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)
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。
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。
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。
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。
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
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
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
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。