機(jī)器人自動(dòng)裝配方法及技術(shù)研究

鐘志斌

（廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣東廣州510530）

0 引言

裝配是產(chǎn)品生產(chǎn)的后續(xù)工序，在制造業(yè)中占有重要地位，作為一項(xiàng)新興的工業(yè)技術(shù)，機(jī)器人自動(dòng)裝配應(yīng)運(yùn)而生。用于裝配生產(chǎn)線上對零件或部件進(jìn)行裝配的工業(yè)機(jī)器人，屬于高、精、尖的機(jī)電一體化產(chǎn)品。隨著“中國制造2025”與德國“工業(yè)4.0”的對接，我國正不斷加大對工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的扶持力度，生產(chǎn)電子產(chǎn)品的企業(yè)也將機(jī)器人代替人工這一發(fā)展規(guī)劃提上了日程，裝配領(lǐng)域?qū)⑹俏磥頇C(jī)器人技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)之一。本文將以機(jī)器人自動(dòng)裝配剃須刀為例，通過多機(jī)器人之間的協(xié)同作業(yè)，可靠完成單機(jī)器人無法完成的復(fù)雜任務(wù)。

1 裝配單元布局

系統(tǒng)由多關(guān)節(jié)機(jī)器人、裝配夾具、托盤分揀機(jī)構(gòu)、輸送線、變位機(jī)定位機(jī)構(gòu)、振動(dòng)上料裝置、托盤疊盤機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。系統(tǒng)集成應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了外殼、彈簧、托盤零部件的自動(dòng)上下料及機(jī)器人協(xié)同裝配柔性生產(chǎn)工藝。在機(jī)器人集成應(yīng)用中常見的兩個(gè)問題是工作單元的精準(zhǔn)可靠性和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性如何保證，以下介紹機(jī)器人協(xié)同作業(yè)裝配單元的布局，整體布局圖如圖1所示。

圖1 整體布局圖

1.1 托盤分揀定位機(jī)構(gòu)

（1）外殼托盤分揀：托盤上設(shè)計(jì)有定向及堆垛卡槽，保證物料放入的一致性和堆垛的穩(wěn)定性；人工補(bǔ)給托盤料倉，托盤從分揀裝置底部一次分揀輸送一張托盤；當(dāng)分揀托盤料倉儲(chǔ)存低位時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提醒人工補(bǔ)給物料。

（2）外殼托盤定位：皮帶線自動(dòng)輸送托盤到定位裝置處進(jìn)行阻擋定位，發(fā)出信號(hào)預(yù)約機(jī)械手取外殼裝配及裝盤。

1.2 RB03機(jī)器人+機(jī)械手夾具

（1）系統(tǒng)采用GSK-RB03機(jī)器人，重復(fù)定位精度高、速度快、控制靈活、體積小，適合本單位生產(chǎn)空間緊湊、效率高的電子生產(chǎn)裝配線進(jìn)行搬運(yùn)、分揀、柔性裝配作業(yè)。

（2）針對本應(yīng)用工況復(fù)雜性、定位精度高的特定應(yīng)用環(huán)境，機(jī)械手夾具采用柔性裝配方式設(shè)計(jì)，并針對用戶產(chǎn)品特性，設(shè)計(jì)成通用性裝配夾具。

（3）雙機(jī)器人分別從輸送線托盤內(nèi)取外殼部件、振動(dòng)盤定位機(jī)構(gòu)取彈簧進(jìn)行協(xié)同柔性裝配，并將裝配成品排序放回輸送線托盤內(nèi)。

1.3 振動(dòng)盤快速、穩(wěn)定輸送彈簧上料

作為機(jī)器人自動(dòng)組裝的輔助供料設(shè)備，振動(dòng)盤可以把堆垛的異形彈簧有序振動(dòng)排列出來，配合機(jī)器人組裝夾具一起將外殼各部件組裝起來成為完整的一個(gè)產(chǎn)品。

1.4 變位機(jī)定位裝配

（1）變位機(jī)定位外殼：根據(jù)工件外形特性設(shè)置兩個(gè)外殼定位夾具，可以快速更換模塊，實(shí)現(xiàn)快速換線產(chǎn)品柔性生產(chǎn)。

（2）變位機(jī)采用伺服電機(jī)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)90°、180°步進(jìn)旋轉(zhuǎn)夾具，重復(fù)定位高，協(xié)同機(jī)器人精準(zhǔn)控制作業(yè)。

（3）采用雙工位自動(dòng)變位裝配，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)器人一邊快速安裝拆卸外殼，另一邊裝配彈簧協(xié)同作業(yè)，生產(chǎn)效率高。

1.5 疊盤、托盤下料

（1）托盤疊盤：輸送線托盤送入疊盤機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)檢測托盤后自下而上疊垛暫存托盤，設(shè)計(jì)一次可暫存25件托盤。

（2）疊盤暫存滿后系統(tǒng)自動(dòng)放料，輸送整疊托盤到緩存物料區(qū)，系統(tǒng)提示人工取走盤。

2 裝配過程工序控制

本設(shè)備為機(jī)器人自動(dòng)裝配剃須刀系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)外殼托盤分揀、托盤自動(dòng)輸送、取外殼定位裝配、彈簧上料、機(jī)器人協(xié)同組裝、外殼疊盤以及裝配外殼回收等柔性生產(chǎn)工序。本系統(tǒng)以全自動(dòng)化控制替代人工操作，提高了生產(chǎn)效益。下面用剃須刀裝配實(shí)例解釋裝配工藝的順序控制：

