賈 沛，葉愛(ài)萍，張少偉，謝衛(wèi)林，林志強(qiáng)

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.廣州汽車(chē)集團(tuán)乘用車(chē)有限公司，廣州 511434；3.廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣州 510165）

國(guó)產(chǎn)搬運(yùn)機(jī)器人在國(guó)產(chǎn)汽車(chē)沖壓生產(chǎn)線中的應(yīng)用

賈 沛1，葉愛(ài)萍1，張少偉2，謝衛(wèi)林2，林志強(qiáng)3

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.廣州汽車(chē)集團(tuán)乘用車(chē)有限公司，廣州 511434；3.廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣州 510165）

主要從項(xiàng)目實(shí)際出發(fā)，介紹廣汽乘用車(chē)生產(chǎn)線上國(guó)產(chǎn)搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用情況，著重從國(guó)產(chǎn)機(jī)器人性能及完成的功能等方面展開(kāi)詳細(xì)介紹，并對(duì)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，最后通過(guò)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人和進(jìn)口機(jī)器人的對(duì)比指出國(guó)產(chǎn)機(jī)器人在汽車(chē)生產(chǎn)線中存在的不足，為國(guó)產(chǎn)機(jī)器人改進(jìn)提供部分依據(jù)。

國(guó)產(chǎn)機(jī)器人；機(jī)器視覺(jué)；搬運(yùn)；裝車(chē)

0　引言

由于我國(guó)近年來(lái)人力成本不斷提高，導(dǎo)致了很多企業(yè)招工難的問(wèn)題越來(lái)越突出；同時(shí)為了提高工作效率和提高產(chǎn)品品質(zhì)，越來(lái)越多的生產(chǎn)廠家采用工業(yè)機(jī)器人替代人工完成生產(chǎn)任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人自上世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，在各種應(yīng)用上已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，我國(guó)從1986年第一次開(kāi)始在生產(chǎn)中使用工業(yè)機(jī)器人，直到現(xiàn)在，我國(guó)的絕大多數(shù)行業(yè)中都有工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，但其中80%以上采用了進(jìn)口機(jī)器人。目前國(guó)外工業(yè)機(jī)器人的四大供應(yīng)商分別為瑞士ABB、日本FANUC、日本YASKAWA以及德國(guó)KUKA。國(guó)內(nèi)逐步走向成熟的機(jī)器人廠家有廣州數(shù)控、沈陽(yáng)新松、南京埃斯頓、安徽埃夫特等。由于大部分的國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的核心部件都依靠進(jìn)口，另外我國(guó)機(jī)器人的研發(fā)起步較晚，導(dǎo)致目前國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的功能及穩(wěn)定性等方面與國(guó)外機(jī)器人相比仍存在一定的差距。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷穩(wěn)步發(fā)展，未來(lái)幾年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)機(jī)器人需求量會(huì)不斷增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)預(yù)測(cè)，到2016年，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人保有量有望超過(guò)13萬(wàn)臺(tái)，同時(shí)也成為全球需求最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)[1]。但是各種工業(yè)使用環(huán)境對(duì)機(jī)器人的要求是在完成相應(yīng)功能的基礎(chǔ)上，須保證系統(tǒng)穩(wěn)定性高，故障越少越好，如果出現(xiàn)故障需要及時(shí)找到原因并及時(shí)解決。這些需求無(wú)疑對(duì)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的發(fā)展應(yīng)用提出了更高的要求。因此，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人必須要抓住各種契機(jī)，通過(guò)大量投入應(yīng)用，不斷地完善創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)替代進(jìn)口，降低企業(yè)制造成本的目標(biāo)。

為提升國(guó)產(chǎn)機(jī)器人發(fā)展水平，在2010年國(guó)務(wù)院將高端智能裝備制造列為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，其中明確工業(yè)機(jī)器人是重點(diǎn)發(fā)展方向。在這種環(huán)境下，同時(shí)針對(duì)國(guó)產(chǎn)品牌汽車(chē)覆蓋件高效制造的需要，我們?cè)凇案邫n數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”重大專(zhuān)項(xiàng)支持開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)伺服及機(jī)械壓力機(jī)智能化沖壓應(yīng)用示范生產(chǎn)線中使用國(guó)產(chǎn)機(jī)器人完成轎車(chē)沖壓覆蓋件的搬運(yùn)碼垛，下面將詳細(xì)介紹國(guó)產(chǎn)機(jī)器人在廣汽汽車(chē)覆蓋件沖壓生產(chǎn)線上的具體應(yīng)用。

