機(jī)器人上料自動化在汽車發(fā)動機(jī)缸蓋加工線的應(yīng)用

錢濤

摘 要：隨著人口老齡化以及勞動力的逐漸減少，勞動密集型制造企業(yè)用工成本逐年升高，以自動化設(shè)備代替人工的需求迫切，另一方面，隨著機(jī)器人及圖像識別產(chǎn)業(yè)的日趨成熟以及制造成本的不斷下降，“機(jī)器換人”的經(jīng)濟(jì)性也逐漸凸顯。文章將介紹汽車行業(yè)中，機(jī)器人上料自動化裝置在發(fā)動機(jī)加工線的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;自動化;圖像識別;發(fā)動機(jī)加工

中圖分類號：460.2599? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-181-05

Application Of Robot Feeding Automation Devices In The Production Line

Of Cylinder Head

Qian Tao

（GAC TOYOTA Engine CO.， LTD. Manufacturing Department， Guangdong Guangzhou 511455）

Abstract： As the population ages and the labor force decrease gradually， the labor cost of labor-intensive manufacturing companies has increased year by year. Hence the need to replace manual labor with automated equipment is urgent. On the other hand， the robot and image recognition technique have matured and their costs have continued to decline. Therefore， the economics of "machine substitution" are becoming more and more prominent. This article will introduce the application of robot feeding automation devices in the production line of cylinder head.

Keywords： Robot; Automation; Image recognition; Engine cylinder process

CLC NO.： 460.2599? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-181-05

引言

我司2018年開始進(jìn)行汽車發(fā)動機(jī)產(chǎn)品、產(chǎn)線全面升級，結(jié)合“中國制造2025”戰(zhàn)略，重點推進(jìn)發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線自動化的引進(jìn)。針對發(fā)動機(jī)箱體生產(chǎn)線，除實現(xiàn)加工設(shè)備自動化外，對上料工位也要采用自動化上料裝置。以前舊箱體加工線采用手工上料，自動化程度低，占地面積大，工件（滾動）噪音大。本裝置就是為了提高自動化程度、減少人工成本、降低崗位噪音、改善環(huán)境，可實現(xiàn)自動、手動兩種功能。

1 方案設(shè)計

根據(jù)規(guī)劃，設(shè)計產(chǎn)能為18000臺/月，節(jié)拍為48s/臺，全自動作業(yè)，必須滿足兩種產(chǎn)品柔性、高效生產(chǎn)要求，在機(jī)器人故障時可快速后備作業(yè)，因此要全面考慮工件收納形態(tài)、料籠配送、生產(chǎn)線布局、機(jī)器人選型、圖像識別、工件抓取、生產(chǎn)指示、安全防護(hù)、硬軟件系統(tǒng)、人機(jī)界面、工藝流程及程序、手動（后備）作業(yè)等要求。

1.1 工件及收納形態(tài)

本文對象工件為發(fā)動機(jī)鋁合金缸蓋毛坯，有兩種產(chǎn)品，自行鑄造生產(chǎn)，分別層疊擺放在標(biāo)準(zhǔn)倉庫籠中。倉庫籠尺寸1200×1000×750mm，分別可以收納40件與32件（圖1）。毛坯與毛坯、料籠之間均預(yù)留間隙，防止收納、抓取時干涉;同時，間隙不能過于寬松（要小于工件尺寸的一半），防止搬運中工件傾倒，影響抓取。

1.2 物料配送

倉庫籠放在定制臺車上，臺車四周有四個直角擋塊，起定位及防止料籠滑落作用（圖2），倉庫籠與臺車的定位偏差量在50mm以內(nèi)，物流人員將帶料籠的臺車從鑄造車間用牽引車配送至加工線指定區(qū)域，再由生產(chǎn)線人員手動將臺車推入到設(shè)備內(nèi)料框定位處。

1.3 設(shè)備整體構(gòu)成及布局

設(shè)備外形尺寸（長×寬× 高）：6055×5860×2400mm，采用機(jī)器人配合定制夾具及相機(jī)識別系統(tǒng)，對籠內(nèi)工件拆垛抓取，放到指定位置，打刻（二維碼）后通過自動輥道送往加工設(shè)備。為滿足多產(chǎn)品生產(chǎn)要求，采用多關(guān)節(jié)機(jī)器人，地面固定式安裝，采用1臺機(jī)器人對應(yīng)2種產(chǎn)品的布局，左右分別是兩種不用產(chǎn)品的倉庫籠，機(jī)器人在中間，分別設(shè)計了后備投入輥道對應(yīng)后備生產(chǎn)（圖3）。

