王剛 魏星 楊慧杰

（1. 洛玻集團(tuán)洛陽龍昊玻璃有限公司 汝陽 471200；2. 浮法玻璃新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 洛陽 471000）

0 引言

目前，隨著人工成本的增加和國內(nèi)玻璃生產(chǎn)自動(dòng)化水平的不斷提升，玻璃生產(chǎn)線冷端玻璃的下片堆垛工序已基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)器代替人工操作。自動(dòng)堆垛機(jī)分為水平堆垛機(jī)、垂直堆垛機(jī)和機(jī)器人堆垛機(jī)3種。

水平堆垛工藝簡單，成本較低，堆垛完成后需要翻轉(zhuǎn)垛位，容易造成玻璃破損或劃傷；垂直堆垛工藝復(fù)雜，且不能適應(yīng)多種玻璃規(guī)格的抓??；機(jī)器人堆垛自動(dòng)化要求高，動(dòng)作靈活，占地少，將會(huì)越來越多應(yīng)用在玻璃生產(chǎn)線冷端。

1 問題的提出

目前國內(nèi)玻璃生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)越來越多地使用機(jī)器人堆垛設(shè)備進(jìn)行玻璃下片堆垛操作。國內(nèi)玻璃生產(chǎn)行業(yè)機(jī)器人堆垛設(shè)備以國產(chǎn)集成設(shè)備占主流，其中江陰錦明自動(dòng)化公司、秦皇島圖成公司等的產(chǎn)品比較具有代表性。機(jī)器人堆垛設(shè)備一般由4部分組成：機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)（或掃邊系統(tǒng)）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在多條玻璃生產(chǎn)線生產(chǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有機(jī)器人堆垛設(shè)備經(jīng)常需要維修執(zhí)行機(jī)構(gòu)，特別是玻璃抓取過程中提供抓取力量的真空系統(tǒng)；并且玻璃抓取時(shí)間較長，需要2～3 s，玻璃規(guī)格越大所需時(shí)間越長，同時(shí)在改換玻璃規(guī)格尺寸時(shí)，存在部分尺寸玻璃不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取的現(xiàn)象。

2 方案的確定

通過研究分析發(fā)現(xiàn)，造成玻璃抓取時(shí)間長、部分尺寸玻璃不能自動(dòng)抓取的原因是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的吸盤架上吸盤分配不合理。原有吸盤架吸盤分組布置示意圖見圖1。

由于平板玻璃市場競爭激烈，一條650 t/d規(guī)模的玻璃生產(chǎn)線希望能夠生產(chǎn)尺寸從915 mm×1350 mm到3000 mm×3660 mm之間的所有規(guī)格的玻璃，更大噸位規(guī)模的玻璃生產(chǎn)線生產(chǎn)玻璃尺寸規(guī)格變化更大。

原有的設(shè)備由26個(gè)吸盤組成，這26個(gè)吸盤被分成了12組，由PLC控制電磁閥來驅(qū)動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)對吸盤的控制。根據(jù)玻璃規(guī)格尺寸，由PLC自動(dòng)計(jì)算選取吸盤的組數(shù)。由于吸盤分組是不規(guī)則的形狀，所以會(huì)有相當(dāng)大一部分玻璃不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取，且過多的分組造成真空管路的冗長，不利于真空的平均分配，所有吸盤真空度達(dá)到一致所需時(shí)間較長。由于玻璃表面比較平整，吸盤架在抓取玻璃時(shí)，需要迅速將真空值達(dá)到一定的真空壓力，才能將玻璃牢牢抓起，當(dāng)部分吸盤真空度沒達(dá)到設(shè)定值時(shí)，機(jī)器人堆垛設(shè)備不動(dòng)作。

經(jīng)過離線模擬，最終決定將吸盤個(gè)數(shù)減少為24個(gè)，這24個(gè)吸盤分成若干組，均勻分布在吸盤架上，以其中一組為中心，其他組分別向四周發(fā)散。此方法可解決真空管路冗長的問題，減少故障點(diǎn)，加快吸盤真空度達(dá)到預(yù)定值，時(shí)間可以減少到1.5 s左右；同時(shí)可對尺寸從915 mm×1350 mm到3000 mm×3660 mm之間任意玻璃規(guī)格進(jìn)行抓取。對連續(xù)生產(chǎn)型的玻璃行業(yè)提高總成品率和降低成本有著很大的幫助。

3 具體實(shí)施

3.1 總體思路

受機(jī)器人堆垛設(shè)備的最大抓取載荷限制，實(shí)施方案的總體思路是在解決問題的條件下盡可能減輕玻璃吸盤架的重量。本次改造的機(jī)器人堆垛設(shè)備最大抓取載荷是300 kg。

首先根據(jù)需要抓取不同尺寸玻璃的重量及單個(gè)吸盤的最大抓取重量，計(jì)算得出抓取最小尺寸915 mm×1350 mm的玻璃需要的吸盤數(shù)量為4個(gè)，抓取最大尺寸3000 mm×3660 mm的玻璃需要的吸盤數(shù)量為24個(gè)。

其次制作了一個(gè)2810 mm×1610 mm的高強(qiáng)度鋁合金框架，將24個(gè)吸盤均勻地分布在該框架上。為了盡可能減輕玻璃吸盤架的重量，將24個(gè)吸盤分為6列4排，最底部的兩排分別定義為A組、B組、C組、D組、E組，為基礎(chǔ)組；上邊兩排分別定義為F組和G組，為配合組。其中A組有四個(gè)吸盤，并且以A組為中心，分別向四周發(fā)散。具體分組如圖2所示。