1　國(guó)產(chǎn)機(jī)器人搬運(yùn)及裝箱系統(tǒng)

國(guó)產(chǎn)機(jī)器人搬運(yùn)及裝箱系統(tǒng)是廣汽轎車(chē)覆蓋件沖壓生產(chǎn)示范線（如圖1所示）線尾的沖壓件的搬運(yùn)裝車(chē)及配套輸送系統(tǒng)，主要是將生產(chǎn)線沖壓完的汽車(chē)覆蓋件通過(guò)人工打磨并判斷是否合格，通過(guò)傳送帶和機(jī)器人配合完成合格品和不合格品的裝箱及輸送，具體描述如下。

1）工件由壓機(jī)Press5制造完成后，經(jīng)ABB下料機(jī)器人R61取件后根據(jù)需要放到線尾的雙向皮帶機(jī)上（一個(gè)方向輸送到人工裝箱皮帶線，另一個(gè)方向輸送到自動(dòng)裝箱皮帶線），如需自動(dòng)裝箱，則設(shè)置雙向皮帶機(jī)方向?yàn)樽詣?dòng)裝箱狀態(tài)，并通過(guò)一條彎道皮帶線輸送到一條直線皮帶線（皮帶線速度恒定且正常情況下不暫停）。質(zhì)檢工人在零件輸送過(guò)程中完成零件打磨和質(zhì)檢，并按下相應(yīng)按鈕給出是否合格信號(hào)，系統(tǒng)得到信號(hào)后協(xié)調(diào)1～4號(hào)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人去準(zhǔn)備，等待視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行線上位置和方向確定好后，做相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)整，并在適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行工件的在線抓取，抓取零件后放置到相應(yīng)的臺(tái)車(chē)上，從而完成機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)和裝車(chē)。

2）裝車(chē)完成后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行聲光提示，提醒操作工完成滿(mǎn)車(chē)的叉取和空車(chē)的更換，空車(chē)更換完畢后系統(tǒng)進(jìn)入新的裝車(chē)循環(huán)。

圖1　廣汽汽車(chē)生產(chǎn)線整線布局圖

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

國(guó)產(chǎn)機(jī)器人搬運(yùn)及裝箱系統(tǒng)由4臺(tái)國(guó)產(chǎn)6軸搬運(yùn)機(jī)器人、配套的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、輸送皮帶線、安全圍欄、安全升降門(mén)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。

1.2廣數(shù)RB165機(jī)器人

系統(tǒng)中所采用廣州數(shù)控設(shè)備有限公司自出研發(fā)生產(chǎn)的RB165型工業(yè)機(jī)器人，其機(jī)器人控制器、伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵功能部件均由廣數(shù)自主生產(chǎn)，該機(jī)器人主要應(yīng)用于打磨、拋光、機(jī)床上下料、沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線的自動(dòng)搬運(yùn)等。

通過(guò)分析項(xiàng)目需求和性能指標(biāo)，在選取機(jī)器人時(shí)分別調(diào)研了廣州數(shù)控和進(jìn)口機(jī)器人的基本情況，整理得到國(guó)內(nèi)機(jī)器人與進(jìn)口廠家機(jī)器人的對(duì)比信息表，如表1所示。

表1　國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口機(jī)器人對(duì)比信息表

通過(guò)綜合比較，我們可以看到國(guó)產(chǎn)機(jī)器人雖然價(jià)格比進(jìn)口機(jī)器人便宜，但在性能仍有一定差距。我們最終選用的廣州數(shù)控生產(chǎn)的RB165機(jī)器人，如圖2所示。目前這款機(jī)器人的90%以上關(guān)鍵部件、機(jī)器人控制系統(tǒng)、機(jī)器人伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)生產(chǎn)，只有RV減速機(jī)現(xiàn)靠日本進(jìn)口，但目前也在自主研發(fā)生產(chǎn)RV減速器，已經(jīng)配在部分機(jī)型上使用，效果較理想。

