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        KUKA機器人在氣缸柔性生產(chǎn)單元的應用設計*

        2022-01-14 05:40:10崔業(yè)軍
        機械研究與應用 2021年6期
        關鍵詞:毛坯賦值執(zhí)行器

        崔業(yè)軍

        (無錫科技職業(yè)學院智能制造學院,江蘇 無錫 214028)

        0 引 言

        制造業(yè)是實體經(jīng)濟的基礎,實體經(jīng)濟是中國發(fā)展的本錢,是構筑未來發(fā)展戰(zhàn)略優(yōu)勢的重要支撐。以汽車制造業(yè)為例,焊裝生產(chǎn)線、夾具、機器人、輸送設備、組裝線、涂裝線、發(fā)動機與輪胎生產(chǎn)裝備上,氣動技術無所不在,大顯身手[1]。氣缸作為一款智能制造的執(zhí)行元件,其操作的精度直接影響產(chǎn)品的質量和其應用的廣度。

        快速響應市場,對于氣缸生產(chǎn)環(huán)節(jié)來說,必須推陳出新。個性化、多工藝的氣缸生產(chǎn)線是當前亟需解決的一個課題,智能化改造已是迫在眉睫。充分分析了氣缸各零部件的生產(chǎn)工藝,運用現(xiàn)代柔性生產(chǎn)技術,提出一種適應氣缸成套零部件生產(chǎn)的柔性生產(chǎn)線,運用機器人實現(xiàn)物料的進出[2],滿足客戶定制化的需求,給氣缸行業(yè)產(chǎn)能、技術等方面賦能,帶來氣動行業(yè)的技術革新,推動氣動行業(yè)高質量發(fā)展。

        1 氣缸生產(chǎn)單元的布置與工藝流程

        1.1 氣缸生產(chǎn)單元的布置

        以某企業(yè)生產(chǎn)的某一類型氣缸為例,氣缸組成中需要機加工的零部件的按工藝分主要有[3]:以車削為主的鋼筒、端蓋、活塞及活塞桿等;以銑削為主的連接件、支撐件以及輔助件等。在這些氣缸零部件加工中,有時兼顧多種機床工藝,諸如活塞桿的扁式銑削、端蓋的鉆削、中間支撐件的車削等。需要根據(jù)零件工藝流程,靈活掌握加工方法。因此,柔性生產(chǎn)技術作為智能制造技術的基礎應用,非常適合氣缸零部件的生產(chǎn)加工。

        經(jīng)過對氣缸零部件工藝流程規(guī)劃設計,組建了如圖1所示的某系列氣缸柔性生產(chǎn)單元。從該柔性制造單元的組成來看,主要分為無人作業(yè)區(qū)和操作人員作業(yè)區(qū)[4]兩大部分組成。

        圖1 某系列氣缸柔性生產(chǎn)線布局圖

        (1) 無人作業(yè)區(qū)

        MES控制系統(tǒng)[5](包括計算機、PLC控制系統(tǒng)、輔助設計計算機);1臺KUKA機器人;1臺KDVM600L加工中心、1臺VHC850A加工中心、1臺Brother鉆削加工中心;1臺Viva T2B/350數(shù)控車床、1臺CA6146型數(shù)控車床、1臺CLASSIC型三坐標測量儀、1臺零部件清洗機以及鑄件毛坯立體倉庫及活塞旋轉倉庫等組成。

        (2) 操作人員作業(yè)區(qū)

        該區(qū)域包括工件裝卸站、活塞毛坯庫以及刀具預調站等,操作人員工作時間段可以在該區(qū)域工作。

        1.2 柔性生產(chǎn)工藝流程

        首先,系統(tǒng)上電啟動(生產(chǎn)設備已按零件工藝要求準備就緒),接下來在MES系統(tǒng)中編制零部件工藝生產(chǎn)任務,啟動MES系統(tǒng)。KUKA工業(yè)機器人接到MES系統(tǒng)搬運任務,首先通過RFID進行工件毛坯位置信息掃描,確認毛坯所在倉儲位置。同時根據(jù)機床工藝信息,將零件根據(jù)上位機主控系統(tǒng)的指令(根據(jù)工件的工藝等信息),選擇對應的末端執(zhí)行器搬運零件毛坯,并放置在對應的設備單元內進行任務實施,等加工任務完成后,由搬運機器人將工件搬運回對應倉儲。這樣一個過程為機器人完成零件某一工序的上、下料過程。MES系統(tǒng)可以協(xié)調機器人進行多任務的切換,滿足最高效率的生產(chǎn)需求。