1.4 機(jī)器人選型

根據(jù)式樣以及穩(wěn)定性等指標(biāo)，機(jī)器人選用發(fā)那科R- 2000ic/165F，6軸多關(guān)節(jié)，操作空間可達(dá)半徑2655mm，機(jī)器人有效負(fù)載165KG，而產(chǎn)品重量在20kg左右，機(jī)器人重復(fù)定位精度±0.05mm，滿足現(xiàn)場使用需求。

1.5 臺車料籠定位

考慮到料籠在臺車上的偏差，為消除料籠的位置偏移造成抓取效率低，在兩側(cè)安裝上導(dǎo)向及定位條，確保左右偏移量在50mm以內(nèi)，前端安裝一個到位行程開關(guān)，確保臺車推到合適的位置（圖4）。要確保左右方向偏移量在100mm以內(nèi)，前后偏移量在50mm以內(nèi)，最大程度確保識別及抓取效率，降低風(fēng)險。

1.6 識別及工件夾取

考慮到在收納、搬運過程中的臺車振動導(dǎo)致的工件位置偏移以及倉庫籠（臺車）的定位偏差，采用2D相機(jī)識別定位，采用發(fā)那科R-30iB 2D相機(jī)，接入機(jī)器人控制系統(tǒng)與機(jī)器人聯(lián)動，相機(jī)安裝在夾爪前端，選取缸蓋中間的火花塞孔作為工件識別特征點（圖5）。為消除Z方向誤識別的影響，通過工件、料籠、臺車三者之間的定位偏移量調(diào)整相機(jī)識別范圍，確保機(jī)器人逐層按順序進(jìn)行工件識別、記憶及工件夾取。

1.7 工件夾取

根據(jù)產(chǎn)品特征以及收納時的狀態(tài)，夾爪設(shè)計成抱夾式，夾取產(chǎn)品中間位置，可有效防止與倉庫籠及產(chǎn)品之間的干涉撞機(jī);夾爪行程可調(diào)，可滿足2種產(chǎn)品需求;在夾爪中間安裝了彈性在位檢測機(jī)構(gòu)，防止產(chǎn)品少夾或過夾;為適應(yīng)產(chǎn)品的輕微傾斜，在機(jī)器人與夾爪間設(shè)計了浮動單元; 考慮到料籠中工件極端狀態(tài)，在夾爪末端設(shè)計了防掛籠裝置，防止機(jī)器人強(qiáng)制動作導(dǎo)致設(shè)備損壞，確保人員安全;夾爪前端安裝了缸蓋位置識別、校正相機(jī)，抓取缸蓋前先拍照，根據(jù)成像校正缸蓋位置后再進(jìn)行抓取（圖6）。

1.8 生產(chǎn)指示及刻印

該單元主要作用是刻印機(jī)從生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)（統(tǒng)括盤）接受產(chǎn)品信息，將信息發(fā)送給機(jī)器人正確抓取，同時將包含生產(chǎn)日期加工順序的信息以數(shù)字碼及二維碼形式刻印在缸蓋上，便于后續(xù)加工的指示以及追溯。

1.9 安全防護(hù)

在機(jī)器人四周設(shè)置了安全圍欄，采用30型材作為骨架，網(wǎng)格為碳鋼激光切割材料，高度2400mm，在兩側(cè)送料口各設(shè)置了安全光柵，確保作業(yè)者誤進(jìn)入時機(jī)器人立即停止，在圍欄內(nèi)設(shè)置了一組區(qū)域傳感器，確保換籠作業(yè)時機(jī)器人不會因誤操作及其他原因作動到換籠區(qū)域。維修點檢門在前側(cè)，配有安全鎖與機(jī)器人聯(lián)鎖，門打開時機(jī)器人動力切斷，整套裝置操作盤設(shè)在側(cè)面，可以邊操作邊觀察設(shè)備內(nèi)情況（圖7），保證作業(yè)安全。

2 系統(tǒng)組成

2.1 硬件系統(tǒng)

