基于工業機器人的“智能制造”柔性生產線設計

陳運軍

（四川信息職業技術學院 機電工程系，）

基于工業機器人的“智能制造”柔性生產線設計

陳運軍

（四川信息職業技術學院 機電工程系，）

隨著德國“工業4.0”、美國“工業互聯網”及我國 “中國制造2025”的提出，智能制造、自動化裝備等細分產業得到重點關注，并不斷向FMS柔性制造系統或FMC柔性制造單元發展。本文設計的“智能制造”柔性生產線，以安裝在行走導軌上的機器人為基礎，同時負責兩臺數控車床、兩臺數控加工中心的上下料工作。生產線中還配置了由回轉上料機構與取料機構組成的自動上料系統和自動換夾具系統，并在取料臺上方安裝了視覺系統。當更換加工產品時，機器人只需要作出有限調整，就可以很快進行不同產品的加工，具有較高的柔性特征。

智能制造；柔性；工業機器人；設計

0 引言

工業機器人是指面向工業領域的多關節的機械手或多自由度的機器裝置，也是一種極為智能的機械加工輔助手段，是FMS（柔性制造系統）和FMC（柔性制造單元）的重要組成部分。在智能制造柔性生產線中，工業機器人可實現制造工藝過程中所有的零件抓取、上料、 下料、裝夾、零件移位和翻轉、零件調頭等，特別適用于大批量、小零部件的加工，能夠極大的節約人工成本，提高生產效率。

本文設計的 “智能制造”生產線，即是以工業機器人為主體，完全代替人工，不僅自動化程度高，還可適應大多數零件的加工，柔性功能強大。為設計出合理較好闡述“智能制造”生產線，本文以汽車端蓋（如圖1所示）為載體，針對汽車端蓋的加工過程說明生產線布局、工作原理、邏輯控制等。

1 柔性生產線工作原理

1.1 載體零件加工工藝確定

根據零件要求，制定出加工工序如下：

1）采用數控車床，用內三爪夾持毛坯左端內孔，車削右端外形如圖2所示。

圖1 加工零件圖

2）掉頭，用內三爪加持毛坯右端內孔φ58，車削左端外型如圖3所示。

3）采用平口虎鉗裝夾φ64.97外圓，在數控加工中心上加工各孔至尺寸。

圖2 右端加工圖

圖3 左端加工圖

1.2 柔性生產線工作流程設計

由于機床卡爪的夾持范圍有限，不能在同一臺數控車床上完成車削的所有內容，只能在一臺車床上完成1個工序的加工內容。為此，本零件加工需要使用兩臺數控車床完成步驟1和步驟2的動作，使用一臺數控加工中心完成步驟3的動作。設計出柔性生產線的工作流程如圖4所示。

圖4 柔性生產線工作流程圖

2 柔性生產線結構設計

2.1 柔性生產線總體布局

以1節所述的工作流程為基礎，考慮到節約勞動力和滿足多品種產品的加工需求，經過改善和優化，設計、繪制出柔性生產線的總體布局如圖5所示。

該“智能制造”柔性生產線主要由兩臺數控車床、兩臺數控加工中心、工業機器人及行走導軌（第七軸）、自動上料機構、下料輸送線、中轉臺、機器人控制系統、外部設備控制系統、視覺系統等構成。工業機器人安裝在行走導軌上，擺放在四臺數控機床之間，負責取料工作、四臺機床的上下料工作及放料工作。

圖5 柔性生產線的總體布局

2.2 柔性生產線重要部件

2.2.1 自動上料機構

自動上料機構負責毛坯件的自動上料，具體結構如圖6所示。

圖6 自動上料機構

自動上料機構由取料機構和回轉上料機構兩部分組成。回轉上料機構的回轉工作臺依靠伺服電機和減速齒輪進行旋轉運動，其上方設置有8個工位，每個工位安裝一導柱，可一次性穿18個零件。取料機構也是依靠伺服電機和滾珠絲桿進行上下移動的，并在絲桿的螺母副上方安裝取料臺如圖7所示。取料臺的手指由氣缸控制，可進行前后伸縮運動。另外，取料臺上方架設有視覺系統，負責檢測取料的準確位置。

