劉文鋒，曾建勝，沈大財(cái)

（廣東省機(jī)械研究所有限公司，廣州 510700）

0 引言

隨著自動化生產(chǎn)線的深化普及，機(jī)器人代替人的趨勢勢不可擋。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)具有自動化、高精度、高負(fù)載等多種特點(diǎn)，在機(jī)械工程中的應(yīng)用越來越廣泛[1]，特別是在生產(chǎn)線上下料中更為突出。在生產(chǎn)線中，上下料工作是一項(xiàng)比較簡單枯燥的工作，如果需要搬運(yùn)的物料較重、品種較多，對于操作工人就顯得非常繁重，并且容易出錯(cuò)，影響產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)效率。因此，機(jī)器人柔性上下料系統(tǒng)不僅僅是純粹的代替人工作業(yè)，而且需要滿足產(chǎn)線的節(jié)拍、精度、質(zhì)量、穩(wěn)定性、安全性等一系列生產(chǎn)要求。

制造型企業(yè)的發(fā)展離不開自動化設(shè)備的升級改造，機(jī)器人技術(shù)是典型的集電子、信息、自動化、機(jī)械于一身的技術(shù)[2]，而這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不但能夠滿足企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，而且能給企業(yè)帶來間接的收益，如降低成本、提高效益、保障產(chǎn)品質(zhì)量、提升企業(yè)形象等。通過了解機(jī)器人的特性，結(jié)合產(chǎn)線的生產(chǎn)環(huán)境及其他相關(guān)環(huán)節(jié)，本文對柔性機(jī)器人上下料應(yīng)用與設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。以往很多上下料的搬運(yùn)中，針對不同產(chǎn)品外形特征，可采用真空吸持、夾持、叉式等多種形式的智能末端執(zhí)行[3]，而本文從快速切換、精確定位、輕量化等方面的分析研究，設(shè)計(jì)機(jī)器人的柔性末端執(zhí)行器或抓手應(yīng)用在產(chǎn)線上，因此實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的多樣性生產(chǎn)、混線生產(chǎn)，提高自動產(chǎn)線的柔性和兼容性。

1 設(shè)計(jì)原理

機(jī)器人柔性上下料系統(tǒng)配備有2套機(jī)器人，分別為抓手A和抓手B，同時(shí)也相應(yīng)配置2套快換機(jī)構(gòu)，分別為A快換和B快換。抓手A安裝在機(jī)器人末端，抓手B放在快換機(jī)構(gòu)B位置中，機(jī)器人可自動柔性切換2種抓手，并且夾爪都具有獨(dú)立的柔性浮動調(diào)整功能；抓手中帶傳感器[4]反饋信息給機(jī)器人，此時(shí)機(jī)器人開始進(jìn)行搬運(yùn)動作。機(jī)器人柔性上下料系統(tǒng)動作流程是：托盤載工件在流進(jìn)上料工位，到位感應(yīng)器反饋有托盤，頂升機(jī)構(gòu)升起定位；工件感應(yīng)器反饋托盤上有物料并與機(jī)器人信號交互，機(jī)器人抓取工件并搬運(yùn)到掃碼工位進(jìn)行二維碼讀取[5]，確認(rèn)產(chǎn)品信息正確后把工件定位機(jī)構(gòu)中。另外，整個(gè)系統(tǒng)需要有以下方面要求：

（1）抓手在夾取工件時(shí)，采用軟材料，防止夾傷產(chǎn)品；

（2）在搬運(yùn)過程中有感應(yīng)器，檢測是否有工件掉落；

（3）散熱器定位準(zhǔn)確，抓取時(shí)如需要可浮動，吸收托盤定位和烤爐定位誤差；

（4）機(jī)器人上下料系統(tǒng)需要配備2 種抓手，可自動切換，預(yù)留可擴(kuò)充；

（5）抓手快換裝置需要帶機(jī)械自鎖死功能，防止斷氣斷電時(shí)掉落。

2 機(jī)器人抓手及末端快換裝置設(shè)計(jì)