本系統(tǒng)硬件由豐田工機(jī)PLC和DM組成。其中PLC為豐田工機(jī)TOYOPUC-Plus，安全控制PLC為TOYOPUC- PCS-J，DM操作盤為FP-07XXGS系列，硬件組態(tài)如圖8所示。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件平臺采用windows XP，編程軟件為 PCwin，安全PLC編程軟件為PCwin-Safe2，普通PLC與安全PLC之間通過I/F電纜連接，與操作盤DM之間的通信協(xié)議為Ethernet，與安東之間的通信協(xié)議為EtherNet/IP，與掃碼器及其他區(qū)域的通信協(xié)議也為EtherNet/IP，打刻機(jī)與PLC的通信協(xié)議為SIO模式，RS-232C協(xié)議。

3 工藝流程及程序

3.1 基本流程

基本流程主要由3部分構(gòu)成：正常運轉(zhuǎn)流程、換籠作業(yè)流程、后備作業(yè)流程。

3.1.1 正常運轉(zhuǎn)流程

正常運轉(zhuǎn)流程從原位置開始，到工件送入到加工設(shè)備作為一個完整循環(huán)（圖9）。

3.1.2 換籠作業(yè)流程

換籠作業(yè)流程從報警指示發(fā)出到再開始準(zhǔn)備作為一個循環(huán)（圖10）。

3.1.3 后備作業(yè)流程

后備作業(yè)流程從機(jī)器人操作按鈕切換無效到啟動開關(guān)作為一個循環(huán)（圖11）。

3.2 編寫梯形圖

正常自動運轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制系統(tǒng)圖如圖12所示。

換籠作業(yè)系統(tǒng)控制系統(tǒng)圖如圖13所示。

后備作業(yè)控制系統(tǒng)圖如圖14所示。

3.3 安全回路

機(jī)器人與安全柵（光柵、區(qū)域傳感器）、檢修門安全鎖、急停開關(guān)均有互鎖，確保異常時機(jī)器人立即停止，回路如圖15所示。

4 人機(jī)界面

操作屏畫面由單動畫面、工件信息、狀態(tài)表示、前后工程互鎖、安全I(xiàn)/O監(jiān)視、循環(huán)顯示器、PLC工具等畫面組成，如圖16圖17所示。

圖18是產(chǎn)品料籠工件信息的畫面，亮綠色表示該位置有工件，該位置無工件后亮紅色，可使用“單動+運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備”對該畫面進(jìn)行工件數(shù)量的修正。該畫面還會指示機(jī)器人到產(chǎn)品下一工件的位置和料籠剩余工件數(shù)。

5 調(diào)試及試運轉(zhuǎn)

5.1 通信建立

主要是豐工TOYOPUC-Plus通過RS232C與M4打刻機(jī)通信調(diào)試。

5.1.1 通信線連接

5.1.2 打刻機(jī)通信參數(shù)設(shè)置

5.1.3 打刻機(jī)通信參數(shù)設(shè)置

5.1.4 通信步驟

a.通信規(guī)格設(shè)定b.模塊重置釋放c.通道復(fù)位d.發(fā)送接收授權(quán)打開e.SIO狀態(tài)讀出f.在SIO中寫入發(fā)送數(shù)據(jù)然后發(fā)送。

5.2 調(diào)試、運轉(zhuǎn)

開機(jī)空運轉(zhuǎn)，通過畫面操作觀察PLC輸出點的狀態(tài)，與設(shè)計動作一致后再進(jìn)行帶工件的單動示教，確保各工件正常抓取。單動調(diào)試合格后再進(jìn)行整籠抓取，期間連續(xù)做了25籠（1000件產(chǎn)品）的測試，不斷修正料籠工件識別及抓取的狀態(tài)，做到正確識別及抓取率99.99%，滿足后面量產(chǎn)需求。

6 結(jié)論

經(jīng)過半年的投入使用，整個自動上料系統(tǒng)運行可靠，滿足2班連續(xù)生產(chǎn)要求，自動手動切換快捷，實現(xiàn)了高效生產(chǎn)要求，安全功能有效保護(hù)設(shè)備及作業(yè)者安全，滿足安全生產(chǎn)要求，使成熟的自動化控制技術(shù)更好的應(yīng)用于生產(chǎn)，為公司下一步數(shù)字制造轉(zhuǎn)向智能制造打下堅實基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李雪靜，杜玉紅.小型搬運機(jī)械手結(jié)構(gòu)及PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].裝備制造技術(shù)，2010年03期：58-66.