這樣分組可以根據(jù)需要抓取的玻璃尺寸，來確定需要哪一組或哪幾組吸盤工作。根據(jù)需要抓取玻璃的尺寸，實(shí)現(xiàn)A組、B組、C組、D組、E組之間及與之相對應(yīng)的F組、G組吸盤的聯(lián)動(dòng)工作。如當(dāng)需要抓取的玻璃尺寸需要A組的4個(gè)吸盤和與A組對應(yīng)的F組的2個(gè)吸盤同時(shí)工作時(shí)，A組和與之對應(yīng)的F組2個(gè)吸盤工作，而F組剩余的4個(gè)吸盤不工作，A組、B組、F組聯(lián)動(dòng)時(shí)，是與之對應(yīng)的9個(gè)吸盤工作，同理依次類推。

3.2 玻璃抓取時(shí)吸盤的動(dòng)作控制

當(dāng)機(jī)器人堆垛設(shè)備抓放玻璃時(shí)，玻璃吸盤架有4個(gè)動(dòng)作：吸盤伸出、加載抽真空、卸載充壓縮空氣、吸盤收回。具體控制方式見圖3、圖4。

3.3 關(guān)鍵器件的選擇

3.3.1 真空泵的選擇

目前絕大多數(shù)國產(chǎn)機(jī)器人堆垛設(shè)備真空系統(tǒng)采用油封式真空泵，從經(jīng)濟(jì)性和可靠性兩方面考慮，油封式真空泵是目前的最佳選擇。但是環(huán)境溫度對油封式真空泵影響較大，溫度在20～30 ℃時(shí)油封式真空泵吸力為最佳；溫度在0 ℃左右時(shí)，油封式真空泵的效能將下降30%左右。在選擇真空泵的流量大小時(shí)要考慮到低溫時(shí)能滿足設(shè)備需求，因此選用了一套200 m3/h的真空泵，適應(yīng)現(xiàn)場各種環(huán)境。

3.3.2 電磁閥的選用

控制氣路通斷的電磁閥非常成熟，可選擇范圍比較廣，本方案主要從減輕玻璃吸盤架的重量考慮，因此需要電磁閥具有很高的集成度，減少占用空間，降低重量，以保證機(jī)器人堆垛設(shè)備負(fù)載滿足最大化使用。因此選用了SMC集成電磁閥組，同時(shí)為提高控制的反應(yīng)速度，選用兩組電磁閥，一組用于控制氣缸，一組用于控制氣控閥。但兩組電磁閥信號為同步信號，保證吸盤伸縮和真空的建立同步進(jìn)行，提高抓取效率。

3.3.3 氣控閥的選用

本項(xiàng)目氣控閥主要用于吸盤的加載（抽真空）和卸載（充壓縮空氣）之間的切換，普通的氣控閥在壓縮空氣和真空切換的瞬間，真空的吸附力會(huì)導(dǎo)致氣控閥的閥桿難以動(dòng)作，影響吸盤架的真空建立，因此選用了多流體適用的氣控閥。因玻璃表面有防霉粉，長時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致防霉粉進(jìn)入氣控閥，從而導(dǎo)致氣控閥卡澀而難以動(dòng)作，造成真空泄露，引起真空建立故障，因此在吸盤與吸盤座之間增加一層過濾網(wǎng)，防止防霉粉進(jìn)入氣控閥而影響其動(dòng)作。

3.3.4 氣缸的選用

氣缸主要用于控制各組吸盤的伸縮，在滿足伸縮距離的條件下，主要考慮體積小、重量輕、動(dòng)作速度快等條件，最終選用了CKD20×50系列的迷你氣缸。

3.3.5 邏輯閥的選擇

邏輯閥是為了實(shí)現(xiàn)A（B、C、D、E）組吸盤與F（G）組吸盤的聯(lián)動(dòng)工作而增加的一個(gè)關(guān)鍵部件，其原理如圖5所示。

其中P1為主控口，P2為輔控口，A為出氣口，由于內(nèi)部存在單向閥，所以兩路控制氣不會(huì)存在串通現(xiàn)象。

P1進(jìn)氣口與F（G）組吸盤電磁閥出氣端連接，P2進(jìn)氣口與A（B、C、D、E）組吸盤電磁閥出氣端連接，A出氣口與氣缸連接。通過這種連接方式實(shí)現(xiàn)了A（B、C、D、E）組吸盤與其對應(yīng)的F（G）組吸盤的聯(lián)動(dòng)工作，減少了吸盤的分組數(shù)。

4 性能測試

經(jīng)過加工和調(diào)試，此種吸盤架的故障率降低30%，管路較同行業(yè)減少20%，電氣元件種類減少近50%，大部分采用氣動(dòng)控制，故障點(diǎn)易查且較為直觀，非常適應(yīng)連續(xù)生產(chǎn)型企業(yè)。使其能快速判斷故障所在點(diǎn)，及時(shí)恢復(fù)設(shè)備正常使用。經(jīng)過使用，完全滿足玻璃尺寸范圍從915 mm×1350 mm到3000 mm×3660 mm的全自動(dòng)抓取?？商岣咂髽I(yè)總成品率5%左右，并且降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，有效地改善了作業(yè)條件。

5 結(jié)語

針對工作中發(fā)現(xiàn)機(jī)器人堆垛設(shè)備抓取玻璃時(shí)間長（2～3 s）、部分尺寸玻璃不能有效抓取等問題，從方案制定、實(shí)施及實(shí)施過程中關(guān)鍵元器件的選擇、實(shí)施后的效果，做了詳細(xì)的描述，希望可以和業(yè)內(nèi)遇到相似問題的同行進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，起到拋磚引玉的作用。