在機(jī)器人柔性上下料系統(tǒng)中，只有機(jī)器人抓手自身柔性化和多種工具抓手靈活切換柔性化，才能使自動化生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)柔性化，因此機(jī)器人抓手和快換裝置的功能設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)中十分重要。

2.1 機(jī)器人抓手A的設(shè)計(jì)

機(jī)器人上下料中，其手爪的設(shè)計(jì)尤為重要。機(jī)器人手爪具有抓持穩(wěn)定性強(qiáng)、定位精度高、耐用性好、維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)[6]。機(jī)器人的抓手A如圖1所示，是根據(jù)工件－A散熱器的外形特征進(jìn)行專用設(shè)計(jì)，先用2 個(gè)定位銷做A 散熱器的位置定位，定位銷安裝在直線軸承上，末端帶限位擋塊防止掉落，另外在末端還固定有感應(yīng)塊，而彈簧及其擋塊固定夾在定位銷中部；當(dāng)機(jī)器人抓取A散熱器時(shí)，2個(gè)定位銷插入工件的定位孔中，然后夾爪氣缸動作夾緊工件；如果定位銷未插入定位孔中，彈簧收縮末端感應(yīng)塊向上浮動擋住感應(yīng)器，機(jī)器人重新調(diào)整位置再次插入，控制系統(tǒng)報(bào)警提示產(chǎn)品嚴(yán)重偏離。

圖1 抓手A

機(jī)器人抓手A 的主要部件和功能如下：快換裝置，固定側(cè)是安裝在機(jī)器人側(cè)，可換側(cè)是安裝在抓手側(cè)，用于實(shí)現(xiàn)抓手的自動更換、切換；X軸方向帶有導(dǎo)軌和彈簧，通過調(diào)整X軸調(diào)節(jié)桿，可使夾爪在X方向上柔性浮動；Y軸方向同樣帶有導(dǎo)軌和彈簧，通過調(diào)整Y軸調(diào)節(jié)桿，可使夾爪在Y方向上柔性浮動；調(diào)整好X和Y的浮動行程和調(diào)整彈簧力度[7]，抓手在抓取工件定位時(shí)，可以通過柔性浮動吸收工件在X、Y兩個(gè)方向上的誤差。工件感應(yīng)器判斷抓手中是否有工件存在，實(shí)時(shí)監(jiān)測抓取搬運(yùn)過程，防止誤動作；氣爪是夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)，前端有2個(gè)夾塊，采用耐磨軟材料防止夾傷，除此之外還有機(jī)械限位防止斷氣斷電突然掉落。

2.2 機(jī)器人抓手B的設(shè)計(jì)

每種機(jī)器人抓手都是專用定制的，機(jī)器人抓手B 同樣含有柔性浮動的全部功能，如工件2銷定位功能、定位銷末端感應(yīng)浮動功能[8]、X 軸浮動功能、Y 軸浮動功能、工件感應(yīng)器檢測功能、氣爪夾緊防夾傷功能等。根據(jù)B 散熱器的外形特征，增加了外部防掉落機(jī)械限位塊；由于B 散熱器的外形較大、質(zhì)量較重，兩側(cè)是弧形狀且特征不平整，夾取位置只能布置在長度方向，所以夾爪的跨度比較長，對應(yīng)抓取的穩(wěn)定性相對沒那么好；為了增加抓取的穩(wěn)定性，夾塊采用多塊拼裝的形式，兩側(cè)的夾塊分別由3小塊組成，而每一塊的外形都是根據(jù)B 散熱器的外形特征仿形設(shè)計(jì)的，在夾取時(shí)使夾塊更加牢固地與工件緊密貼合在一起，增加夾取時(shí)的摩擦力，并且選用耐磨軟材料，防止夾傷工件。抓手B設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 抓手B

2.3 機(jī)器人末端快換裝置及相關(guān)設(shè)計(jì)

