柔性生產(chǎn)線機(jī)器人組裝單元設(shè)計(jì)研究

陳清

摘 要：在科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，柔性生產(chǎn)線已經(jīng)成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。柔性生產(chǎn)線屬于多單元組合系統(tǒng)，由供料單元、加工單元、輸送單元、組裝單元等多模塊構(gòu)成。本文從設(shè)計(jì)需求、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、工作原理、機(jī)器人結(jié)構(gòu)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等方面入手，就柔性生產(chǎn)線機(jī)器人組裝單元設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡要分析，以推動(dòng)機(jī)器人在柔性生產(chǎn)線中的運(yùn)用，保證柔性生產(chǎn)線組裝單元安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：柔性生產(chǎn)線;機(jī)器人;組裝單元;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）04-0013-03

Abstract： Driven by the development of science and technology innovation， flexible production line has become an important means for enterprises to achieve sustainable development. Flexible production line is a multi unit combination system， which is composed of feeding unit， processing unit， conveying unit， assembly unit and other modules. From the aspects of design requirements， infrastructure， working principle， robot structure and robot motion control， this paper briefly analyzed the design of robot assembly unit in flexible production line， so as to promote the application of robot in flexible production line and ensure the safe operation of assembly unit in flexible production line.

Keywords： flexible production line;robot;assembly unit;system design

柔性生產(chǎn)線通常由自動(dòng)加工系統(tǒng)、信息控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、物流系統(tǒng)等構(gòu)成，具有設(shè)備利用率高、生產(chǎn)能力穩(wěn)定、運(yùn)行靈活安全、生產(chǎn)制造質(zhì)量高、應(yīng)變能力強(qiáng)、動(dòng)作準(zhǔn)確率高等優(yōu)勢。目前，其已成為制造業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。在柔性生產(chǎn)線中，機(jī)器人組裝單元是基礎(chǔ)單元，也是重點(diǎn)單元，其運(yùn)行與控制能直接影響柔性生產(chǎn)線工件裝配質(zhì)量和效率，且關(guān)系著成品生產(chǎn)質(zhì)量。因此，有必要加強(qiáng)柔性生產(chǎn)線機(jī)器人組裝單元設(shè)計(jì)，提升智能水平，充分發(fā)揮其在企業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)與創(chuàng)新發(fā)展中的積極作用，更好地助力中國制造。

1 柔性生產(chǎn)線機(jī)器人組裝單元的設(shè)計(jì)需求分析

基于機(jī)器人的柔性生產(chǎn)線自動(dòng)化水平較高，屬于綜合型智能生產(chǎn)系統(tǒng)。通常情況下，可將柔性生產(chǎn)線分為供料單元、傳動(dòng)單元、加工單元、組裝單元、倉儲(chǔ)單元等多個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)工件出料、加工、分揀、搬運(yùn)、裝配、存儲(chǔ)等一體化全自動(dòng)操作。其運(yùn)行流程主要為：供料單元將生產(chǎn)所用工件置于料倉中，當(dāng)傳感器檢測到料倉中的工件后，頂料氣缸按照系統(tǒng)設(shè)定頂住供料并將其推出至出料臺(tái)，當(dāng)出料臺(tái)檢測到工件之后，頂料氣缸發(fā)起縮回運(yùn)動(dòng)，出料臺(tái)上的工件在傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行至加工單元，完成對工件的加工處理，加工完畢后，經(jīng)機(jī)械手臂抓取進(jìn)入分揀單元，檢測合格的工件由機(jī)器人跟蹤運(yùn)輸兵搬運(yùn)至裝配單元，機(jī)器人根據(jù)工件信息完成工件裝配，不合格工件則由機(jī)器人搬運(yùn)至廢物回收處，等待后續(xù)處理[1]。裝配完成后，工件送至倉庫存儲(chǔ)。在整個(gè)過程中對機(jī)器人控制具有嚴(yán)格要求，為達(dá)到柔性生產(chǎn)線機(jī)器人控制要求，確保柔性生產(chǎn)線運(yùn)行安全、穩(wěn)定與可靠，在設(shè)計(jì)機(jī)器人組裝單元時(shí)，控制系統(tǒng)需要具備工件識(shí)別、坐標(biāo)測量、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等功能，保證機(jī)器人能準(zhǔn)確識(shí)別工件位置、工件盒子位置;準(zhǔn)確抓取工件、工件盒子蓋子;將工件精準(zhǔn)放置到組裝位進(jìn)行組裝操作;成品抓取、擺放;組裝完成后回歸原位，做好后續(xù)組裝準(zhǔn)備。

