郭 超
(秦皇島威卡威汽車零部件有限公司兼雄,河北 秦皇島 066000)
摘 要:【目的】提高汽車行李架加工效率,設(shè)計(jì)一種機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置帽蝶∩饫撸【方法】通過研究機(jī)器人自動(dòng)上下料工藝流程,對(duì)機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)励稳〉璩耍【結(jié)果】機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置利用儲(chǔ)料式傳送帶集中供料,對(duì)零件進(jìn)行傳送驹尼、分離恕稠、檢測(cè)后,機(jī)器人抓取和搬運(yùn)扶欣,完成上料操作,將成品有序地放在下料車中千扶,完成碼垛操作料祠。【結(jié)論】采用工業(yè)機(jī)器人替代工人進(jìn)行上下料操作澎羞,車間生產(chǎn)狀態(tài)從一人操作一臺(tái)設(shè)備變成一人操作多臺(tái)設(shè)備髓绽,可降低人力成本,提高企業(yè)生產(chǎn)效率妆绞。
關(guān)鍵詞:工業(yè)機(jī)器人顺呕;自動(dòng)上下料枫攀;汽車行李架;RobotStudio仿真株茶;一鍵復(fù)位
汽車行李架是安裝在汽車車頂上的支架来涨,用于攜帶大件物品,如自行車启盛、大件行李蹦掐、帳篷等,增加了愛車的承載空間僵闯,成為越來(lái)越多的車主喜歡選裝的部件[1]卧抗。行李架的材質(zhì)多為鋁合金材料,有著較高的強(qiáng)度和硬度鳖粟,在機(jī)加工成型的工序中社裆,需要工人不斷重復(fù)單一的上下料操作進(jìn)行生產(chǎn),勞動(dòng)強(qiáng)度大向图,消耗大量的人力成本泳秀,生產(chǎn)效率低。汽車行李架圖如圖 1所示张漂。
圖1 汽車行李架圖
機(jī)器人技術(shù)是機(jī)械晶默、電子、自動(dòng)控制航攒、人工智能等多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)交叉和融合的一門新興交叉學(xué)科[2]磺陡。近年來(lái),工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平持續(xù)提升漠畜,其憑借操作靈活币他、占地面積小、精度高和成本低等優(yōu)勢(shì)憔狞,被廣泛應(yīng)用在汽車制造蝴悉、電子工業(yè)等領(lǐng)域[3]。汽車行李架機(jī)加工工序采用 PLC+HMI 架構(gòu)設(shè)計(jì)瘾敢,進(jìn)行程序邏輯控制拍冠,采集傳感器的輸入,控制伺服簇抵、氣缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出庆杜,通過工業(yè)機(jī)器人模擬工人的上下料動(dòng)作,可實(shí)現(xiàn)行李架的自動(dòng)抓取碟摆、搬運(yùn)晃财、下料碼垛操作,將員工從重復(fù)和單一的工作中解放出來(lái)典蜕,有效降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度断盛,改善了員工的作業(yè)環(huán)境罗洗,可提高企業(yè)生產(chǎn)效率,為促進(jìn)工廠的智能化和自動(dòng)化發(fā)揮了重要作用[4]钢猛。
1 機(jī)器人自動(dòng)上下料工藝流程
工藝流程圖如圖2所示伙菜。1)將待加工的零件集中放在上料傳送帶的隔斷內(nèi),伺服系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接PLC厢洞,按照人機(jī)界面上預(yù)先設(shè)定的參數(shù)配方仇让,以位置控制模式帶動(dòng)傳送帶向機(jī)器人方向轉(zhuǎn)動(dòng)。