六軸機(jī)器人智能抓取單元優(yōu)化設(shè)計(jì)

林怡輝，王悅娟

一拖（洛陽）匯德工裝有限公司 河南洛陽 471000

1 序言

隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展和集成應(yīng)用，鑄造工業(yè)中工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化、智能化技術(shù)的快速發(fā)展，將人類從高溫、高粉塵、油污、噪聲、重復(fù)、繁重及電磁干擾的惡劣生產(chǎn)環(huán)境中解放出來，也極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。但在我國鑄造工業(yè)機(jī)器人技術(shù)尚不成熟，特別是不同產(chǎn)品生產(chǎn)過程中使用的機(jī)器人抓取單元標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，零部件通用化程度低，質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定，因此，將機(jī)器人的抓手實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模塊化組合，不僅能夠縮短生產(chǎn)周期及制造成本，而且對(duì)于穩(wěn)定質(zhì)量、提高可靠性，實(shí)現(xiàn)該類產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)都具有重要的意義[1-2]。

本項(xiàng)目是對(duì)西班牙洛拉門迪公司生產(chǎn)的冷芯盒制芯單元為主體的機(jī)器人抓手單元進(jìn)行研發(fā)改造，對(duì)不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體砂芯組芯的機(jī)器人抓取單元依據(jù)功能采用模塊化設(shè)計(jì)，通過調(diào)整氣缸行程和模塊組合實(shí)現(xiàn)多品種發(fā)動(dòng)機(jī)缸體砂芯的抓取。同時(shí)，采用傳感器技術(shù)，使抓取單元具有自動(dòng)識(shí)別不同品種砂芯的能力，根據(jù)砂芯品種確定抓取位置，并且一次抓取三個(gè)砂芯。并對(duì)機(jī)器人的抓取單元采取特殊的防護(hù)措施，確保在高溫、粉塵環(huán)境中抓取單元工作的可靠性，解決原進(jìn)口機(jī)器人抓手故障率高、生產(chǎn)效率低、品種兼固性差的問題，此外，通過對(duì)抓取單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)通用化，為發(fā)動(dòng)機(jī)缸體制芯機(jī)器人抓取單元今后進(jìn)一步的推廣使用以及產(chǎn)業(yè)化做好技術(shù)儲(chǔ)備。

2 項(xiàng)目研發(fā)的主要內(nèi)容

1）智能抓取單元控制系統(tǒng)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)抓取單元對(duì)砂芯的自動(dòng)拾取、夾緊、去毛刺、搬運(yùn)、旋轉(zhuǎn)和組合定位動(dòng)作。

2）抓取單元的機(jī)械部分研發(fā)，即：夾緊機(jī)功能模塊、定位模塊、旋轉(zhuǎn)模塊的研發(fā)。

3）識(shí)別功能模塊的研發(fā)，利用傳感技術(shù)自動(dòng)識(shí)別不同類型的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)識(shí)別、分揀功能。

4）對(duì)抓取單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和通用化設(shè)計(jì)。

3 項(xiàng)目實(shí)施方案

3.1 整體布局與工藝路線

該項(xiàng)目整體布局與改造后的工藝路線分別如圖1、圖2所示。

圖1 整體布局

圖2 改造后工藝路線

3.2 組芯處布置方案

組芯處分為兩臺(tái)制芯機(jī)共用一臺(tái)機(jī)器人布置，機(jī)器人抓手一次性抓取一臺(tái)制芯機(jī)上的三個(gè)砂芯。

（1）組放方式 一次抓取三個(gè)砂芯，旋轉(zhuǎn)180°后放置。

動(dòng)作說明：改造前為兩臺(tái)取芯機(jī)器人每一次抓一個(gè)砂芯，分別抓取兩臺(tái)制芯機(jī)砂芯；改造后只需要更換為一臺(tái)機(jī)器人，并在每一臺(tái)制芯機(jī)處一次抓取3個(gè)砂芯，如若兩種砂芯，可在兩臺(tái)制芯機(jī)處根據(jù)工藝安排按順序分別抓取3個(gè)砂芯，有效提高工作效率。抓手采用框架式結(jié)構(gòu)，抓手本體上安裝有滑臺(tái)、頂緊及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過氣缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)對(duì)類似缸體種類砂芯的抓取，通過氣缸推動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)砂芯的90°旋轉(zhuǎn)，另外抓手根據(jù)不同產(chǎn)品可自動(dòng)調(diào)整砂芯之間的間距，通過仿形去毛刺設(shè)備去毛刺后，保證不同種類的砂芯可放置在組芯臺(tái)上。可實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)品共用抓手，并滿足制芯機(jī)特殊制芯要求。

