多工位集成式機器人自動上料技術探索

曹義軍，王慶云，李明

（蘇州工業園區格比機電有限公司，江蘇 蘇州 215123）

目前工業機器人的應用越來越廣泛，采用工業機器人代替人工上料，可實現高速穩定生產的要求，具有定位精確、生產質量穩定、運行可靠平穩、降低勞動強度等諸多特點。本文提供一種機器人多工位集成式上料技術，通過不同裝置及控制方式的實施，達到工件高速準確的同步配對上料要求。

1 基本結構及工作原理（圖1）

圖1

集成式機器人自動上料裝置包括控制系統、工件放置機構1、工業機器人2、工件中轉機構3、工件搬運機構4 及緩存落料機構5。

機器人2 為負載能力60Kg 的六自由度工業機器人，設置在封閉式框式機架6 內，具有一定的靈活性和自由度，包括機器人本體、機器人底座及位于機器人末端的夾取組件。

夾取組件包括用于夾取工件的工件夾取模塊、及用于夾取塑料隔膜的塑料隔膜夾取模塊。工件夾取模塊包括兩套工件夾取單元，兩套工件夾取單元可根據實際需要單獨使用或同步使用。每個工件夾取單元包括工件夾取升降氣缸、旋轉氣缸、夾爪氣缸及兩套夾爪，工件夾取升降氣缸通過旋轉氣缸與夾爪氣缸相連接。塑料隔膜夾取模塊包括塑料隔膜吸取升降氣缸、連接板及10 套塑料隔膜吸盤，塑料隔膜吸取升降氣缸安裝在支撐底板上，塑料隔膜吸盤在連接板上對稱固定。

工件放置機構1 設置在封閉式框式支架6 內，位于機器人2 的一側，工件放置機構1 包括移動平臺、位于移動平臺上的移動小車以及設置在移動小車上的兩組料筐。在移動平臺的兩側，封閉式框式機架6 上還固定有兩個托板，用于存放從料筐中取出的塑料隔膜。

移動平臺上有用于人工放置料筐或取下料筐的第一工位與第三工位，以及用于機器人取出料筐中工件的第二工位，第一工位、第二工位與第三工位依次相連，第二工位設置在第一工位與第三工位之間，作為機器人上料位置；第一工位與第三工位根據移動平臺的平移，交替成為放置滿料筐或取下空料筐工位，由操作人員依次進行空料筐的取下及滿料筐的上料動作。

移動小車在第一工位、第二工位與第三工位之間自由移動，移動小車包括小車本體、以及驅動小車本體在移動平臺上移動的驅動伺服電機，驅動伺服電機安裝在小車本體的底部，通過傳動裝置驅動小車平移。小車本體上有兩個料筐放置工位，并排有兩個料筐；每個料筐內有13 層工件，每層工件通過塑料隔膜相隔開。在第二工位的正上方有視覺系統18，視覺系統18 采用2000 萬像素高分辨率工業相機，視覺系統18 安裝在垂直方向上可自動調節的伺服機構上，機器人可在視覺系統18 的引導下依次取出料筐中的工件，每次取出兩件，每層取完后，取出塑料隔膜放置在托板上，然后取下一層。

工件中轉機構3、工件搬運機構4 及緩存落料機構5 均位于機器人2 的另一側，工件中轉機構3 與緩存落料機構5在工件搬運機構4 的工作行程范圍內，工件中轉機構3 的工件通過工件搬運機構4 移送至緩存落料機構5。

工件中轉機構3 包括旋轉平臺及與旋轉平臺相連接的驅動組件，旋轉平臺上有四個工位，四個工位繞旋轉平臺的軸線沿圓周方向等距排列；驅動組件固定在旋轉平臺的底部，驅動組件包括驅動電機及與驅動電機相連接的分度頭。