2)當(dāng)傳送帶終端的紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)到零件時(shí)躺翻,尼龍材質(zhì)的符形塊托起零件丧叽,利用零件本身的重力作用,在垂直方向?qū)α慵M(jìn)行位置校正公你,安裝彈簧緩沖機(jī)構(gòu)的氣缸側(cè)推工作踊淳,在水平方向?qū)α慵M(jìn)行二次定位校正,3D激光傳感器對(duì)零件側(cè)面進(jìn)行輪廓掃描陕靠,判斷零件是否上錯(cuò)迂尝、放反,保證上料位置一致性剪芥,提高機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置的穩(wěn)定性垄开。3)PLC通過射頻識(shí)別技術(shù)讀取機(jī)器人夾具上面的電子標(biāo)簽,采集工裝產(chǎn)品信息税肪,轉(zhuǎn)換成數(shù)字產(chǎn)品代碼后溉躲,通過網(wǎng)絡(luò)將代碼發(fā)送給機(jī)器人,用來(lái)自動(dòng)調(diào)用機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡任務(wù)益兄,當(dāng)傳感器檢測(cè)零件合格時(shí)锻梳,上料單元啟動(dòng)機(jī)器人。4)機(jī)器人將待加工的零件放置在加工設(shè)備的上料位置净捅,取走已加工完成的零件疑枯,同時(shí)啟動(dòng)設(shè)備工作,按照碼垛程序的控制算法蛔六,將零件有序地放入下料小車對(duì)應(yīng)位置荆永。5)MES系統(tǒng)對(duì)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信號(hào)連接,利用智能算法進(jìn)行生產(chǎn)国章、設(shè)備屁魏、質(zhì)量數(shù)據(jù)分析,并自動(dòng)生成表格和圖形捉腥,以便進(jìn)行可視化管理[5]。
圖2 工藝流程圖
為提高設(shè)備利用率你画,機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置設(shè)計(jì)三個(gè)功能抵碟。1)抽檢不停機(jī)功能桃漾。由于下料車被安全護(hù)網(wǎng)圍在內(nèi)部,質(zhì)檢員在護(hù)網(wǎng)外部接觸不到零件拟逮,若進(jìn)入護(hù)網(wǎng)內(nèi)部取件撬统,需要設(shè)備停機(jī),以保護(hù)人員安全敦迄,但會(huì)降低設(shè)備生產(chǎn)效率恋追。抽檢功能只需要員工觸發(fā)抽檢按鈕,機(jī)器人自動(dòng)將加工完成的零件放在下料傳送帶上罚屋,傳出防護(hù)網(wǎng)外苦囱。2)換車不停機(jī)功能。當(dāng)下料車碼垛裝滿時(shí)脾猛,蜂鳴器報(bào)警撕彤,設(shè)備繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn),機(jī)器人自動(dòng)切換下料軌跡猛拴,將零件放在下料傳送帶上羹铅,換車完成后,員工觸發(fā)啟動(dòng)按鈕愉昆,機(jī)器人自動(dòng)切換到下料車碼垛軌跡职员。3)機(jī)器人一鍵復(fù)位功能。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)跛溉,若機(jī)器人沒有停在待機(jī)起始位置焊切,以往需要員工手動(dòng)操作示教器來(lái)復(fù)位機(jī)器人,步驟繁瑣倒谷,對(duì)員工技能要求高蛛蒙,一鍵復(fù)位功能可以通過按住復(fù)位按鈕,機(jī)器人自動(dòng)調(diào)用復(fù)位程序渤愁,判斷停止位置牵祟,規(guī)劃復(fù)位軌跡,回到待機(jī)位置抖格,操作簡(jiǎn)單方便诺苹。
2 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)
機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置分為主體設(shè)備和產(chǎn)品工裝兩部分,通過更換產(chǎn)品工裝雹拄,主體設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格零件的加工收奔,以此適應(yīng)市場(chǎng)上產(chǎn)品多樣化和個(gè)性化的需求。主體設(shè)備由工業(yè)機(jī)器人滓玖、上料單元坪哄、下料單元、電控系統(tǒng)四部分組成,設(shè)備實(shí)際效果圖如圖3所示翩肌。
