基于工業機器人上下料的多工位機加工生產線設計研究

張海城

摘要：按照零件加工工藝與生產節拍要求，設計智能生產線，主要包括加工中心、機器人、第七軸、輸送線和打磨工件。機器人主要應用在機加工上下料與打磨。在生產線設計中應用總線對設計難度加以簡化，實現自動加工，符合生產節拍與質量要求，提升經濟效益。

關鍵詞：工業機器人;上下料;多工位

引言

本文以工藝機器人上下料多工位機加工生產線設計為研究對象，對加工節拍進行分析，設計生產線多工位結構，對系統設計中所應用的雙目視覺測量技術、圖像處理技術進行簡要概括，提出控制系統設計方案，為相關企業生產線設計提供參考。

1加工節拍分析

零件鑄造和熱處理之后，通過輸送線把零件傳輸至生產線，需在CNC進行零件數控加工后通過機器人對零件的表面進行打磨。工件生產流程為：應用機器人取件，將待加工零件放置在上料位置、機床關門、加工、開門、取料，對零件表面進行打磨處理等。經過加工測算，在CNC中零件加工需花費184s，完成打磨工序需消耗21s，機器人上下料和打磨處理共需消耗56s，所以，一部機器人可以滿足3臺CNC加工需求，加工生產節拍如表一所示：

2生產線多工位結構設計

2.1生產線布局

生產線由加工中心（3臺）、打磨設備、機器人（1臺）、第七軸、上下料輸送線、防護欄等組成。對生產場地與節拍因素進行綜合考慮。

2.2設備選型和網絡結構

在生產線設計中機器人選擇ABB IRB-2006機器人，腕部負載約20kg，臂展1.65m，配置控制柜，為能夠游俠提升機床利用效率，為機器人配置雙工位的夾具，在取料同時實現上料，機床選擇VMC650L，機器人第七軸和打磨工位均為自建。設備間通信應用以太網、I/O連接與PROFINET總線[1]。

2.3第七軸

為提升機器人工作范圍，能夠進行不同工位上下料，生產線給機器人配置第七軸。第七軸工作原理為機器人對伺服電機的運行加以控制，讓嚙合齒輪借助齒條傳動運動，驅動機器人移動。對于精度要求比較高場合，能夠選擇精度較高的滾珠絲杠、配備第七軸等方式，第七軸選擇高精度齒輪齒條，安裝軟限位、機械限位和急停限位。第七軸運行精度能夠達到±0.5mm，符合零件加工需求。另外，第七軸選用PROFINET總線實現通信，該通信方式能夠減少機器人和PLC拓展模塊，驅動器狀態的數據經過總線傳輸至上位機，用于生產的后期維護、改造和擴展。生產線中PLC選用西門子S7-1200，伺服選用V90PN。伺服和PLC都支持總線。ABB機器人需安裝支持總線通信的板卡[3]。機器人經總線把所需位置、速度數據傳輸至PLC，PLC把計算后速度信號、方位信號以及定位所需脈沖信號傳輸至驅動器，驅動器進行定位把移動性到位信號、位置數據反饋至PLC，同時PLC把信號反饋至機器人。

2.4機器人

生產線中機器人的任務主要包括取毛坯零件、上下料、打磨處理工位上下料、打磨零件、零件下料。機器人需進行零件搬運與打磨處理零件，為提升生產效率，機器人配置快換頭。母頭安裝于夾具與打磨頭上，公頭安裝與機器人的法蘭端?？鞊Q頭需要保證夾具所需壓縮空氣正常供應，并要確保夾具信號回傳和打磨頭電力供應。該生產線機器人應用氣流通道6組、信號通道8組快換頭。完成零件加工后機器人回歸至零點，若輸送線傳感器件檢測有料，則機器人執行取料動作，之后向CNC上料。任意一部CNC完成加工并給去取料請求信號，機器人便將當前零件取出并使用夾具進行上料工作。隨后機器人把加工完成零件夾在打磨工位，工具更換后開始打磨，打磨處理結束后把零件放在輸送線。

