冷鐵分揀機器人工作站的設計與實現

張 貝 ，沈 勇

（1.中鐵寶橋集團有限公司資產管理部，陜西 寶雞 721006；2.中車西安車輛有限公司資產能源管理部，陜西 西安 710000）

1 項目背景

中鐵寶橋集團有限公司鑄造車間主要從事高錳鋼轍叉的鑄造工作。在鑄造過程中需要采用大量的冷鐵，使被鑄工件在局部位置達到急劇冷卻的效果，改善工件表面的金屬結構，達到線路的使用需求。根據產品工藝，平均每個工作日需要擺放及分揀一萬余塊冷鐵。原有此項工作由人工完成，人員勞動強度極大，而且錯誤率較高。為了提高冷鐵分揀的自動化程度，減少人工分揀的勞動強度及減少分揀出錯率，以提高車間精益生產水平，設計了冷鐵機器人全自動分揀工作站，包含共振動輸送機、自動輸送物流線、機器人視覺識別系統、分揀機器人系統、導料槽、冷鐵盛裝器具等并預留生產信息接口功能，以實現減人，降本，增效，提高產品品質的目的[1-3]。

2 方案總體設計依據

①冷鐵分揀生產線項目技術要求、生產線布局圖

②產品規格、產品圖紙、生產節拍要求

2.1 分檢對象

圖1 冷鐵外形規格

2.2 分揀需求及產能

實際使用過程中1號、2號、4號、5號冷鐵用量最多。1號又包含2種，4號也包含2種，所以需要識別分揀出來的共6種。這六種基本上能滿足80%以上的工作需求。

2.3 分揀效率

每天需要分揀的數量在一萬塊左右，兩個工作班次。

2.4 工藝流程

圖2 工藝流程圖

2.5 設備概述

該分揀機器人工作站主要用于14種冷鐵的其中的6種分檢工作，采用單機器人電磁鐵吸盤來自動抓起工件，工件傳輸通過行車吊裝整箱雜亂冷鐵倒入振動輸送機，上料滑槽具備足夠剛度，確保倒入的冷鐵不會對滑槽表面造成沖擊變形。振動輸送機將各類冷鐵進行振動形成單層相對獨立個體后依次進入動力傳輸線自動傳輸，工件種類判定及抓取坐標采用視覺掃描系統進行工件快速識別及定位，然后視覺掃描系統將所分析的冷鐵類別及坐標值與機器人進行數據通訊，通過6軸機器人實現工件的自動抓起及分揀。

圖3 冷鐵分揀工作站視圖

2.6 布局及上下料方式

根據現場的工藝布局，設計了一套座式搬運機器人、一套振動上料系統、一套動力傳輸線、一套無動力導料系統。工件的來料采用行車吊裝人工導入振動分料斗，然后用過振動分料系統對冷鐵進行導料導入自動傳輸線。

3 工件分檢視覺系統

該工作站的核心部分為視覺識別，在工作節拍內能夠識別物流線上的冷鐵型號，并進行判斷，然后將數據傳輸給六軸機器人進行運動。

3.1 實現分類

通過圖形匹配的方式實現產品分類識別如圖所示（注∶由于在圖像采集時可能會采集到同一個產品的不同側面，因此，軟件中將設置六個模板，分別對應同一件產品的六個面，類型識別結果顯示為同一件產品；）。

3.2 實現定位

通過視覺軟件分析冷鐵圖像在圖片中的坐標位置（目標分析：在成像清晰的條件下，在完成形狀匹配之后，目標物坐標可以自動被計算出來。）

視覺系統功能簡介：①抓取冷鐵圖像，可以是單個，也可以是多個，可以靜態也可以動態；②抓取圖像后，判定所拍攝的冷鐵的類別；③確定冷鐵在圖像中所處的位置坐標；④輸出坐標，與機械臂的運動控制系統坐標對接；⑤物品由傳送帶來料，觸發信號發送給工控機，工控機控制相機軟觸發采圖，然后對圖像進行分析，視覺軟件使用預設的模板對圖像進行匹配，匹配出結果后將坐標及類型信息發送給機器人進行抓取。

4 振動輸送機分料系統

振動輸送機實現將成堆冷鐵分成單層相對獨立個體，實現冷鐵依次分開輸送之目的，以便后續視覺識別系統進行掃描。振動輸送機是利用激振器使料槽振動，從而使槽內物料沿一定方向滑行或拋移。傾斜上運時，生產率隨傾角增大而下降。除激振機構某些零部件外，相對轉動部件很少，結構簡單。當槽體向前振動時，依靠物料與槽體間的摩擦力把運動能量傳遞給物料，使物料加速運動，此時物料的運動方向與槽體的振動方向相同。當槽體向后振動時，物料因受慣性作用，仍將繼續向前運動，槽體則從物料下面往后運動，由于運動中阻力的作用，物料越過一段槽體又落回槽體上。當槽體再次向前振動時，物料又因受到加速而被輸送向前。如此重復循環，實現物料的輸送。

5 機器人工作站控制系統

工作站控制系統除機器人控制柜和操作盤外，另有一套用于整套設備動作程序控制和檢測的系統控制器、操作盒。該系統控制器采用三菱公司PLC作為主控單元，配套工業級觸摸屏用于參數設定和狀態顯示。控制柜內線路具耐油性，應有線號套管，接地標志等，內部設置照明燈，以及電源插座，方便維修。控制柜設置有排風散熱裝置。采用彩色觸摸屏人機界面對全分揀過程進行監控，當設備出現故障時，設備能自動停止并發出報警信號，故障位置人機界面顯示。報警設置器控制盒上，能發出聲音警告，控制柜上方設置三色狀態指示燈（綠色：工作狀態；黃色：等待狀態；紅色：故障）。

6 結語

整個冷鐵分揀機器人工作站能夠有效的進行冷鐵的識別，并將需求的冷鐵搬運至指定位置，視覺識別簡單可靠，整個工件的識別與搬運動作能控制在3s內。完全滿足了現場的生產需求，極具推廣價值。