（2）組芯處機(jī)器人抓手的方案 機(jī)器人抓手采用平移機(jī)構(gòu)、頂緊機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)抓手的伸縮、旋轉(zhuǎn)、頂緊功能的基礎(chǔ)上，通過平移機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手適應(yīng)多品種砂芯的抓取，頂緊機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)與原組芯臺(tái)準(zhǔn)確配對(duì)。

組芯機(jī)器人抓手單元如圖3所示。實(shí)施效果如圖4所示。

1）夾緊動(dòng)作。由夾緊機(jī)構(gòu)中的三個(gè)氣缸分別帶動(dòng)活動(dòng)端夾緊臂直線運(yùn)動(dòng)，與固定端夾緊臂配合將砂芯定位夾緊。通過氣缸上安裝的接近開關(guān)感測(cè)位置，在到達(dá)夾緊位置時(shí)反饋信號(hào)給控制系統(tǒng)。

2）去毛刺動(dòng)作。機(jī)器人抓起三個(gè)零件后，進(jìn)行去砂芯毛刺。

3）旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。砂芯的去毛刺后，由三組氣缸帶動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，使砂芯姿態(tài)由水平放置狀態(tài)轉(zhuǎn)換為豎直狀態(tài)。

圖3 組芯機(jī)器人抓手

圖4 實(shí)施效果

4）組芯動(dòng)作。兩側(cè)的兩組夾緊機(jī)構(gòu)，由兩組氣動(dòng)伺服氣缸帶動(dòng)，在滑軌上滑動(dòng)，當(dāng)滑動(dòng)至程序設(shè)定的位置后，氣缸上帶有的集成位移編碼器發(fā)出信號(hào)，氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中的比例方向控制閥與之配合，通過控制電磁閥的氣流量大小，來控制氣缸的運(yùn)動(dòng)速度和停止位置，移動(dòng)的重復(fù)位置精度可達(dá)到±0.2mm。

3.3 浸涂處布置方案

浸涂處分為上線共用一臺(tái)機(jī)器人布置，機(jī)器人抓手分別抓取來自浸涂中轉(zhuǎn)臺(tái)或人工上芯處的砂芯（見圖5）。

圖5 浸涂處布置

（1）浸涂處機(jī)器人操作流程 人工上料：到位→抓取→浸涂→上線；中轉(zhuǎn)臺(tái)供料：放件→旋轉(zhuǎn)→抓取→浸涂→上線。

動(dòng)作說明：機(jī)器人到達(dá)浸涂中轉(zhuǎn)臺(tái)后，平移機(jī)構(gòu)到位，夾緊相應(yīng)產(chǎn)品。機(jī)器人到達(dá)浸涂池后，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)做相應(yīng)動(dòng)作，完成浸涂、瀝干等工作。浸涂完成后，機(jī)器人把產(chǎn)品放置在烘干上線處，平移機(jī)構(gòu)打開，機(jī)器人復(fù)位。浸涂處抓手兼顧多品種。采用龍門結(jié)構(gòu)，夾具本體上安裝有導(dǎo)軌，通過氣缸拉動(dòng)滑座實(shí)現(xiàn)龍門寬度尺寸變化對(duì)砂芯進(jìn)行抓取。抓手一端的滑座安裝有伺服電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)帶動(dòng)花鍵軸旋轉(zhuǎn)，花鍵軸通過鏈帶動(dòng)抓手旋轉(zhuǎn)，使砂芯旋轉(zhuǎn)，以滿足浸涂翻轉(zhuǎn)、回?cái)[的要求。

（2）浸涂處機(jī)器人抓手的方案 浸涂處機(jī)器人抓手結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 浸涂處機(jī)器人抓手結(jié)構(gòu)

抓取說明：①機(jī)器人到達(dá)相應(yīng)取料口后，平移機(jī)構(gòu)到位，夾緊相應(yīng)產(chǎn)品。②機(jī)器人到達(dá)浸涂池后，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)做相應(yīng)動(dòng)作，完成浸涂、瀝干等工作。③浸涂完成后，機(jī)器人把產(chǎn)品放置在烘干上線處，平移機(jī)構(gòu)打開，機(jī)器人復(fù)位。