圖3 設(shè)備實(shí)際效果圖
2.1 工業(yè)機(jī)器人選型
工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)上下料裝置中的主要應(yīng)用為搬運(yùn)和碼垛操作模暗,選型的依據(jù)和重點(diǎn)是動(dòng)作范圍、有效負(fù)載和重復(fù)定位精度念祭。IRB 4600-40/2.55 是 ABB公司開發(fā)的高效通用型機(jī)器人兑宇,裝配性能優(yōu)異的IRBP變位機(jī)和IRBT軌跡運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),增強(qiáng)了機(jī)器人對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的適應(yīng)能力粱坤,纖巧的機(jī)身使其在避繞障礙物時(shí)隶糕,可以保持最高加速度,循環(huán)周期時(shí)間短站玄。IRB 4600的規(guī)格參數(shù)如表1所示枚驻。
表1 IRB 4600的規(guī)格參數(shù)
2.2上料單元設(shè)計(jì)
上料單元設(shè)計(jì)采用儲(chǔ)料式傳送帶的形式,集中供料蜒什,可以滿足50件待加工零件的同時(shí)擺放测秸,皮帶上的橫條用于隔斷相鄰的兩個(gè)零件,便于零件的分離操作灾常,皮帶支架固定在花軸上霎冯,通過軸承在花軸上的移動(dòng),調(diào)節(jié)兩側(cè)支架的間隔钞瀑,使上料單元可以兼容長(zhǎng)度在1.8 m~2.8 m范圍內(nèi)的零件沈撞,利用傳送帶兩側(cè)的導(dǎo)向板,對(duì)移動(dòng)的零件進(jìn)行左右方向校正雕什,降低人工零件擺放的位置精度要求缠俺。下料傳送帶固定在上料單元的上方,用于抽檢和換車下料贷岸,上下料在一側(cè)的設(shè)計(jì)壹士,可以有效減少員工的頻繁走動(dòng),下料傳送帶的皮帶電機(jī)為220 V調(diào)速電機(jī)偿警,通過旋轉(zhuǎn)調(diào)速旋鈕可以控制皮帶轉(zhuǎn)速躏救,防止速度過快,導(dǎo)致成品件堆放螟蒸,造成零件表面磕碰劃傷盒使。
2.3 下料單元設(shè)計(jì)
下料單元由下料小車和小車固定機(jī)構(gòu)兩部分組成,由于不同型號(hào)的汽車行李架形狀相似七嫌,所以下料小車設(shè)計(jì)成通用形式少办,即不同型號(hào)的行李架共用一種下料車,可以降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本诵原。小車的車身結(jié)構(gòu)是方鋼焊接成型英妓,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單挽放,牢固耐用,使用耐磨的布料包裹車身鞋拟,防止小車運(yùn)輸零件時(shí)產(chǎn)生劃傷骂维。小車固定機(jī)構(gòu)具有導(dǎo)向、定位和鎖死功能贺纲,利用電容式傳感器檢測(cè)下料小車的擺放位置,保證每次換車操作后褪测,下料車位置的一致性猴誊。
2.4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
選用羅克韋爾1769-L30ERM型號(hào)的CPU作為電控系統(tǒng)的PLC,進(jìn)行程序控制侮措、信號(hào)采集懈叹、數(shù)據(jù)處理和故障診斷;選用羅克韋爾2711P-T6C21D8S型號(hào)的觸摸屏作為人機(jī)界面分扎,用于設(shè)定伺服參數(shù)澄成、手動(dòng)操作HMI上的虛擬按鈕、顯示設(shè)備報(bào)警[6]畏吓;選用易福門AC1421型號(hào)的以太網(wǎng)IP網(wǎng)關(guān)配置AS-i從站墨状,控制分布式I/O,與行李架加工設(shè)備進(jìn)行通信菲饼,采集傳感器輸入肾砂,控制電機(jī)和氣缸等執(zhí)行器機(jī)構(gòu)輸出;選用羅克韋爾Kinetix350型號(hào)的單軸驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)工作宏悦,驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