（1）外殼、彈簧上料：建立外殼托盤料倉、彈簧振動(dòng)盤輸送上料。

（2）外殼托盤分揀：將托盤料倉的托盤自下而上分揀，皮帶線自動(dòng)輸送托盤。

（3）托盤定位：皮帶線將外殼托盤輸送到定位裝置處進(jìn)行定位固定，預(yù)約等待機(jī)械手取外殼裝配及裝配件裝盤。

（4）變位機(jī)定位外殼：機(jī)械手1取外殼放入旋轉(zhuǎn)變位機(jī)夾具，同時(shí)，將組裝完彈簧的外殼放回托盤相應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)外殼與組裝成品外殼的交換裝配。

（5）彈簧裝配：變位機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，機(jī)器人2從振動(dòng)盤夾取彈簧進(jìn)行裝配。

（6）裝配外殼裝盤：變位機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，機(jī)器人1再將裝配好的外殼成品放入輸送線托盤，重復(fù)工序機(jī)器人協(xié)同裝配各零部件。

（7）托盤疊盤：輸送線將托盤送入疊盤機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)檢測托盤后自下而上疊垛托盤，一次可堆盤25件。

（8）托盤下線：疊盤堆滿后系統(tǒng)自動(dòng)放料，輸送線將整疊托盤輸送到緩存物料區(qū)，系統(tǒng)提示待人工取走盤。

為了確保這些裝配動(dòng)作在規(guī)定的時(shí)間按照正確的順序進(jìn)行，總控系統(tǒng)必須能夠和工作單元中各個(gè)設(shè)備進(jìn)行可靠穩(wěn)定的信號(hào)交流。在應(yīng)用中，單元控制系統(tǒng)還要考慮完成一些常見的順序控制、執(zhí)行計(jì)算、處理設(shè)備故障等特殊事件以及不規(guī)則周期性問題的排除。

3 機(jī)器人循環(huán)時(shí)間和裝配動(dòng)作分析

在機(jī)器人自動(dòng)裝配設(shè)計(jì)中，工作周期循環(huán)是一項(xiàng)重要組成部分。周期循環(huán)時(shí)間決定了機(jī)器人生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，本項(xiàng)目通過機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)，約束管控機(jī)器人的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，加強(qiáng)機(jī)器人之間的聯(lián)合式協(xié)作，大大提升了裝配生產(chǎn)效率。圖2為多關(guān)節(jié)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)圖。

圖2 多關(guān)節(jié)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)圖

我們將機(jī)器人在裝配過程中的應(yīng)用分成兩類：機(jī)器人上下料、協(xié)同裝配。機(jī)器人裝配的速度決定于生產(chǎn)效率及托盤料倉的容量，根據(jù)運(yùn)行軌跡及PLC檢測識(shí)別工件等信號(hào)交互時(shí)間，預(yù)計(jì)單件裝配速度為8 s節(jié)拍，方案設(shè)計(jì)一次儲(chǔ)料大概400件外殼，需50 min進(jìn)行一次補(bǔ)給上下物料。為滿足以上自動(dòng)生產(chǎn)動(dòng)作要求，需關(guān)注以下注意事項(xiàng)：（1）零部件的定向和重復(fù)位置精度；（2）夾具的柔性裝配設(shè)計(jì)及通用性；（3）托盤載體的定向定位；（4）機(jī)器人可操作的工作區(qū)域設(shè)計(jì)；（5）機(jī)器人負(fù)載容量設(shè)計(jì)；（6）系統(tǒng)定位精度和可重復(fù)性；（7）機(jī)器人形態(tài)及協(xié)同作業(yè)控制；（8）機(jī)器利用率平衡的問題。

4 總結(jié)與展望

本系統(tǒng)采用兩臺(tái)RB03多關(guān)節(jié)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，重復(fù)定位精度高、速度快、協(xié)同控制靈活、體積小。裝配機(jī)器人的一個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工作自主、多機(jī)協(xié)同，開發(fā)出智能型自主識(shí)別、判斷裝配機(jī)器人，能在各種裝配工作站工作，因此多機(jī)器人協(xié)作、人機(jī)協(xié)作問題一直是多機(jī)器人研究的重點(diǎn)。多機(jī)器人技術(shù)在未來的生產(chǎn)生活中將有廣闊的市場前景，未來多機(jī)器人如何完成任務(wù)，主要可從以下兩點(diǎn)進(jìn)行研究：

（1）多機(jī)器人任務(wù)分配：無論是在靜態(tài)環(huán)境下還是在動(dòng)態(tài)未知環(huán)境下，首先要對每臺(tái)機(jī)器人分配好任務(wù)，使機(jī)器人各自按照分配任務(wù)去執(zhí)行；

（2）多機(jī)器人路徑規(guī)劃：無論是在靜態(tài)環(huán)境下還是未知環(huán)境下，機(jī)器人路徑規(guī)劃的主要目的是完成系統(tǒng)分配的任務(wù)，保證機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的穩(wěn)定性、可靠性等。

[1]于海贏.6-DOF機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑優(yōu)化研究[D].長春：長春工業(yè)大學(xué)，2012.

[2]陳森源.起重機(jī)底盤裝配線線平衡研究[D].長春：吉林大學(xué)，2011.

[3]朱振杰.機(jī)械產(chǎn)品裝配線平衡問題優(yōu)化研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.