國產搬運機器人在國產汽車沖壓生產線中的應用

賈 沛，葉愛萍，張少偉，謝衛林，林志強

（1.北京機械工業自動化研究所，北京 100120；2.廣州汽車集團乘用車有限公司，廣州 511434；3.廣州數控設備有限公司，廣州 510165）

國產搬運機器人在國產汽車沖壓生產線中的應用

賈 沛1，葉愛萍1，張少偉2，謝衛林2，林志強3

（1.北京機械工業自動化研究所，北京 100120；2.廣州汽車集團乘用車有限公司，廣州 511434；3.廣州數控設備有限公司，廣州 510165）

主要從項目實際出發，介紹廣汽乘用車生產線上國產搬運機器人的應用情況，著重從國產機器人性能及完成的功能等方面展開詳細介紹，并對國產機器人關鍵技術進行介紹，最后通過國產機器人和進口機器人的對比指出國產機器人在汽車生產線中存在的不足，為國產機器人改進提供部分依據。

國產機器人；機器視覺；搬運；裝車

0　引言

由于我國近年來人力成本不斷提高，導致了很多企業招工難的問題越來越突出；同時為了提高工作效率和提高產品品質，越來越多的生產廠家采用工業機器人替代人工完成生產任務。工業機器人自上世紀60年代問世以來，在各種應用上已經發展的較為成熟，我國從1986年第一次開始在生產中使用工業機器人，直到現在，我國的絕大多數行業中都有工業機器人的應用，但其中80%以上采用了進口機器人。目前國外工業機器人的四大供應商分別為瑞士ABB、日本FANUC、日本YASKAWA以及德國KUKA。國內逐步走向成熟的機器人廠家有廣州數控、沈陽新松、南京埃斯頓、安徽埃夫特等。由于大部分的國產機器人的核心部件都依靠進口，另外我國機器人的研發起步較晚，導致目前國產機器人的功能及穩定性等方面與國外機器人相比仍存在一定的差距。

隨著我國經濟的不斷穩步發展，未來幾年國內市場對機器人需求量會不斷增長。根據國際機器人聯合會預測，到2016年，中國工業機器人保有量有望超過13萬臺，同時也成為全球需求最大的工業機器人市場[1]。但是各種工業使用環境對機器人的要求是在完成相應功能的基礎上，須保證系統穩定性高，故障越少越好，如果出現故障需要及時找到原因并及時解決。這些需求無疑對國產機器人的發展應用提出了更高的要求。因此，國產機器人必須要抓住各種契機，通過大量投入應用，不斷地完善創新，從而實現替代進口，降低企業制造成本的目標。

為提升國產機器人發展水平，在2010年國務院將高端智能裝備制造列為七大戰略性新興產業之一，其中明確工業機器人是重點發展方向。在這種環境下，同時針對國產品牌汽車覆蓋件高效制造的需要，我們在“高檔數控機床與基礎制造裝備”重大專項支持開發的國產伺服及機械壓力機智能化沖壓應用示范生產線中使用國產機器人完成轎車沖壓覆蓋件的搬運碼垛，下面將詳細介紹國產機器人在廣汽汽車覆蓋件沖壓生產線上的具體應用。

1　國產機器人搬運及裝箱系統

國產機器人搬運及裝箱系統是廣汽轎車覆蓋件沖壓生產示范線（如圖1所示）線尾的沖壓件的搬運裝車及配套輸送系統，主要是將生產線沖壓完的汽車覆蓋件通過人工打磨并判斷是否合格，通過傳送帶和機器人配合完成合格品和不合格品的裝箱及輸送，具體描述如下。