機(jī)器人工具快換裝置[9]包括一個(gè)機(jī)器人主盤側(cè)，用來安裝在機(jī)器人手臂上，還包括一個(gè)工具側(cè)，用來安裝在末端抓手上。工具快換裝置能夠讓氣體、電信號等從機(jī)器人手臂連通到末端抓手。當(dāng)機(jī)器人附帶了快換裝置后，在生產(chǎn)時(shí)機(jī)器人就可以任意地切換，使用不同的抓手；而產(chǎn)線的產(chǎn)品需要更新?lián)Q代或外形特征變化較大時(shí)，只要設(shè)計(jì)相應(yīng)的抓手就可以實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)，使產(chǎn)線更具有擴(kuò)展性和兼容性。機(jī)器人末端裝置構(gòu)成簡單，如圖3所示。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的功能多元化，縮短作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間，使產(chǎn)線多品種、小批量、柔性化生產(chǎn)；另外末端裝置具備鋼球鎖緊式機(jī)械式[10]故障保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，即使裝配氣壓供給停止，工具盤也不會分離，防止抓手掉落損壞。電氣信號模塊則可識別不同型號的抓手，使機(jī)器人根據(jù)需求柔性切換抓手。

圖3 快換裝置

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整線控制系統(tǒng)主要由編程控制器西門子S7－1500 PLC、西門子TP700 PN 系列型人機(jī)觸摸屏、CM PtP 通訊模塊、輸入輸出模塊、以太網(wǎng)模塊、模擬量模塊、安全繼電器、安全光柵、接觸器、電磁鎖定機(jī)械釋放等組成。整線網(wǎng)絡(luò)使用內(nèi)網(wǎng)＋外網(wǎng)模式，內(nèi)網(wǎng)是每臺單機(jī)之間的通訊，外網(wǎng)是獨(dú)立的IP段與追溯系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)到管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的過程質(zhì)量管理。程序邏輯流程如下：根據(jù)爐子位置上的產(chǎn)品檢測傳感器進(jìn)行邏輯編程并按流程運(yùn)行，使得機(jī)器人根據(jù)不同的位置信息來判斷是否上料或者下料，避免邏輯沖突。先判斷下料位是否有產(chǎn)品，如果有產(chǎn)品，等待線體允許裝載；如果沒有產(chǎn)品，則允許線體下料，并等待線體下料。同時(shí)還考慮客戶生產(chǎn)完成后，烤爐里的產(chǎn)品純出料狀態(tài)。為此，特地增加了人工下料模式，在此模式下，機(jī)器人不會往烤爐里進(jìn)料，而是單純地從烤爐里出料，用于和機(jī)器人在啟動、運(yùn)行、報(bào)警、復(fù)位等各種狀態(tài)的程序運(yùn)行，同時(shí)運(yùn)行搬運(yùn)動作順序邏輯程序。如圖4所示。

圖4 動作順序邏輯程序

4 結(jié)束語

在自動化生產(chǎn)線中，機(jī)器人的應(yīng)用不僅提高了生產(chǎn)效率，降低了成本，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更加有保障。本文所提到的機(jī)器人柔性上下料系統(tǒng)，首先通過對抓手X、Y、Z的3 個(gè)方向設(shè)計(jì)浮動調(diào)整裝置實(shí)現(xiàn)柔性定位，從而適應(yīng)各個(gè)工裝的定位誤差，體現(xiàn)了柔性抓取；其次，通過機(jī)器人末端的快換裝置，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃要求，在生產(chǎn)不同的產(chǎn)品時(shí)，機(jī)器人可以實(shí)時(shí)快速地自動切換抓手，實(shí)現(xiàn)多品種、柔性化生產(chǎn)；機(jī)器人柔性上下料系統(tǒng)在客戶的IBSG 控制器自動化生產(chǎn)線上得以使用，生產(chǎn)實(shí)踐證明了各項(xiàng)功能都符合使用要求并得到客戶的認(rèn)可；另外，機(jī)器人柔性上下料系統(tǒng)在安全性、操作性、穩(wěn)定性、高效性、擴(kuò)展性等方面均滿足市場自動化需求趨勢，可在各行業(yè)自動化升級轉(zhuǎn)型做更深入的研究及推廣。