從而完成半成品的特定工序的搬運(yùn)工作。該系統(tǒng)主要由工業(yè)機(jī)器人、可編程控制器、人機(jī)界面、兩條自動(dòng)化流水線、供料機(jī)等設(shè)備組成。該系統(tǒng)以PLC為控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)鏈接與通訊并實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備集中管理，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人完成特定的工序。

2.1系統(tǒng)方案布置

系統(tǒng)主要由工業(yè)機(jī)器人、生產(chǎn)線1、生產(chǎn)線2、供料機(jī)、防護(hù)欄組成。根據(jù)車間場(chǎng)地空間位置，兩條流水線在一條線上，而機(jī)器人在兩條流水線對(duì)接的位置，負(fù)責(zé)生產(chǎn)線1和生產(chǎn)線2之間的半成品倒機(jī)工作，供料設(shè)備及所有設(shè)備方案布置如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)布局

2.2電氣控制

整個(gè)系統(tǒng)有兩條生產(chǎn)線，一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人和一臺(tái)底殼供料機(jī)組成，各設(shè)備間的協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)及循環(huán)動(dòng)作有控制系統(tǒng)來(lái)完成，同時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)各設(shè)備間的動(dòng)作關(guān)系來(lái)安排協(xié)調(diào)各設(shè)備的下一步動(dòng)作，控制系統(tǒng)的起動(dòng)停止等。

此系統(tǒng)以PLC作為中央控制系統(tǒng)，接收并處理生產(chǎn)線、工業(yè)機(jī)器人、底殼供料機(jī)發(fā)送的信號(hào)，控制各設(shè)備間的動(dòng)作協(xié)調(diào)，并告訴各設(shè)備下一步的動(dòng)作，以便各設(shè)備間協(xié)同完成整個(gè)倒機(jī)任務(wù)。PLC接有人機(jī)交互界面觸摸屏，工人可以通過(guò)觸摸屏來(lái)觀察并了解該系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止等。PLC通過(guò)I/O接口與設(shè)備間進(jìn)行交互通訊，下圖2為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3系統(tǒng)工作流程

電熱水器的內(nèi)膽在生產(chǎn)線1上組裝成半成品，在最后通過(guò)導(dǎo)正機(jī)構(gòu)，使得電熱水器的壁掛正對(duì)著機(jī)器人一側(cè)，之后通過(guò)行程開關(guān)、阻擋氣缸等檢測(cè)電熱水器的位置并定位。到位以后，感應(yīng)器感應(yīng)到信號(hào)，并通過(guò)PLC把可抓信號(hào)發(fā)給機(jī)器人，機(jī)器人動(dòng)作，由末端執(zhí)行器抓去內(nèi)膽(抓取熱水器上的壁掛)，提起后，下一個(gè)電熱水器再次流入此位置等待機(jī)器人抓取。內(nèi)膽被機(jī)器人提起后，由機(jī)器人動(dòng)作把電熱水器翻轉(zhuǎn)180°后放到生產(chǎn)線2上的底殼內(nèi)，在放之前機(jī)器人會(huì)接收到生產(chǎn)線2上感應(yīng)器的可放信號(hào)，否則機(jī)器人不予放置。底殼由底殼供料機(jī)把底殼自動(dòng)供給到生產(chǎn)線2的指定位置，并固定，以待機(jī)器人把電熱水器放在底殼上，之后流走。流走后底殼繼續(xù)供給生產(chǎn)線2，以備機(jī)器人下次抓取熱水器時(shí)使用。如此循環(huán)動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)該工序的自動(dòng)化操作。

圖3　倒機(jī)系統(tǒng)工作流程圖

整個(gè)系統(tǒng)正常工作過(guò)程中完全自動(dòng)化，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)人化操作。圖3為電熱水器倒機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的工作流程圖，生產(chǎn)線1、生產(chǎn)線2、機(jī)器人、底殼供料機(jī)按生產(chǎn)節(jié)拍12s相互配合完成整個(gè)動(dòng)作流程。

3　工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器即機(jī)器人的手，是工業(yè)機(jī)器人用于抓取和握緊(吸附)噴槍、焊具、扳手、噴頭等專用工具并進(jìn)行操作的部件[7]。末端執(zhí)行器安裝于機(jī)器人的手臂的前端用于執(zhí)行特定的操作。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的執(zhí)行器主要由兩個(gè)氣缸、連接板、固定板、移動(dòng)夾爪1和2、固定夾爪1和2等組成，如下圖4所示。執(zhí)行器在原點(diǎn)位置時(shí)，兩個(gè)夾爪由氣缸帶動(dòng)打開，然后沿規(guī)定路徑運(yùn)動(dòng)到抓取位置，由氣缸帶動(dòng)夾爪閉合，從而夾緊壁掛。放下時(shí)，機(jī)器人先沿規(guī)定路徑運(yùn)動(dòng)到松開位置，兩個(gè)氣缸運(yùn)動(dòng)，夾爪打開，機(jī)器人復(fù)位，熱水器被放到生產(chǎn)線2上。

