于 翔，夏啟超，王 昊，劉立杰，段彩云

（山東商務職業(yè)學院機電工程系，山東 煙臺 264670）

隨著新興技術的迅猛發(fā)展，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+、智能制造、VR技術已經(jīng)成為新時代產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的主流。市場中訂單需求不斷增多的同時，與其對應的質量要求也在增大，多樣化、多維度、多形態(tài)的技術發(fā)展空間不斷拓寬，制造業(yè)生產(chǎn)模式已由單一化、大批量轉變?yōu)閺秃闲?、多品種[1]。面對當前激勵的市場競爭環(huán)境，企業(yè)需要擁有靈活機動的反應機制，生產(chǎn)可供選擇的全型號、高品質產(chǎn)品，以滿足市場需求。因此，為了避免同質化風險，自動化生產(chǎn)線的升級改造成為了很多以機械產(chǎn)品為主的實體企業(yè)的首選方式。但是傳統(tǒng)的流水線生產(chǎn)模式雖然結構簡單，但是缺乏及時性（JIT）和規(guī)范化，超額生產(chǎn)和配件的反復搬運提高了物資管理成本和人力成本，裝配精度難以有效保證，尤其是當供需關系發(fā)生不穩(wěn)定波動時，流水線往往不負重荷，停產(chǎn)現(xiàn)象時有產(chǎn)生，難以滿足小批量多品種的生產(chǎn)要求。近年來，由于高科技產(chǎn)業(yè)拉動的大幅提升，高精度、高效率和高穩(wěn)定性的多自由度機器人技術日趨成熟和完善，在機械制造業(yè)中，被廣泛應用于產(chǎn)品加工和裝配，逐步取代復雜人工作業(yè)，對實體經(jīng)濟的發(fā)展起到推動作用[2,3]。然而，同時實現(xiàn)工件抓取和裝配的全自動化生產(chǎn)線尚處于實驗階段，適用于復雜表面的特殊機械手也屬于行業(yè)空白。

1 裝配線系統(tǒng)設計

通過企業(yè)調研，依托某型號齒輪泵工裝技術要求，開展以提升自動化生產(chǎn)效率為目標的并行工程研究，自主研發(fā)了自協(xié)調多柔性并行裝配線。該系統(tǒng)由主體框架、控制模塊、執(zhí)行模塊、安全模塊、顯示模塊和照明模塊構成，其中安全執(zhí)行模塊配置了泵體抓取機器人、銘牌鑲嵌機器人和兩臺泵蓋裝配機器人。通過各機器人高精度、自協(xié)調配合，完成齒輪泵泵體、銘牌和全部螺栓的一次性裝配工作，降低工人勞動強度，縮短節(jié)拍時間，提高企業(yè)生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質量。

1.1 主體框架與控制模塊

主體框架與控制模塊由承載安裝平臺、電氣控制柜和壓氣機組成，其主要作用是提供機器人抓取所需的動力，并作為各機器人支撐的著力點。主體框架與傳送帶直接對接，分為上下兩層。

1.2 執(zhí)行模塊與安全模塊

執(zhí)行模塊由四臺機器人組成，分別是安裝在主體框架底部的泵體機器人MH225、吊裝在主體框架頂部的兩個泵蓋裝配機器人TX2-90和一個銘牌抓取機器人TX2-90。每個機器人負責相應配件和半成品的識別和抓取，在各自的運動包絡內完成指定動作。主體框架周圍加裝有光柵傳感器，形成防護壁壘，防止機器人高速運轉時造成人員傷害。

1.3 顯示模塊與照明模塊

顯示模塊安裝在裝配線側面，由看板顯示屏和計算機操作臺組成，方便操作人員及時查看裝配線功能運轉情況。在主體框架頂部裝有照明系統(tǒng)和安全警示燈，操作人員可以在裝配線的任何角度觀察產(chǎn)品的裝配情況，及時發(fā)送配件補充信息，做出適度調整。

2 裝配線功能介紹

2.1 理論模型

假設某項產(chǎn)品的裝配工作任務含有n個工序，單個工序節(jié)拍時間為Tn（n=1,2,3…），完成整個工作任務所需時間為T總=T1+T2+T3+…+Tn。所以，傳統(tǒng)流水線屬于串行生產(chǎn)方式，工作任務的總時間受到各環(huán)節(jié)單個工序節(jié)拍時間影響。如果采用并行生產(chǎn)方式的理念，對部分工序進行合理的整合和壓縮，可以有效縮短裝配總時間，并且提高裝配線的魯棒性和柔性。改進之后，整個工作任務所需的時間變?yōu)門改=min（T1,T2,T3…Tn）。