圖2　廣數(shù)RB165機(jī)器人圖示

1.3控制系統(tǒng)

RB165機(jī)器人的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用了廣數(shù)自主研發(fā)的交流伺服電機(jī)，并在機(jī)器人設(shè)計(jì)中研究了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和動(dòng)態(tài)時(shí)間響應(yīng)參數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)[2]。

1.4皮帶機(jī)控制系統(tǒng)

彎道和直道皮帶機(jī)均采用國(guó)產(chǎn)皮帶機(jī)，其運(yùn)行速度為10～45米/分鐘可調(diào)，皮帶機(jī)尾部設(shè)置移動(dòng)式鈑金臺(tái)，尺寸為2290mm×1800mm×950mm（長(zhǎng)×寬×高），用于零件線尾搬運(yùn)，皮帶機(jī)高度為1000mm，可調(diào)范圍為±100mm。皮帶線具備啟動(dòng)、停止功能，同時(shí)可以根據(jù)壓機(jī)的生產(chǎn)節(jié)拍來(lái)調(diào)節(jié)皮帶線傳送速度，配合機(jī)器人和視覺(jué)來(lái)移動(dòng)抓取工件。

圖3　RB165機(jī)器人控制系統(tǒng)組成

1.5視覺(jué)跟蹤抓取系統(tǒng)

由于本系統(tǒng)中的機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)采用兩套康耐視(Cognex)的In-Sight5403視覺(jué)系統(tǒng)完成圖像采集、視覺(jué)處理和工件跟蹤定位，每?jī)膳_(tái)機(jī)器人通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)共用一套視覺(jué)系統(tǒng)。視覺(jué)系統(tǒng)的靜態(tài)分辨率為1600×1200，位深為256個(gè)灰度級(jí)別，內(nèi)置兩個(gè)高速輸出，同時(shí)支持TCP/IP協(xié)議和RS-232C協(xié)議通信，在使用以太網(wǎng)連接時(shí)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接多個(gè)設(shè)備，便于與機(jī)器人進(jìn)行通信。圖4為康奈視In-sight瀏覽器軟件對(duì)5403進(jìn)行配置的界面示意。

圖4　通過(guò)In-sight瀏覽器軟件配置5403

1.6端拾器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中要求4臺(tái)機(jī)器人端拾器規(guī)格完全一樣，采用真空吸件方式，端拾器上預(yù)留氣管接口，并配有真空檢測(cè)及顯示，并且和整個(gè)系統(tǒng)連鎖。由于汽車(chē)覆蓋件多種多樣，且不規(guī)則，表面凹凸不平，所以機(jī)器人端拾器的設(shè)計(jì)需要根據(jù)各種沖壓件的外貌進(jìn)行支架的長(zhǎng)短和方向的細(xì)微調(diào)整。每套端拾器包含兩套真空發(fā)生器及8套真空吸盤(pán)。圖5為系統(tǒng)中所用端拾器的三維設(shè)計(jì)模型示意。

圖5　機(jī)器人端拾器3D設(shè)計(jì)模型

1.7系統(tǒng)工作流程

按照要求，四臺(tái)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人分工合作完成每分鐘6～10件的節(jié)拍，由皮帶機(jī)系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)器人組來(lái)配合完成工件的在線抓取和裝箱，時(shí)序圖如圖6所示，系統(tǒng)工作流程如下：

圖6　國(guó)產(chǎn)機(jī)器人搬運(yùn)及裝箱系統(tǒng)時(shí)序圖

如果皮帶機(jī)上檢測(cè)到有工件且已經(jīng)到位，則啟動(dòng)視覺(jué)控制系統(tǒng)。

視覺(jué)控制系統(tǒng)拍照并識(shí)別后進(jìn)入控制系統(tǒng)。

如果工件是合格品，則通知1、2號(hào)機(jī)器人組，并返回各自的空閑狀態(tài)信息。如果1、2號(hào)機(jī)器人至少有一個(gè)空閑，則發(fā)出指令指定其中一個(gè)機(jī)器人準(zhǔn)備姿態(tài)調(diào)整和適時(shí)抓?。粰C(jī)器人接到任務(wù)指令，啟動(dòng)工作，進(jìn)入相應(yīng)工作程序，工作程序完成后，返回給控制系統(tǒng)完成信息，并更新自己狀態(tài)為空閑；如果1、2號(hào)機(jī)器人都忙，則使用3、4號(hào)機(jī)器人輔助抓取，機(jī)器人接到任務(wù)指令，啟動(dòng)工作，進(jìn)入相應(yīng)工作程序，工作程序完成后，返回給控制系統(tǒng)完成信息，并更新自己狀態(tài)為空閑。