        2 機器人產(chǎn)線應用技術分析

        2.1 機器人性能分析

        氣缸柔性生產(chǎn)線采用了KR120R2900extra型KUKA機器人。該機器人可實現(xiàn)空間六自由度運動以及第7軸軌道行走功能,載重120 kg,重復定位精度為±0.06mm,空間工作范圍可達2900mm,可與PLC及MES實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。其控制系統(tǒng)采用的KRL編程語言,是一種類似C語言的文本型語言,由.SRC和.DAT 格式組成。其中.SRC儲存程序邏輯、指令、動作之類;.DAT儲存位置變量以及軌跡點位的參數(shù)[6]。

        2.2 機器人末端執(zhí)行器選擇

        KUKA機器人在執(zhí)行系統(tǒng)任務運行時,針對不同工藝要求的零部件,采用的末端執(zhí)行器也不一樣。如圖2所示,氣缸典型零部件結構特征。

        其中,圖2(a)所示為活塞類零部件,其主要結構特征為回轉體。當用機器人進行機床上、下料時,需要類似V型口的夾爪類末端執(zhí)行器[7];圖2(b)所示為支撐類零部件,其毛坯主要采用鑄件形式,結構簡單,易用固定支架形式裝夾毛坯,機器人搬運時,采用支架小夾爪形式末端執(zhí)行器;圖2(c)所示為異形類零部件,需要設計專用托盤夾具裝夾。在實際使用時,考慮到托盤的重量和零部件的重量,利用零點定位夾具[8]實現(xiàn)托盤與機器人法蘭端直接連接,達到此類零部件的機床上、下料的需要。

        圖2 氣缸典型零部件結構特征

        2.3 配置機器人末端執(zhí)行器選擇I/O

        依據(jù)柔性生產(chǎn)單元的零部件結構特征,確定了KUKA機器人執(zhí)行任務時,需要三種不同執(zhí)行器。即零點定位快換夾具、回轉體類大夾爪以及支撐類鑄件小夾爪。為了KUKA機器人靈活切換末端執(zhí)行器,需在KUKA機器人上配置相應的I/O。

        I/O的信號配置如表1,在KUKA機器人輸入信號端,主要判別機器人當前末端執(zhí)行器類別;輸出端主要用來進行執(zhí)行器的安裝與拆卸。

        表1 I/O信號參數(shù)及其含義

        3 機器人編程設計

        3.1 程序設計流程圖

        依據(jù)氣缸柔性制造系統(tǒng)工藝流程,建立了機器人進行零件工序任務調度的程序設計流程,如圖3所示。

        3.2 變量確定

        由圖3所示的機器人程序設計流程圖,設立了程序中使用的變量,如表2所列。

        表2 變量參數(shù)及其含義

        續(xù)表2 變量參數(shù)及其含義

        圖3 機器人程序設計流程圖

        3.3 產(chǎn)線工序任務調度程序設計

        通過應用KUKA機器人的KRL語言,設計了氣缸柔性生產(chǎn)線零件加工任務調度的機器人程序,實現(xiàn)了氣缸柔性生產(chǎn)線智能化搬運與裝卸的工藝要求[9]。其程序如下:

        INI;初始行,程序正確運行所需的標準參數(shù)的調用;

        PTP home Vel= 100 % PDAT4;機器人回原點

        R20=R5;MES系統(tǒng)將R5參數(shù)賦值給R20,進行任務是否開始判斷

        R10=0;清空機器人末端執(zhí)行器

        IF $IN[14] AND $IN[15]==TRUE THEN;

        如果機器人感應傳感器采集到末端執(zhí)行器小夾爪(電極夾具)和大夾爪(圓柱體毛坯)

        GOTO LBL500;跳至程序結束,停止運行(有故障)

        ENDIF;

        IF $IN[14]==TRUE THEN;MES系統(tǒng)發(fā)給機器人執(zhí)行電極夾具末端執(zhí)行器

        R10=1;機器人已加載末端執(zhí)行器(小)

        ENDIF;循環(huán)結束

        IF $IN[15]==TRUE THEN;MES系統(tǒng)發(fā)給機器人電極夾具末端執(zhí)行器信號

        R10=2;機器人已加載末端執(zhí)行器(大)

        ENDIF;循環(huán)結束

        r1=0;初始化定義任務

        r2=0;初始化定義執(zhí)行對象(料)號

        r3=0;初始化定義料架好

        r4=0;初始化定義設備號

        OUT 4‘qi kai guan’ State=FALSE;清洗機關門

        OUT 6‘IR_ExBewegAktiv_A006’ State=FALSE;清洗機開關

        OUT 18││State=FALSE;機器人末端執(zhí)行器氣閥打開

        OUT 19││State=FALSE;設備夾具座松開

        OUT 20 ││State=FALSE;關閉自動狀態(tài)

        OUT 25 ││State=FALSE;車床尾座退回

        OUT 26││State=FALSE;

        LOOP;