1）工件由壓機Press5制造完成后，經ABB下料機器人R61取件后根據需要放到線尾的雙向皮帶機上（一個方向輸送到人工裝箱皮帶線，另一個方向輸送到自動裝箱皮帶線），如需自動裝箱，則設置雙向皮帶機方向為自動裝箱狀態，并通過一條彎道皮帶線輸送到一條直線皮帶線（皮帶線速度恒定且正常情況下不暫停）。質檢工人在零件輸送過程中完成零件打磨和質檢，并按下相應按鈕給出是否合格信號，系統得到信號后協調1～4號國產機器人去準備，等待視覺系統對零件進行線上位置和方向確定好后，做相應的姿態調整，并在適當的位置進行工件的在線抓取，抓取零件后放置到相應的臺車上，從而完成機器人自動搬運和裝車。

2）裝車完成后，系統自動進行聲光提示，提醒操作工完成滿車的叉取和空車的更換，空車更換完畢后系統進入新的裝車循環。

圖1　廣汽汽車生產線整線布局圖

1.1系統構成

國產機器人搬運及裝箱系統由4臺國產6軸搬運機器人、配套的機器視覺系統、輸送皮帶線、安全圍欄、安全升降門和相應的控制系統組成。

1.2廣數RB165機器人

系統中所采用廣州數控設備有限公司自出研發生產的RB165型工業機器人，其機器人控制器、伺服電機和伺服驅動等關鍵功能部件均由廣數自主生產，該機器人主要應用于打磨、拋光、機床上下料、沖壓自動化生產線的自動搬運等。

通過分析項目需求和性能指標，在選取機器人時分別調研了廣州數控和進口機器人的基本情況，整理得到國內機器人與進口廠家機器人的對比信息表，如表1所示。

表1　國產及進口機器人對比信息表

通過綜合比較，我們可以看到國產機器人雖然價格比進口機器人便宜，但在性能仍有一定差距。我們最終選用的廣州數控生產的RB165機器人，如圖2所示。目前這款機器人的90%以上關鍵部件、機器人控制系統、機器人伺服電機及驅動等已經實現自主研發生產，只有RV減速機現靠日本進口，但目前也在自主研發生產RV減速器，已經配在部分機型上使用，效果較理想。

圖2　廣數RB165機器人圖示

1.3控制系統

RB165機器人的伺服驅動電機采用了廣數自主研發的交流伺服電機，并在機器人設計中研究了轉矩波動和動態時間響應參數等關鍵技術[2]。

1.4皮帶機控制系統

彎道和直道皮帶機均采用國產皮帶機，其運行速度為10～45米/分鐘可調，皮帶機尾部設置移動式鈑金臺，尺寸為2290mm×1800mm×950mm（長×寬×高），用于零件線尾搬運，皮帶機高度為1000mm，可調范圍為±100mm。皮帶線具備啟動、停止功能，同時可以根據壓機的生產節拍來調節皮帶線傳送速度，配合機器人和視覺來移動抓取工件。

圖3　RB165機器人控制系統組成

1.5視覺跟蹤抓取系統

由于本系統中的機器人視覺系統采用兩套康耐視(Cognex)的In-Sight5403視覺系統完成圖像采集、視覺處理和工件跟蹤定位，每兩臺機器人通過工業以太網共用一套視覺系統。視覺系統的靜態分辨率為1600×1200，位深為256個灰度級別，內置兩個高速輸出，同時支持TCP/IP協議和RS-232C協議通信，在使用以太網連接時，可以通過網絡交換機連接多個設備，便于與機器人進行通信。圖4為康奈視In-sight瀏覽器軟件對5403進行配置的界面示意。

圖4　通過In-sight瀏覽器軟件配置5403

1.6端拾器設計

本系統中要求4臺機器人端拾器規格完全一樣，采用真空吸件方式，端拾器上預留氣管接口，并配有真空檢測及顯示，并且和整個系統連鎖。由于汽車覆蓋件多種多樣，且不規則，表面凹凸不平，所以機器人端拾器的設計需要根據各種沖壓件的外貌進行支架的長短和方向的細微調整。每套端拾器包含兩套真空發生器及8套真空吸盤。圖5為系統中所用端拾器的三維設計模型示意。

