廖小吉

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 唐山 063299）

0 概述

智能制造產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋智能裝備(機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、服務(wù)機(jī)器人、其他自動(dòng)化裝備)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(機(jī)器視覺、傳感器、RFID、工業(yè)以太網(wǎng))，工業(yè)軟件(ERP/MES/DCS)，3D打印以及將上述環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合的自動(dòng)化系統(tǒng)集成及生產(chǎn)線集成等[1]。從全球范圍來看，除了美國、德國和日本走在全球智能制造前端，其余國家也在積極布局智能制造發(fā)展。

工業(yè)機(jī)器人是智能制造業(yè)最具代表性的裝備。全球工業(yè)機(jī)器人40 年形成了約160 萬臺(tái)套裝機(jī)量，2019 年全球預(yù)計(jì)新裝工業(yè)機(jī)器人18.2 萬臺(tái)，主機(jī)市場80～100 億美元，并帶動(dòng)約3 倍左右軟件集成、周邊配套設(shè)備、系統(tǒng)工程等系統(tǒng)集成市場[2-3]。

本文聚焦智能制造發(fā)展大方向，基于智能制造理念，借助三維設(shè)計(jì)軟件完成機(jī)器人相關(guān)部分硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并基于機(jī)器人編程語言完成軟件部分程序的編制，主要涉及到機(jī)器人快換夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)器人快換程序的實(shí)現(xiàn)。本文搭建的軟硬件系統(tǒng)可作為智能制造系統(tǒng)的重要單元，對(duì)于智能制造系統(tǒng)的應(yīng)用研究起到一定的理論推進(jìn)作用。

1 機(jī)器人快換夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人快換夾具工作臺(tái)

機(jī)器人快換工作臺(tái)是一套智能制造系統(tǒng)中重要的組成部分，其功能是放置不同種機(jī)器人快換手爪。在智能化生產(chǎn)的排產(chǎn)中，往往會(huì)頻繁的切換工件類型，這就不僅僅需要機(jī)器人在程序上自動(dòng)判斷工件類型并快速更換夾具以完成各類工件的上下料工作，同時(shí)在硬件上應(yīng)結(jié)合實(shí)際工況完成相應(yīng)結(jié)構(gòu)配套。為保證機(jī)器人每次更換手爪時(shí)的示教精度問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上工作臺(tái)與機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的大底座精準(zhǔn)固定對(duì)接，采用雙定位銷結(jié)構(gòu)以在最大程度上確保機(jī)器人與夾具工作臺(tái)的相對(duì)位置不變；為監(jiān)測(cè)各手抓是否放置到位，每個(gè)位置配置手爪放置到位檢測(cè)傳感器，將當(dāng)前有無手抓信號(hào)反饋給PLC總控系統(tǒng)。

本文基于智能制造理念構(gòu)建的智能制造平臺(tái)將實(shí)現(xiàn)3種不同類型工件的快換操作，即φ35圓料、φ68圓料和80X80方料；在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)多種快換夾手。

圖1 工作臺(tái)整體布局

圖2 工作臺(tái)示意圖

1.2 機(jī)器人快換夾持系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人快換夾持系統(tǒng)是與機(jī)器人本體緊密結(jié)合的部分，由1套機(jī)器人側(cè)快換裝置（固定安裝在機(jī)器人法蘭端不動(dòng)）和3套工具側(cè)快換手爪（根據(jù)排產(chǎn)工況隨時(shí)更換）組成，實(shí)現(xiàn)3種機(jī)器人手爪的快速更換。機(jī)器人側(cè)快換裝置具備握緊、松開、有無料檢測(cè)功能，并具備良好的氣密性。機(jī)器人連接法蘭安裝到機(jī)器人第六軸端部法蘭，電模塊和氣模塊分別實(shí)現(xiàn)快換手爪與機(jī)器人側(cè)快換夾持系統(tǒng)電信號(hào)的通訊和氣路的連接。同時(shí)機(jī)器人側(cè)快換裝置在設(shè)計(jì)上配備RFID讀寫器（配套的RFID 標(biāo)簽安裝到料倉各工件位置處），實(shí)現(xiàn)對(duì)料倉地盤點(diǎn)及有無料的讀寫功能，與MES智能制造管理平臺(tái)實(shí)時(shí)通信，如圖3所示。

圖3 機(jī)器人側(cè)快換裝置示意圖

每套工具側(cè)快換手爪配置有擴(kuò)散反射型光電開關(guān)，可檢測(cè)機(jī)器人手爪有無抓取工件狀態(tài)，電模塊和氣模塊分別實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人側(cè)快換夾持系統(tǒng)的電信號(hào)的通訊和氣路的連接，主體結(jié)構(gòu)采用配備雙磁性開關(guān)的氣缸實(shí)現(xiàn)工件的抓取和放開，主控PLC實(shí)時(shí)采集氣缸是否加緊或張開到位狀態(tài)以及有無料狀態(tài)，并與機(jī)器人實(shí)時(shí)通信，3種快換手爪結(jié)構(gòu)分別如圖4、5所示。

