工業機器人在拖拉機變速箱生產線自動化改造中的應用

龔洪浪　李麗娜

摘 要： 為了提升流水線作業能力，提出應用工業機器人進行拖拉機變速箱生產線自動化改造的解決方案。所提改造方案選擇我國自主研發的ER50?C20工業機器人進行自動化生產，通過實地考察拖拉機變速箱生產線環境，對工業機器人安裝方位、工業機器人操作范圍、產品傳動空間和產品搬運方位等生產線布局進行了改造，使用ROBOGUIDE軟件對工業機器人的自動化加工進程進行編程，并給出控制工業機器人動作的控制函數。實驗結果表明，經改造后，拖拉機變速箱自動化生產線的生產負荷大幅度降低，產品質量得到了改進。

關鍵詞： 工業機器人； 拖拉機變速箱； 生產線； 自動化改造

中圖分類號： TN830.1?34； TP242.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）20?0114?03

Abstract： In order to improve the operational capability of the assembly line， a solution of applying industrial robots to automation reconstruction of the tractor gearbox production line is proposed. In the solution， the ER50?C20 industrial robot researched and developed in China is selected for the automation production. The production line layout containing installation position and operation range of industrial robots， product gearing space， and product transportation orientation was reconstructed according to the on?the?spot investigation result of tractor gearbox production line environment. The ROBOGUIDE software is used to compile the program for the automation processing procedure of industrial robot， and the control function that controls industrial robot motion is given. The experimental results show that the the production load of the reconstructed tractor gearbox automation product line is greatly reduced， and the product quality has been improved.

Keywords： industrial robot； tractor gearbox； production line； automation reconstruction

0 引 言

拖拉機變速箱是實現車輪傳動的主要結構之一，是承擔零件機械能量的基礎設備，變速箱生產質量關系著拖拉機是否能夠穩定運行。為了滿足市場需求，拖拉機變速箱生產線需要保質保量地生產多種型號、品類以及批號的變速箱，通常采用流水線作業[1]，以實現批量生產，生產線自動化水平決定著流水線作業能力。拖拉機變速箱生產線的自動化是指用生產參數限制生產進程，構造特定結構及功能的拖拉機變速箱產品[2]。在自動化生產過程中，需要不斷控制生產參數并反饋產品性質，減少結構及功能偏差[3]。工業機器人在近些年來不斷在工業加工領域中發揮作用，其快速、智能、精準、環保數控加工優勢為生產線自動化改造提供了優質解決方案，不但能節省用工開支[4]，還能提高生產效率和產品制造工藝，是未來工業加工領域的必備設施。為了提高拖拉機變速箱生產線的生產效率和產品制造工藝，應用工業機器人進行生產線自動化改造[5]，改變低能、剛性生產能力，適應科技社會發展和市場需求。

1 工業機器人在生產線自動化改造中的應用

1.1 改造后的生產線布局

應用工業機器人的拖拉機變速箱生產線是一個復雜系統，由自動化生產儀器、傳動線以及各類傳感器構成[6]。工廠環境決定著這個復雜系統的布局，通過實地考察拖拉機變速箱生產線環境，對生產線布局進行規劃。工業機器人與其他自動化生產儀器不能出現干涉[7]，以避免安全事故。傳動線運動軌跡受限于變速箱高度，需要保證在傳動過程中產品位置的絕對穩定，產品搬運方位應滿足最小傳動空間[8]。生產線整體布局不可過于松散，各個儀器間的連接應考慮到最短接線原則，同時合理安排儀器數量與實際使用功率，以節省生產開支。容易產生干擾的儀器應被隔離，切勿與工業機器人過于貼近。根據上述生產線布局規劃要求，給出拖拉機變速箱生產線在工業機器人自動化改造下的生產線布局，如圖1所示。