圖7 取料機構局部結構

工作時，當回轉上料機構的回轉工作臺將導柱旋轉到如圖6所示的取料工作位置后，取料機構的取料臺向下移動到達取料高度，手指氣缸伸出穿越零件，取料臺再向上移動將零件從導柱上取出，完成上料工作。此時，視覺系統將該零件的擺放位置與精確取料位置進行比對，并將兩位置之間的偏移量存入數據庫。外部設備讀取數據庫中的偏移值傳遞給機器人，機器人即可準確的取料，按順序送往數控機床進行加工。

2.2.2 下料輸送線

下料輸送線結構如圖8所示，用于將加工好的零件向下一工位傳輸。輸送線采用鏈板輸送方式，用三相異步交流電機及減速裝置驅動。輸送線兩端各配置1個光電傳感器，分別用于檢測放料位和取料位是否有工件到位。另外，在取料位上方架設視覺系統，負責檢測取料的準確位置。

工作時，當放料位傳感器有信號后，三相異步電機開始工作，輸送鏈板將工件傳遞到取料位。取料位傳感器檢測到工件，三相異步電機停止工作，并通知其它設備取料。

圖8 下料輸送線

2.2.3 中轉臺

中轉臺結構如圖9所示，主要由一臺階型的V型塊組成，用于工件的掉頭裝夾。即當工件在第一臺機床加工完成，機器人將工件取出后，換夾工件的另一端。這時，我們將工件如圖10所示的放在中轉臺上，再移動機器人，去抓取工件的另一頭，如圖11所示。

圖9 中轉臺

圖10 中轉臺放料

圖11 中轉臺掉頭取料

3 柔性生產線機器人手爪設計

3.1 手爪結構

為提高生產節拍，工業機器人手爪采用雙工位設計，具體結構如圖12所示。機器人進入機床前先將未加工零件夾持在工位1上。進入機床后，使用工位2取下機床卡盤上的工件，旋轉180角，將工位1上的工件安裝到機床卡盤上。

圖12 工業機器人手爪結構

手爪的支架4為一焊接件，左、右兩面均通過連接套筒5安裝了一個三爪氣缸6，并在氣缸的三個工作位置上安裝了三個手指7，用于零件的夾持。

另外，由于不同零件的夾持需要不同的夾具，為滿足今后加工不同零件的裝夾需求，手爪不是直接安裝在機器人上的，而是通過快換接頭進行的連接。快換接頭的公頭2通過法蘭1固定在機器人第六軸法蘭上，將快換接頭的母頭3固定在機器人手爪上。當機器人需要連接手爪時，只需將快換接頭的公頭與母頭吸合即可。快換接頭公頭如圖3-6所示，母頭如圖3-7所示。

3.2 手爪氣路設計

手爪使用三爪氣缸進行夾持動作，需要進行相應的氣路連接。其氣路圖如圖13所示。壓縮空氣經過氣動三聯件進行過濾、脫水等處理后，利用四通連接管分為三條氣路。其中兩條氣路分別用于兩個三爪氣缸閉合和張開的控制，第三條氣路用于快換接頭連接與斷開的控制。

圖13 手爪氣路圖

手爪上的兩個三爪氣缸及快換接頭的氣路連接方法完全相同。通過三位五通的電磁閥進行氣路的控制后，連接到手爪氣缸的進氣和出氣口上。電磁閥的中位起到了斷電保持的作用。

4 結束語

工業機器人是當今國內外工業自動化技術與應用的新生力軍。隨著加工效率的不斷提升,越來越多的生產制造廠都將自動上下料的方式引入到實際生產中。本文設計的智能制造柔性生產線，適用性廣，大大節約人力成本，增加了加工精度，提高了生產節拍，并保證不會與其它設備形成干擾，無任何安全隱患，可得到大力的應用及推廣。

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Based on the industrial robot made “smart” fl exible production line design

CHEN Yun-jun

TP391.9

：A

：1009-0134(2017)08-0060-04

2017-04-25

陳運軍（19 -），男，