3技術應用

3.1雙目視覺測量技術

雙目視覺是模擬人類和雙眼視覺線感知距離，感知三維信息，以三角測量技術為技術，借助兩部攝像機由不同位置成像，通過視覺差取得距離信息。該系統可以實現零件的自動定位，精準識別零件姿態信息和位置信息。該系統的工作原理為將兩部攝像機左右平行并列放置。為便于測量與計算，應當選擇相同型號相機。相機的焦距為f，光軸間距B。進行測量時對攝像機的安裝位置進行調整，確保成像平面MR、ML在相同平面，并保證相機光軸平行。將相機投影中心OL做坐標原點，相機光軸和像平面相交在CR、CL點。對于該系統的應用需要對坐標系平移、旋轉標定，清除畸變，提升測量精度。該技術獲取測量對象圖像，需要首先標定攝像機，保證測量數據準確性。本文應用張正友標定，過程簡單、成本低、準確率高、魯棒性好，屬于常用標定方式。標定攝像機主要目的為借助標定試驗取得相機系統內外參數，確保圖像分析過程中通過圖像信息準確極端零件實際位姿和位置。該系統包括四個坐標系，為便于將圖像坐標轉變為世界坐標進行求解，將世界坐標系： OwXwYwZw、攝像;機坐標系： OwXwYwZw、圖像坐標系：oxy和計算機圖像;坐標系：ouv。

3.2圖像處理技術

需要對攝像機所獲取圖像數據進行進一步的處理，包含圖像特征的提取、匹配圖像立體、重建空間點，獲取測量對象位姿數據和空間位置，之后傳輸至機器人，對機器人的運行進行控制。該系統設計中所英語的軟件為WT-VS1.0，借助相機實時圖像進行視覺定位，通過視覺匹配技術引導機器人進行物體的抓取。軟件功能包括儲存圖像目標物特征和載入特征，搜索圖像目標物，設置圖像參數，例如比配閾值，處理和限制圖像二值化，監測顯示鼠標坐標系、標定機器人的坐標系、機器人坐標以及標校圖像像素，配置通信參數，向機器人傳輸目標物體坐標，顯示軟件的運行情況。當系統處于運行狀態，機器人的控制系統向視覺系統傳輸拍照信號，處理器進行識別，并對工件相對上料托盤X、Y位置、偏移角度進行計算，把測量數據傳輸至機器人。處理軟件應用Matlab實現標準參數，對攝像機的對比度、快門、亮度等參數進行自動調節，并對機器人直角坐標系位置進行顯示。視覺處理應進行圖像算法參數設置、練習目標圖像、二值化和搜索目標。在練習目標圖像，程序載入儲存目標特征，以此在圖像內搜索和模板相似物體。該軟件提供兩種比配算法，通過相機單幀圖像，已有圖像作為采集模板。首先載入目標對象凸顯，使用鼠標獲取搜索目標，系統自動提取圖像特征、保存圖像、頂點坐標和特征。用戶不需要選擇閾值，軟件應用二值化方式進行閾值的選取，對比二值化。

4控制系統

該生產線中PLC選擇西門子1214C DC/DC/DC，PLC設置以太網接口。PLC對機器人的第七軸、數控機床、打磨機構、機器人進行控制。對上位機、HMI控制信號進行接收。應用PLC對第七軸移動進行控制，并對第七軸零點信號、限位信號進行控制。PLC向CNC傳輸請求信號，例如松開夾具、夾緊夾具等信號，如表二所示：

PLC和機器人間通過總線通信，PLC將指令傳輸至機器人，例如打磨請求，機器人把當前請求信號、狀態傳輸至PLC，機器人和PLC之間進行信號的傳輸。

總結

綜上所述，按照零件實際加工生產節拍與生產環境，構建由第七軸、機器人、數控中心和打磨工位組成的生產線，通過調試與試生產，系統穩定運行，實現預期目標和效率，在實際生產中良好運行。在生產線內通過總線技術降低機器人、PLC端模塊數量，建設機器人第七軸，有效節約成本，對生產線加以簡化。ABB機器人屬于支持總線所設置的板塊，例如選擇出廠總線機器人搭建簡化工作，實現經濟性。

參考文獻

[1]申耀武.機床上下料工裝設計中工業機器人的應用研究[J].南方農機，2019，50（08）：2-3.

[2]吳斌.基于工業機器人的智能制造生產線設計[J].機床與液壓，2020，48（23）：55-59.