2.2 產(chǎn)品描述

本企業(yè)生產(chǎn)的齒輪泵由五部分裝配而成，分別為左端蓋、泵體、右端蓋、銘牌和螺栓。企業(yè)原生產(chǎn)線采用串行裝配模式，為了滿足生產(chǎn)線24小時運行，需要超額生產(chǎn)裝配件，并額外分配人力反復進行搬運，造成庫房緊張，物資管理成本較高；串行生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍時間由耗時最長的工序決定，整體效率難以提升；生產(chǎn)線自動化水平難以提升，裝配精度不能保證；整個流水線的布局占地太大，重復性裝配工藝太多，工人活動空間太大，例如螺栓安裝等繁瑣動作占用時間太長。

2.3 實施流程

執(zhí)行系統(tǒng)主要進行齒輪泵裝配工作，首先將齒輪泵分為三部分，第一、三部分為齒輪泵兩側左、右泵蓋，第二部分為齒輪泵泵體。該生產(chǎn)線啟動之后，安全光柵開啟并開始實時監(jiān)測，流水線開始運行，吊裝在主體框架上方的三臺TX2-90機器人（兩臺泵蓋機器人、一臺銘牌機器人）以及裝在框架底部MH225泵體機器人同時開始運轉。

工作過程中，泵體放置在底層傳送帶上，到達位置后由MH225泵體機器人進行抓取并移至指定位置，在抓取時由于泵體本身具有抓取溝槽和機器人信標設計，可以通過分別裝在四臺機械手上的視覺傳感器進行高精度定位，進而實現(xiàn)抓取。同時兩個泵蓋機器人TX2-90位于傳送帶上方，由吊裝在機械手轉接板上的電機逐次開始對裝在生產(chǎn)線上的螺釘進行吸附，通過機械手轉接板上的氣缸動作改變機械手轉接板狀態(tài)，通過視覺傳感器的高精度對接完成上下端蓋的吸附動作，并移動至MH225泵體機器人的運動包絡內由視覺傳感器進行位置識別，實施泵體定位安裝。銘牌機器人TX2-90通過機械手上的視覺傳感器定位銘牌螺釘，通過夾取氣缸裝夾銘牌并移至MH225泵體機器人的運動包絡內再次通過視覺傳感器實現(xiàn)定位安裝。最后三臺TX2-90機器人同步進行裝配。齒輪泵總裝完成，由MH225泵體機器人將裝配完成的齒輪泵放置傳送帶送往下一工序，其工作流程，如圖1所示。

圖1 齒輪泵自協(xié)調裝配

3 裝配線的主要特征

3.1 低強度高效率分配方案

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格和外形尺寸，各機器人可以自由調整工作節(jié)拍時間，同步并行協(xié)調裝配，一次性完成產(chǎn)品所需的所有裝配工序。每個制造單元只需一名操作人員進行控制，節(jié)省人力成本，提高生產(chǎn)效率，基本滿足小批量多品種的企業(yè)生產(chǎn)需求。

3.2 免工裝多維度結構布局

通過機器人之間“握手”配合，減少工裝胎具的使用，企業(yè)無需胎具維護極大地降低了生產(chǎn)成本，四條傳送帶并行排布的復式結構設計可以有效利用廠房三維空間，減少廠區(qū)占地面積，提升利用率。

3.3 自識別高精度裝配系統(tǒng)

機器人末端加裝視覺識別系統(tǒng)。在抓取工件時，可通過信標提高抓取精度，進行工件和位置識別。工作中，機器人可以進行快速移動后的二次高精度定位，提升移動速度的同時，以保證裝配精度，提升系統(tǒng)的容錯糾錯能力。

3.4 多用途一體化執(zhí)行元件

為了實現(xiàn)工件抓取與螺栓安裝同步完成，執(zhí)行系統(tǒng)采用力-位混合型機器人末端執(zhí)行器。該執(zhí)行器由U型轉接板、多自由度電機、夾取氣缸、視覺傳感器等組成。相比較常規(guī)型載荷執(zhí)行器和搬運執(zhí)行器，該執(zhí)行器通用性更好，易于動靜態(tài)控制切換，適合復雜平面的抓取和安裝，應用領域更為寬泛。

4 結語

自協(xié)調多柔性并行裝配線采用并行工程的設計理念，在一定程度上提高了生產(chǎn)裝配過程中的柔性能力和生產(chǎn)效率，改善了產(chǎn)品裝配作業(yè)中的人機關系和生產(chǎn)環(huán)境，與精益生產(chǎn)、敏捷制造和小批量定制等當前先進制造模式相切合，為其它先進制造系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)提供了參考和借鑒。