)間用兩根電機(jī)線相連接镐确,紅色的電機(jī)線提供電源,綠色的電機(jī)線傳遞電機(jī)編碼器信號(hào)饼煞,PLC執(zhí)行MAM控制命令源葫,使伺服電機(jī)按設(shè)定的絕對(duì)位置轉(zhuǎn)動(dòng),每當(dāng)上料傳送帶旋轉(zhuǎn)一周時(shí)砖瞧,伺服電機(jī)的位置值自動(dòng)歸零息堂,防止出現(xiàn)累計(jì)誤差;選用易福門ANT513型號(hào)的RFID讀寫頭芭届,識(shí)別機(jī)器人夾具上的E80371型號(hào)的RFID標(biāo)簽储矩,標(biāo)簽里寫有當(dāng)前工裝的ID信息,PLC將其與切換工裝時(shí)選擇的產(chǎn)品信息做比較褂乍,以驗(yàn)證當(dāng)前工裝是否配方選擇錯(cuò)誤持隧,同時(shí)將產(chǎn)品代碼傳送給機(jī)器人,機(jī)器人利用TEST語(yǔ)法結(jié)構(gòu)來(lái)選擇當(dāng)前產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的上下料程序[7]逃片;利用MES系統(tǒng)對(duì)PLC進(jìn)行設(shè)備產(chǎn)量屡拨、運(yùn)行時(shí)間只酥、異常報(bào)警等數(shù)據(jù)采集,通過智能算法的邏輯計(jì)算呀狼,轉(zhuǎn)換成可視的圖形和報(bào)表裂允,進(jìn)行監(jiān)控和管理[8]。開通ABB機(jī)器人EtherNet/IP通信協(xié)議哥艇,將機(jī)器人的EDS文件通過Studio5000軟件導(dǎo)入PLC中绝编,使PLC與機(jī)器人建立硬件組態(tài),實(shí)現(xiàn)32個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的以太網(wǎng)通信貌踏;開通ABB機(jī)器人DeviceNet協(xié)議十饥,使用DSQC652型號(hào)信號(hào)板連接機(jī)器人夾具I/O信號(hào),控制真空吸盤和氣缸夾爪動(dòng)作祖乳。硬件網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示逗堵。
圖4 硬件網(wǎng)絡(luò)圖
2.5工裝夾具設(shè)計(jì)
通用型工裝夾具可靠性低,夾持精度不高眷昆,影響行李架上料穩(wěn)定性蜒秤,所以將上料傳送帶的定位機(jī)構(gòu)和機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)成專用型工裝,不同型號(hào)的行李架需要開發(fā)對(duì)應(yīng)形狀和尺寸的工裝[9]亚斋。定位機(jī)構(gòu)有零件分離作媚、位置校正、輪廓檢測(cè)功能伞访,是通過水平和垂直方向的氣缸運(yùn)動(dòng)掂骏,以及3D激光輪廓傳感器檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單厚掷,使用定位銷和螺絲與機(jī)器人六軸法蘭相連接弟灼,降低工裝硬件成本,夾具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由真空吸盤和氣爪組成冒黑,利用真空發(fā)生器產(chǎn)生真空壓力田绑,將行李架吸附在夾具上,利用氣爪運(yùn)動(dòng)抡爹,鎖緊行李架位置[10]掩驱。
3機(jī)器人程序開發(fā)
3.1機(jī)器人軌跡仿真