如果工件是不合格品，則通知3、4號(hào)機(jī)器人組，并返回各自的空閑狀態(tài)信息；如果3、4號(hào)機(jī)器人至少有一個(gè)空閑，則發(fā)出指令指定其中一個(gè)機(jī)器人準(zhǔn)備姿態(tài)調(diào)整和適時(shí)抓??；機(jī)器人接到任務(wù)指令，啟動(dòng)工作，進(jìn)入相應(yīng)工作程序。工作程序完成后，返回給控制系統(tǒng)完成信息，并更新自己狀態(tài)為空閑；如果3、4號(hào)機(jī)器人都忙，則人工輔助完成搬運(yùn)和裝箱。

2　關(guān)鍵技術(shù)解析

項(xiàng)目中機(jī)器人抓取成功與否的關(guān)鍵在于機(jī)器人與視覺(jué)系統(tǒng)的協(xié)同定位，在項(xiàng)目中視覺(jué)系統(tǒng)要完成工件的精確定位，主要存在以下問(wèn)題：1）抓取的工件尺寸規(guī)格比較大，超過(guò)了1000mm×1500mm，同時(shí)工件的形狀比較復(fù)雜；2）工件到達(dá)抓取工位前，需要通過(guò)一條半徑3500mm的90°的轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)，工件在轉(zhuǎn)向后的位姿偏差較大；3）工件運(yùn)行速度較快，正常工作時(shí)超過(guò)25米/分鐘；4）由于現(xiàn)場(chǎng)工作空間限制，導(dǎo)致機(jī)器人抓取工件后姿態(tài)調(diào)整幅度較大。

通過(guò)對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析后最終選取了康奈視的5403相機(jī)和25mm的鏡頭，設(shè)定工作距離大于2400mm，在機(jī)器人抓取工位前安裝有一套對(duì)射傳感器，作為視覺(jué)定位的觸發(fā)信號(hào)。測(cè)試前對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)需設(shè)置工件圖像捕捉、機(jī)器視覺(jué)與機(jī)器人的坐標(biāo)標(biāo)定等工作，另外在現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)時(shí)還需要根據(jù)實(shí)際情況完成機(jī)器人坐標(biāo)系進(jìn)行矯正、工件圖像角度補(bǔ)償，最終完成了工件的準(zhǔn)確抓取。

3　結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌，參與國(guó)際分工的巨大挑戰(zhàn)[3]。國(guó)產(chǎn)機(jī)器人在整體性能上與國(guó)際水平存在一定的差距，在核心技術(shù)的創(chuàng)新方面嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口，這無(wú)疑給國(guó)產(chǎn)機(jī)器人發(fā)展帶來(lái)較大的阻力。為此，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人需要在控制器、減速機(jī)等關(guān)鍵部件上加大自主研發(fā)力度，在提高整體性能的基礎(chǔ)上，不斷降低成本，減少與國(guó)外機(jī)器人之間的綜合差距，從而不斷抵制國(guó)外機(jī)器人占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的現(xiàn)象，充分發(fā)展中國(guó)本土化制造業(yè)，從而在世界制造業(yè)中博得一席之地。

[1] 郭紀(jì)斌.國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)研究[J].中國(guó)科技縱橫,2015,(10):206-206,208.

[2] 劉洋洋.廣數(shù)機(jī)器人專(zhuān)用伺服電機(jī)技術(shù)分析[J].機(jī)電信息,2015,(12):93-94.

[3] 湯嘉榮.淺析我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展與研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012,(32):94.

Application of domestic moving robot in automobile production line

JIA Pei1, YE Ai-ping1, ZHANG Shao-wei2, XIE Wei-lin2, LIN Zhi-qiang3

TP249

A

1009-0134(2016)02-0071-04

2015-12-17

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助

賈沛（1975 -），男，高級(jí)工程師，本科，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化技術(shù)應(yīng)用。