工件搬運機構4 包括支撐架、以及安裝在支撐架上的氣缸組件。氣缸組件包括移位氣缸、升降氣缸單元及變距氣缸，移位氣缸用于實現工件在水平方向上移動，固定在支撐架的上方；升降氣缸單元通過固定板固定在支撐架的下方，變距氣缸與升降氣缸單元固定連接在固定板的下方，升降氣缸單元用于實現工件在豎直方向上移動，升降氣缸單元包括兩套氣缸組件，每個氣缸組件包括1 套升降氣缸、1 套夾爪氣缸及2 套夾爪，夾爪氣缸位于升降氣缸底部，夾爪安裝在夾爪氣缸的底部；在氣缸組件的驅動下可通過夾爪將兩個工件取出，并可借助變距氣缸調節兩個工件的距離，實現在搬運過程中調整工件間距的功能。

緩存落料機構5 包括分料升降組件和落料組件，安裝在生產線主線上方，對工件搬運機構搬運過來的工件進行緩存，實現生產過程中的工件緩存及向主線落料功能。在安裝底座中有4 個導向桿，用于工件在下降過程中的導向，防止在工件垂直下降時位置出現偏移。

其中，分料升降組件包括安裝底座、分料模塊及緩存升降模塊。分料模塊由多層承托架、分料氣缸及安裝板組成，固定連接在安裝底座上。分料氣缸安裝在安裝底座的一側外部，每層承托架包括兩個相互平行設置的承托桿，承托桿一側固定安裝在分料氣缸底板上，另一側可在固定于安裝底座上的直線軸承內滑動。緩存升降模塊由緩存升降氣缸及安裝底板組成，緩存升降氣缸設置在安裝底座的頂部。分料升降組件共包括15 層承托架，其自上而下布置，在分料氣缸的驅動下可沿水平方向往復運動，在緩存升降氣缸的驅動下可沿豎直方向往復運動。

落料組件結構與分料模塊類似，由多層承托架、落料氣缸及安裝板組成，固定在在安裝底座上。落料氣缸安裝在安裝底座的另一側外部，每層承托架包括兩個相互平行設置的承托桿，承托桿一側固定安裝在落料氣缸底板上，另一側可在固定于安裝底座上的直線軸承內滑動。落料組件共包括15層承托架，其自上而下布置，在落料氣缸的驅動下可沿水平方向往復運動。

緩存落料機構可實現多層工件的依次落料，主要動作流程為：（1）在原點位置時，落料氣缸帶動的承托桿為伸出狀態，工件搬運機構將工件搬運放在落料組件的承托桿上，工件被支撐；（2）分料模塊中分料氣缸動作，分料模塊承托桿伸出；（3）落料氣缸動作，落料氣缸帶動的承托桿縮回，工件落在分料模塊的承托桿上；（4）緩存升降氣缸推動分料升降組件下移，分料模塊的承托桿帶動工件下移；（5）落料氣缸動作，落料氣缸帶動的承托桿伸出；（6）分料模塊中分料氣缸動作，分料組件承托桿縮回，工件落在落料組件的承托桿上；（7）緩存升降氣缸縮回，帶動分料升降組件上移。

以上循環動作，可實現工件逐層下降落料的要求。

整體上料過程為通過機器人上的夾取組件將料筐中的工件移送至工件中轉機構，然后通過工件搬運機構轉移至緩存落料機構，并依次在生產節拍內，實現兩個工件同步上料至主線7 的要求。

2 性能特點

該裝置采用多工位集成式設計，結合機器人搬運機構，實現汽車零部件生產中的同步配對上料過程。具有以下特點：

（1）采用多工位集成設計方式，實現高速、準確的同步上料需求。

（2）設置工件中轉機構，與機器人及工件搬運機構配合，通過旋轉平臺的旋轉將工件旋轉至工件搬運機構的活動范圍內，且該工件中轉機構設置有四個工位，實現工件的自動高效上料，減少人員投入，提高生產效率。

（3）設置高分辨率視覺系統，通過視覺系統軟件算法，識別上料工件狀態和空間位置，建立機器人與視覺系統雙坐標系模型，引導機器人從料筐中夾取工件，實現機器人對工件的精確夾取。

（4）設置緩存落料機構，實現工件的自動配對生產。

該多工位集成式機器人自動上料技術已在生產實踐中得到應用，提升了生產過程中的零件上料效果，明顯改善了生產效率，并獲得了專利授權。