圖4 工具側(cè)方料手爪示意圖

圖5 工具側(cè)棒料手爪示意圖

2 機(jī)器人夾手快換程序的實(shí)現(xiàn)

2.1 邏輯性判斷

PLC對(duì)機(jī)器人的控制即與機(jī)器人的通信經(jīng)由MES智能制造管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人是否需要更換夾手、更換哪個(gè)夾手由MES系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度并經(jīng)由機(jī)器人程序判斷實(shí)現(xiàn)。當(dāng)機(jī)器人收到總控PLC由MES平臺(tái)發(fā)來的換爪指令后，首先需要進(jìn)行邏輯性的判斷，即是否需要更換手爪、需要更換第幾號(hào)手爪等，這些邏輯性判斷在機(jī)器人程序中實(shí)現(xiàn)。針對(duì)本平臺(tái)系統(tǒng)，大致有如下幾種情景：1）如果機(jī)器人側(cè)沒有手爪，則程序直接調(diào)用換爪程序，根據(jù)總控發(fā)來的指令去更換指定的手爪；2）如果機(jī)器人側(cè)有手爪但不是需要的手爪，則主程序先調(diào)用放爪程序，將現(xiàn)有手爪放回工具側(cè)指定位置后再調(diào)用換爪程序，根據(jù)總控發(fā)來的指令去更換指定的手爪；3）如果機(jī)器人側(cè)有手爪且正是需要的手爪，則不用調(diào)用換爪程序，直接往下執(zhí)行主程序即可。

2.2 手爪快換程序

手爪快換子程序涉及到放爪子程序和換爪子程序2個(gè)。比如當(dāng)前機(jī)器人側(cè)手爪號(hào)為1，而系統(tǒng)發(fā)來的命令是抓取2號(hào)工件，則在機(jī)器人程序上首先調(diào)用放爪子程序E1,完成放爪任務(wù)后再調(diào)用換爪子程序E，將機(jī)器人側(cè)更換為2號(hào)手爪，然后再往下執(zhí)行主程序其他指令。

主體示教程序（main）如下：

IF IR[10]=0 THEN “沒有爪則直接換”

CALL E “調(diào)用換爪程序”

END IF

IF IR[10]=1 AND IR[21]＜＞1 THEN “有1號(hào)爪且需要換其它爪，先放回再換”

CALL E1 “調(diào)用放爪程序”

CALL E

END IF

……

在機(jī)器人示教器中完成程序編制如圖6所示。

圖6 快換主程序

在主程序循環(huán)過程中，當(dāng)條件滿足時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用換爪子程序，在換爪子程序中比較關(guān)鍵的是換爪精確點(diǎn)P1的判斷，也就是說當(dāng)機(jī)器人收到不同指令時(shí)會(huì)得到不同的換爪位置，即P1會(huì)賦不同的值。例如，主控程序給機(jī)器人的指令是換1號(hào)爪，則機(jī)器人程序中P1的賦值數(shù)據(jù)就是1號(hào)爪正上方的位置信息，此過程的完成需要主控PLC與機(jī)器人之間相互通訊。

換爪子程序（sub）如下：

P1點(diǎn)計(jì)算

IF IR[21]=1 THEN

P1 = LR[31] “ 1號(hào)爪精確點(diǎn)”

END IF

IF IR[21]=2 THEN

P1 = LR[30] “2號(hào)爪精確點(diǎn)”

END IF

……

IF IR[21]＜＞0 THEN

MOVE ROBOT JR[12] “快換過渡點(diǎn)”

MOVE ROBOT P1+LR[10]

MOVES ROBOT P1 VTRAN=130 “快換精確點(diǎn)”

MOVES ROBOT #{0,0,15,0,0,0} ABS=0“開始更換手爪”

……

在機(jī)器人示教器中完成程序編制如圖7所示。

圖7 快換子程序

在快換子程序中，P1點(diǎn)為工作臺(tái)正上方各夾手對(duì)應(yīng)的快換精確位置，在機(jī)器人程序中通過公式計(jì)算自動(dòng)賦值。通過以上示教程序，實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的手爪快換功能。

機(jī)器人手爪快換程序的實(shí)現(xiàn)是整個(gè)智能制造環(huán)節(jié)中比較關(guān)鍵的一步，確保了生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化。同時(shí)，合理、精簡的機(jī)器人快換程序也是整個(gè)智能制造系統(tǒng)處于高水準(zhǔn)的有力保障。

3 結(jié)語

本文基于智能制造理念，借助三維設(shè)計(jì)軟件完成了機(jī)器人快換夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含快換夾具工作臺(tái)和機(jī)器人端快換夾持系統(tǒng)部分，并基于機(jī)器人編程語言通過示教編程實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人端夾具的自動(dòng)快換功能。本文搭建的系統(tǒng)可作為智能制造系統(tǒng)的重要單元，對(duì)于智能制造系統(tǒng)的研究應(yīng)用起到一定的理論推進(jìn)作用。