抓手優(yōu)勢(shì)分析：①機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠。②翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用花鍵軸連接，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)同步切換。③抓手采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)切換及翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，重復(fù)性定位精度高。

浸涂機(jī)器人抓手實(shí)施效果如圖7所示。

1）夾緊動(dòng)作。由夾緊機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)氣缸帶動(dòng)活動(dòng)端夾緊臂直線運(yùn)動(dòng)，將砂芯定位夾緊。通過氣缸上安裝的接近開關(guān)感測(cè)位置，在到達(dá)夾緊位置時(shí)反饋信號(hào)給控制系統(tǒng)。

2）旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。砂芯完成浸涂后，由伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸，使砂芯繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，完成浸涂液的充分浸涂并瀝干。

圖7 浸涂機(jī)器人抓手實(shí)施效果

3.4 浸涂系統(tǒng)

浸涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 浸涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）清洗池特點(diǎn) 再帶循環(huán)系統(tǒng)；自動(dòng)檢測(cè)液面高度；自帶隔膜泵，可以將池內(nèi)的水循環(huán)使用。

（2）浸涂池特點(diǎn) 自帶涂料循環(huán)攪拌系統(tǒng)，保證在長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)過程中涂料不會(huì)產(chǎn)生沉淀結(jié)塊等情況，整個(gè)浸涂池內(nèi)無死點(diǎn)。

（3）補(bǔ)液池特點(diǎn) 自帶涂料循環(huán)攪拌器；自帶隔膜泵，可以自動(dòng)將準(zhǔn)備好的涂料輸送到自動(dòng)涂料池內(nèi)。

4 本項(xiàng)目完成情況及社會(huì)效益

4.1 實(shí)現(xiàn)主要技術(shù)指標(biāo)

1）抓取單元抓取總質(zhì)量250kg。

2）具備自動(dòng)識(shí)別功能，一次可同時(shí)抓取三件，并進(jìn)行自動(dòng)拾取、夾緊、旋轉(zhuǎn)、組合定位動(dòng)作。

3）重復(fù)定位精度為±0.2mm。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）控制系統(tǒng)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)抓手對(duì)砂芯的自動(dòng)拾取、夾緊、去毛刺、旋轉(zhuǎn)和組合定位動(dòng)作。

2）機(jī)械部分研發(fā)，即研發(fā)抓取單元的機(jī)械部分，對(duì)于完成多功能，高效可靠的動(dòng)作。

3）利用光電結(jié)合的傳感器實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品自動(dòng)識(shí)別、分撿功能，實(shí)現(xiàn)多品種共線的柔性生產(chǎn)要求。

4.3 設(shè)計(jì)方案優(yōu)勢(shì)、創(chuàng)新點(diǎn)

1）改善原有抓手結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一次抓取三個(gè)砂芯，提高生產(chǎn)效率。

2）抓手結(jié)構(gòu)有伸縮功能，實(shí)現(xiàn)與原組芯臺(tái)準(zhǔn)確配對(duì)。

3）借用目前產(chǎn)品識(shí)別方式，不改變生產(chǎn)習(xí)慣，不改變?cè)旒芎罄m(xù)動(dòng)作。

機(jī)器人及其抓取單元除結(jié)構(gòu)實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化、系列化外，而且向著輕型、快速、靈敏、抓取質(zhì)量更大的方向發(fā)展。在為公司創(chuàng)造效益的同時(shí)，也為客戶節(jié)省了開支，也給其他單位生產(chǎn)線的改造利用提供了切實(shí)可行的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

4.4 社會(huì)效益

1）本項(xiàng)目為在智能化機(jī)器人贏得質(zhì)量與效率雙幅提升的同時(shí)，對(duì)于降低成本，減少用工，優(yōu)勢(shì)也顯露無遺。

2）鑄造機(jī)器人自動(dòng)化與智能化很好地迎合了時(shí)代發(fā)展的需求，顯現(xiàn)出極強(qiáng)的生命力，為企業(yè)創(chuàng)造更多效益。

3）本項(xiàng)目研發(fā)可用于工況惡劣環(huán)境，可以減少傳統(tǒng)操作的環(huán)境噪聲、切削液有毒氣味對(duì)工人身體健康的損害，減少工傷事故造成的家庭痛苦和社會(huì)危害，降低社會(huì)負(fù)擔(dān)。