機(jī)器人仿真圖如圖 5 所示。機(jī)器人程序開發(fā)有手動(dòng)示教和離線仿真兩種方式冬竟,手動(dòng)示教是在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境欧穴,手持示教器操作機(jī)器人移動(dòng),記錄軌跡位置泵殴、編寫邏輯涮帘;離線仿真是在軟件里建模,模擬機(jī)器人工作笑诅,編寫動(dòng)作程序调缨。機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置利用ABB公司開發(fā)的RobotStudio軟件對(duì)其進(jìn)行離線仿真[11]疮鲫。1)創(chuàng)建一個(gè)空的工作站,在模型庫(kù)中選擇IRB 4600-40/2.55機(jī)器人模型弦叶,并將其導(dǎo)入工作站中俊犯。2)選擇“從布局”方式創(chuàng)建機(jī)器人系統(tǒng),設(shè)置機(jī)器人的RobotWare的版本伤哺,配置系統(tǒng)參數(shù)燕侠,如添加840-1 EtherNet/IP Anybus Adapter、608-1 World Zones立莉、617-1 FlexPendant Interface等功能贬循。3)將SolidWorks軟件設(shè)計(jì)的上下料主體設(shè)備和產(chǎn)品數(shù)模,以stp格式幾何體導(dǎo)入系統(tǒng)中桃序,按照設(shè)計(jì)布局,擺放各裝置的位置烂瘫。4)定義工具數(shù)據(jù)媒熊,將機(jī)器人夾具的質(zhì)量和重心位置等參數(shù)保存在tooldata中,定義負(fù)荷數(shù)據(jù)坟比,將行李架質(zhì)量和重心保存在loaddata中芦鳍,分別在上料傳送帶、加工設(shè)備和下料小車三個(gè)位置定義工件坐標(biāo)葛账,保存在wobjdata中柠衅。5)將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)曲線生成軌跡指令,配置軸參數(shù)籍琳,仿真運(yùn)行機(jī)器人的上下料操作菲宴,檢測(cè)機(jī)器人是否發(fā)生碰撞[12]。
圖5 機(jī)器人仿真圖
3.2機(jī)器人一鍵復(fù)位程序開發(fā)
現(xiàn)場(chǎng)異常觸發(fā)機(jī)器人故障停機(jī)趋急,需要設(shè)備具有一鍵復(fù)位功能喝峦,快速恢復(fù)正常生產(chǎn)。創(chuàng)建初始化程序rinit()呜达,并添加在主程序main()中谣蠢,刪除中斷連接,將中斷字符int_Home和中斷程序Return_to_home相關(guān)聯(lián)查近,將輸入信號(hào)Home_Button與中斷字符int_Home相關(guān)聯(lián)眉踱,當(dāng)按住Home_Button按鈕時(shí),觸發(fā)中斷程序執(zhí)行霜威。機(jī)器人停止移動(dòng)谈喳,獲取機(jī)器人當(dāng)前位置,并保存到變量P_Home中侥祭,清除真空吸盤工作指令叁执,清除氣爪工作指令茄厘,機(jī)器人放下夾具中的零件,在x方向以直線運(yùn)動(dòng)指令移動(dòng)-100距離谈宛,在y方向和z方向保持不變次哈,用于安全避讓,然后回到Home位置吆录,機(jī)器人停止窑滞。機(jī)器人自動(dòng)復(fù)位程序圖如圖6所示。
4結(jié)語(yǔ)
利用上料單元對(duì)加工零件進(jìn)行存儲(chǔ)恢筝、傳送哀卫、分離、定位撬槽、檢測(cè)此改,IRB4600工業(yè)機(jī)器人抓取和搬運(yùn)零件進(jìn)行上下料操作,在下料單元進(jìn)行有序的碼垛操作侄柔,完成成品存儲(chǔ)共啃,設(shè)計(jì)出一種用于汽車行李架加工的機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置。通過RobotStudio軟件對(duì)機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行虛擬仿真暂题,簡(jiǎn)化開發(fā)和設(shè)計(jì)流程移剪,通過機(jī)器人一鍵復(fù)位功能,降低設(shè)備操作復(fù)雜度薪者。采用工業(yè)機(jī)器人替代工人進(jìn)行上下料操作纵苛,車間生產(chǎn)狀態(tài)從一人操作一臺(tái)設(shè)備變成一人操作多臺(tái)設(shè)備,可降低人力成本言津,提高生產(chǎn)效率攻人,為增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力提供了可靠支持。
圖6 機(jī)器人自動(dòng)復(fù)位程序圖
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