圖1中，1號位和2號位共同組成產品傳動空間，1號位是傳動主機，2號位是傳動控制平臺，3號位是拖拉機變速箱生產流水線作業平臺，4號位放置變速箱零件托盤，5號位安裝是托盤放行儀器，6號位是工業機器人安裝方位。傳動主機將生產零件傳送到作業平臺前端，送至4號位托盤中，工業機器人對托盤零件進行加工，傳感器將不斷向控制平臺發送加工情況，待監測到變速箱加工后，傳動控制平臺開啟托盤放行儀器，將產品搬運到目標方位[9]。

1.2 工業機器人在自動化生產中的應用

傳動控制平臺給出工業機器人的操作規范都是在生產現場即時編寫的，編程軟件為ROBOGUIDE，其可進行機器人離線三維仿真編程，應用界面友好，能夠給出精確的操作周期，保證操作規范可行性。工業機器人進行拖拉機變速箱的自動化加工分5步進行，依次是：確定待加工零件方位、抓取待加工零件、取料、放料、旋轉加工。

圖2、圖3是工業機器人對待加工零件和變速箱配料的操作示意圖，工業機器人收到傳動控制平臺的上料指示，抓取相應的待加工零件和配料，下料后進行旋轉加工。當傳感器采集數據提示配料不足時，上料指示燈亮起，再次進行取料和放料操作，一個拖拉機變速箱加工完成后，放行儀器開啟。

1.3 工業機器人動作控制

工業機器人的型號很多，經過多方對比，采用ER50?C20型號的工業機器人進行拖拉機變速箱生產自動化改造。ER50?C20由我國自主研發，額定載荷高于50 kg，機器人操作臂的最大能動距離為2.2 m，手臂長為1 m，操作界面友好、編程簡易、維修簡單，能夠完全接受傳動控制平臺的管控，與控制儀器兼容性良好。ER50?C20工業機器人的操作臂擁有6個自由度，能夠進行零件搬移、配料抓取、切割、雕刻、水磨等操作，運動控制誤差低于0.1 mm，最大旋轉角度為±480°。

由于工業機器人進行拖拉機變速箱加工時采用的是笛卡爾坐標系，但自由度旋轉卻是以世界坐標系為基準的，所以在控制工業機器人加工動作時需要先描述笛卡爾坐標系與世界坐標系的換算關系。

設任意點[P]位于笛卡爾坐標系[A]中，[P]點坐標向量為[Ap=[px，py，pz]]。設點[B]是工業機器人的目標移動點，[B]是世界坐標系，[B]點在世界坐標系的坐標向量為[Bb=[xB，yB，zB]]，坐標系[A]，[B]的換算關系見圖4。

由圖4可知，[P]點在笛卡爾坐標系的x軸延長線正好經過[B]點所處世界坐標系的原點，則ER50?C20工業機器人從[P]點移動到[B]點所經歷的動作控制過程可用一個齊次變換矩陣表示，如下：

2 實驗分析

生產負荷是生產項目一個特定周期內產品總產量與預計產量的比值，可以用來評估生產企業的生產能力和盈利情況。在使用ER50?C20工業機器人進行拖拉機變速箱生產線自動化改造前，我國江蘇某工業加工企業生產的拖拉機變速箱有3種型號，其生產負荷如表1所示（表中數據為該企業2015年全年統計量）。

經過ER50?C20工業機器人改造拖拉機變速箱生產線自動化水平之后，使用改造方案進行6個月的試運行實驗。實驗結束后，試運行期間的用工成本降低至去年同期的[23]，產品加工精度不斷增高，產品質量得到了大幅度提升。假設改造后每個月的產量相等，將試運行期間產量換算至全年產量，計算生產負荷，如表2所示。改造后拖拉機變速箱的單件平均加工時間有所縮短，年產量由原來的每種類型4 500臺上升至8 000臺，生產負荷得到顯著提升，證明了ER50?C20工業機器人在拖拉機變速箱生產線自動化改造應用中的可行性。

3 結 論

本文探討了工業機器人在拖拉機變速箱生產線自動化改造中的應用，并進行了實驗證明。得出本文給出的改造方案不但能提高加工企業自動化水平，增益企業生產能力和利潤，也對未來工業企業發展貢獻了強有力的資源。

參考文獻

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