圖5　機器人端拾器3D設計模型

1.7系統工作流程

按照要求，四臺國產機器人分工合作完成每分鐘6～10件的節拍，由皮帶機系統、視覺系統和機器人組來配合完成工件的在線抓取和裝箱，時序圖如圖6所示，系統工作流程如下：

圖6　國產機器人搬運及裝箱系統時序圖

如果皮帶機上檢測到有工件且已經到位，則啟動視覺控制系統。

視覺控制系統拍照并識別后進入控制系統。

如果工件是合格品，則通知1、2號機器人組，并返回各自的空閑狀態信息。如果1、2號機器人至少有一個空閑，則發出指令指定其中一個機器人準備姿態調整和適時抓取；機器人接到任務指令，啟動工作，進入相應工作程序，工作程序完成后，返回給控制系統完成信息，并更新自己狀態為空閑；如果1、2號機器人都忙，則使用3、4號機器人輔助抓取，機器人接到任務指令，啟動工作，進入相應工作程序，工作程序完成后，返回給控制系統完成信息，并更新自己狀態為空閑。

如果工件是不合格品，則通知3、4號機器人組，并返回各自的空閑狀態信息；如果3、4號機器人至少有一個空閑，則發出指令指定其中一個機器人準備姿態調整和適時抓??；機器人接到任務指令，啟動工作，進入相應工作程序。工作程序完成后，返回給控制系統完成信息，并更新自己狀態為空閑；如果3、4號機器人都忙，則人工輔助完成搬運和裝箱。

2　關鍵技術解析

項目中機器人抓取成功與否的關鍵在于機器人與視覺系統的協同定位，在項目中視覺系統要完成工件的精確定位，主要存在以下問題：1）抓取的工件尺寸規格比較大，超過了1000mm×1500mm，同時工件的形狀比較復雜；2）工件到達抓取工位前，需要通過一條半徑3500mm的90°的轉彎皮帶機，工件在轉向后的位姿偏差較大；3）工件運行速度較快，正常工作時超過25米/分鐘；4）由于現場工作空間限制，導致機器人抓取工件后姿態調整幅度較大。

通過對以上問題進行分析后最終選取了康奈視的5403相機和25mm的鏡頭，設定工作距離大于2400mm，在機器人抓取工位前安裝有一套對射傳感器，作為視覺定位的觸發信號。測試前對視覺系統需設置工件圖像捕捉、機器視覺與機器人的坐標標定等工作，另外在現場聯調時還需要根據實際情況完成機器人坐標系進行矯正、工件圖像角度補償，最終完成了工件的準確抓取。

3　結束語

工業機器人市場競爭越來越激烈，中國制造業面臨著與國際接軌，參與國際分工的巨大挑戰[3]。國產機器人在整體性能上與國際水平存在一定的差距，在核心技術的創新方面嚴重依賴進口，這無疑給國產機器人發展帶來較大的阻力。為此，國產機器人需要在控制器、減速機等關鍵部件上加大自主研發力度，在提高整體性能的基礎上，不斷降低成本，減少與國外機器人之間的綜合差距，從而不斷抵制國外機器人占據國內市場的現象，充分發展中國本土化制造業，從而在世界制造業中博得一席之地。

[1] 郭紀斌.國產工業機器人現狀和發展趨勢研究[J].中國科技縱橫,2015,(10):206-206,208.

[2] 劉洋洋.廣數機器人專用伺服電機技術分析[J].機電信息,2015,(12):93-94.

[3] 湯嘉榮.淺析我國工業機器人的發展與研究[J].科技創新與應用,2012,(32):94.

Application of domestic moving robot in automobile production line

JIA Pei1, YE Ai-ping1, ZHANG Shao-wei2, XIE Wei-lin2, LIN Zhi-qiang3

TP249

A

1009-0134(2016)02-0071-04

2015-12-17

國家科技重大專項資助

賈沛（1975 -），男，高級工程師，本科，研究方向為自動化技術應用。