此執(zhí)行器通過(guò)氣缸帶動(dòng)夾爪運(yùn)動(dòng)，氣缸上有感應(yīng)器感應(yīng)氣缸移動(dòng)距離的多少，從而達(dá)到可以調(diào)節(jié)的目的。采用此形式的執(zhí)行器，能夠在順利完成倒機(jī)工作的前提下很大程度上提高效率。

圖4　執(zhí)行器詳圖

4　工業(yè)機(jī)器人的選型和程序設(shè)計(jì)

目前，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在世界范圍內(nèi)已日趨成熟，出現(xiàn)了一批有影響力的、著名的機(jī)器人公司，主要有ABB、KUKA、FANUC等等。每個(gè)公司生產(chǎn)的機(jī)器人有不同的型號(hào)，各個(gè)型號(hào)的機(jī)器人又有不同的特點(diǎn)、性能、使用場(chǎng)合。因此要根據(jù)自己所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體的要求來(lái)選擇機(jī)器人，也要根據(jù)開發(fā)者自身對(duì)各種機(jī)器人的了解程度來(lái)選擇，以減少難度和成本。

4.1選型

圖5　KUKA-KR60-3機(jī)器人

本次設(shè)計(jì)需要的工業(yè)機(jī)器人需要具有良好的柔性、運(yùn)動(dòng)靈活性、能完成復(fù)雜動(dòng)作的等特點(diǎn)，且要求機(jī)器人的抓取靜態(tài)重量在20kg左右，工作半徑1.7m。本系統(tǒng)中使用的KUKA-KR60-3工業(yè)機(jī)器人如圖5，它為6軸機(jī)器人，最大回轉(zhuǎn)半徑為2033m，可重復(fù)精度高，最大負(fù)荷為60kg。I/O接口16點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出，通過(guò)I/O接口可以實(shí)現(xiàn)和PLC交互通訊。此機(jī)器人可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。并且機(jī)器人生產(chǎn)效率高、高速高精，具有專用的編程工具，易于編程并且具有良好的人機(jī)界面。

圖6　程序流程圖

4.2程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人編程可以保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程和流程將自動(dòng)完成并始終可反復(fù)，庫(kù)卡機(jī)器人使用的編程語(yǔ)言是KRL-KUKA Robot Language(庫(kù)卡機(jī)器人編程語(yǔ)言)[13]。庫(kù)卡機(jī)器人編程語(yǔ)言與VC語(yǔ)言相似，都是采用模塊化的編程方法。KUKA機(jī)器人可以采用在線編程和離線編程兩種方法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、通信和I/O控制。

為了滿足電熱水器倒機(jī)過(guò)程的動(dòng)作流程，編制了工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)程序，圖6為主程序的流程圖。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文以生產(chǎn)車間電熱水器倒機(jī)為研究背景，在分析了其工藝流程及控制需求的基本條件的基礎(chǔ)上，提出了基于工業(yè)機(jī)器人的電熱水器倒機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和方法。設(shè)計(jì)了基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在某電熱水器生產(chǎn)車間得到很好的應(yīng)用。 ，電熱水器的倒機(jī)工作需要人工來(lái)完成，并且還要完成底殼的放置等工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大。該系統(tǒng)投入使用后，此工位不需要人力操作，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了企業(yè)用人成本，提高了工廠自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況來(lái)看，所設(shè)計(jì)的電熱水器倒機(jī)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的功能需求，具有很好的實(shí)用性和設(shè)備穩(wěn)定性，滿足了生產(chǎn)車間的生產(chǎn)需求，避免了因人為因素造成的產(chǎn)品損壞，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

[1] 曹斌，秦磊，汪軍. 采用關(guān)節(jié)機(jī)器人的齒輪機(jī)床自動(dòng)上料對(duì)齒方法的研究 [J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(3):63-65.

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(編輯李秀敏)

Design and Research of the Turning of Electric Water Heater Automation System Based on Industrial Robot

In the assembly workshop of electric water heater, the turning automation of electric water heater is very low. Aiming at this practical problem, this paper puts forward the application of an industrial robot for turning of electric water heater between two production lines with the characteristics of industrial robot and designs a set of turning of electric water heater automation system. The system uses PLC as the main controller to coordinate among the industrial robot, two production lines and shell bottom feeding machine movement and use this system to replace the manual to finish the turning of electric water heater. The system has been applied in the assembly workshop of a certain electric water heater, which can reduce the labor cost, improve the automation level and production efficiency of the enterprise, and improve the stability of the product.

industrial robots; electric water heater; machine turning; automatic system

1001-2265(2016)09-0058-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.016

2015-10-29

王玉闖(1990— )，男，河南駐馬店人，鄭州大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控加工、自動(dòng)化、機(jī)電一體化，(E-mail)wychuangzzu0319@163.com。

TH16;TG659

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