        R15=0;機器人處于任務待機中

        Wait For (R20<>R5);R5參數(shù)與初始賦值比較,等待中

        R20=R5;重新將MES刷新后將R5參數(shù)賦值給R20

        (1)模擬招聘比賽。該比賽主要依托我校的跨專業(yè)綜合實驗區(qū),如圖1所示。該實驗區(qū)由對抗區(qū)、公共服務區(qū)、外貿區(qū)、采購區(qū)、自主學習區(qū)、路演區(qū)等部分組成,能夠很好的滿足模擬招聘比賽的需要。比賽經(jīng)歷簡歷初選、模擬面試、企業(yè)嘉賓面試共三個環(huán)節(jié)。具體的,參賽人員準備個人簡歷上交,根據(jù)簡歷篩選出50名參賽人員;參賽人員抽簽隨機分為5組;分組完成后,每一組內進行抽簽,決定面試官與應聘者角色(兩個面試官,八個面試人員);進行模擬招聘時,評委進行觀摩并分別為面試雙方打分;最后,由企業(yè)嘉賓擔任面試官,進行面試活動,學生觀摩。

        R11=R1;采集MES信息,賦值機器人執(zhí)行任務

        R12=R2;采集MES信息,賦值機器人當前執(zhí)行對象

        (料)號

        R13=R3;采集MES信息,賦值機器人料架位置

        R14=R4;采集MES信息,賦值機器人去往設備

        R30=0;準備開始任務安全位置清零

        R31=0;完成指令清零

        R111=0;

        SWITCH R11;根據(jù)R11賦值,跳到與CASE指令中的值相同的程序分支執(zhí)行

        CASE 1;1-掃描任務

        SM( );呼叫掃描程序

        GOTO LBL100;

        CASE 33-倉庫取料

        CANGKU_TAKE( );呼叫倉庫取件程序

        GOTO LBL100

        CASE 5設備放料

        SWAPC( );子程序:設備放料加工

        GOTO LBL100

        CASE 6倉庫回料

        CANGKU_PUT( );子程序:加工完成返回倉庫

        GOTO LBL100

        CASE 7車床掉頭加工換料

        TURN_SWAPC( );子程序:掉頭換料

        GOTO LBL100

        CASE 99無任務

        home( );子程序:機器人回原點

        GOTO LBL500跳至程序結束

        END SWITCH分支編程循環(huán)結束

        LBL100:

        R30=1;機器人任務動作完成

        R31=1;可接受指令

        END LOOP主程序循環(huán)結束

        LBL500:程序結束

        4 生產(chǎn)驗證

        在某企業(yè)氣缸柔性生產(chǎn)單元上,運行KR120R2900extra型KUKA機器人工序任務調度程序,且對企業(yè)近半年的氣缸“訂單式”生產(chǎn)進行調研跟蹤,得出了以下的生產(chǎn)初步結論。

        (1) 相比傳統(tǒng)的單品種批量化生產(chǎn),現(xiàn)有的智能化生產(chǎn),實現(xiàn)加工高柔性、高自動化??煽焖俑鼡Q產(chǎn)品品種,減少因市場銷售產(chǎn)生的積壓庫存,實現(xiàn)訂單式的快速生產(chǎn),迎合市場個性化客戶的需求。

        (2) 從半年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果顯示,采用了該KR120R2900extra型KUKA機器人工序任務調度,助力氣缸柔性生產(chǎn)。一方面,生產(chǎn)成本有效降低了近37%,這主要體現(xiàn)在人工成本、輔助生產(chǎn)效率等方面;另一方面,靈活快速應對多品種、變批量混流加工,滿足企業(yè)應對個性批量化要求, 大大提高了企業(yè)快速應對客戶的效率,穩(wěn)定了產(chǎn)品的應用市場。

        (3) 在柔性生產(chǎn)線的試運行初期,對技術人員的崗位能力要求較高。技術人員不僅要在應用機器人編程與操作方面的技術能力好,還要求相關技術人員掌握相關工藝設備的工藝流程。

        5 結 語

        通過使用KR120R2900extra型KUKA機器人,運用KRL編程語言進行產(chǎn)線任務的程序設計與應用,有效實施了氣缸柔性生產(chǎn)線毛坯工位掃描、倉庫取料、設備放料、車床掉頭換料、倉庫回料等工作任務。實踐驗證表明:該程序結構簡單,運行效果良好,加工效率提升,產(chǎn)品質量穩(wěn)定。隨著氣缸產(chǎn)業(yè)化進一步推進,運用機器人實現(xiàn)新技術、新工藝、新模式的產(chǎn)業(yè)制造觀念轉變,促進氣缸行業(yè)的智能生產(chǎn)。未來將在更多加工領域實現(xiàn)少人化、柔性化、智能化加工[10],將更快、更好地促進整個加工制造業(yè)轉型升級,為保證國家產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟安全發(fā)展、實施制造強國、智能制造新模式推進做出更大的貢獻。

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