2 柔性生產(chǎn)線機(jī)器人組裝單元基本結(jié)構(gòu)與工作原理分析

根據(jù)柔性生產(chǎn)線工作流程可知，機(jī)器人組裝單元的工作過程具體為“盒子工位識(shí)別—工件盒有效抓取—組裝位確定—工件盒準(zhǔn)確放置—工件分揀跟蹤—合格工件抓取—工件放置組裝位—盒蓋抓取—組裝位蓋好盒子蓋子—成品抓取—成品放置倉儲(chǔ)位—機(jī)械手臂回歸原位”[2]。根據(jù)機(jī)器人組裝單元設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合機(jī)械手臂工作內(nèi)容，本研究設(shè)計(jì)機(jī)器人組裝單元共由兩部分構(gòu)成。一是上料部分，主要由氣缸、傳感器、料倉等構(gòu)成。在實(shí)踐運(yùn)行過程中，料庫能將工件盒與工件蓋推送至取料臺(tái)，取料臺(tái)配有傳感裝置，可檢測工位是否存在工件盒或蓋，如工位為空位，推料氣缸將從料庫中推送工件盒或蓋。二是組裝部分，主要由氣缸、傳感器、組裝臺(tái)、坐標(biāo)測量系統(tǒng)等構(gòu)成。在實(shí)踐運(yùn)行過程中，機(jī)器人運(yùn)行到取料臺(tái)上方后，抓取料臺(tái)上的工件盒或蓋，并將其搬運(yùn)到裝配臺(tái)上;工件跟蹤傳感器被觸發(fā)之后，機(jī)器人將運(yùn)行至工件分揀跟蹤抓取等待位置，將工件搬運(yùn)至裝配臺(tái)工件盒對應(yīng)位置;機(jī)器人夾起工件蓋將其蓋到工件盒上，完成工件組裝，并將成品搬運(yùn)至倉庫進(jìn)行存儲(chǔ)后回到初始位置。

3 柔性生產(chǎn)線組裝單元機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于機(jī)器人研發(fā)能力的不斷提升，機(jī)器人已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)中，如工件搬運(yùn)、工件分揀、工件組裝、工件檢測、工件裝卸等。在本研究中，考慮到機(jī)器人任務(wù)需求，確定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式為“機(jī)械手臂”，其工作范圍超過550 mm，在電子制造領(lǐng)域、機(jī)械制造領(lǐng)域、醫(yī)療制造領(lǐng)域等柔性生產(chǎn)線中均具有較強(qiáng)適應(yīng)性與實(shí)用性。

3.1 機(jī)械手臂的動(dòng)力源設(shè)計(jì)

在柔性生產(chǎn)線機(jī)器人組裝單元中，機(jī)械手臂的正常工作需要強(qiáng)有力的動(dòng)力源支持。目前，在柔性生產(chǎn)線中，電氣動(dòng)力源、氣壓動(dòng)力源、液壓動(dòng)力源、機(jī)械動(dòng)力源是較為常見的機(jī)器人動(dòng)力源。對比分析各種動(dòng)力源輸出動(dòng)力、響應(yīng)性、動(dòng)作速度、控制能力（見表1）可知，液壓動(dòng)力源較為符合柔性生產(chǎn)線機(jī)器人組裝單元設(shè)計(jì)需求。因此，本研究將機(jī)器手臂驅(qū)動(dòng)方式確定為液壓驅(qū)動(dòng)。為保證整體結(jié)構(gòu)的美觀性，動(dòng)力元件置于機(jī)械手臂內(nèi)部。因此，在動(dòng)力元件選擇上，不僅需要考慮其輸出轉(zhuǎn)矩，而且需要考慮其尺寸大小、質(zhì)量輕重。

3.2 機(jī)械手臂手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常情況下，機(jī)械手臂由兩部分構(gòu)成，即機(jī)械手與機(jī)械臂，而機(jī)械手又可分為機(jī)械大臂、機(jī)械小臂、機(jī)械腕等多個(gè)部分。具體需要根據(jù)各部分操作要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。既有研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器人所夾取工件多為圓柱體工件，而“V”形結(jié)構(gòu)的手爪能最大限度地抓緊工件。與此同時(shí)，“V”形手爪適用于多種類型工件。因此，以“V”形手爪為本次機(jī)械手臂手爪類型。在機(jī)械手設(shè)計(jì)過程中，要求其能準(zhǔn)確完成抓、放動(dòng)作。因此，需要根據(jù)抓放工件屬性，分析機(jī)械手負(fù)載重量，完成強(qiáng)度、剛度、夾取范圍等參數(shù)設(shè)置。通常情況下，要求機(jī)械手的夾緊力是所夾取工件的22～25倍，具體數(shù)據(jù)需要結(jié)合機(jī)械手爪大小、作用點(diǎn)等信息進(jìn)行計(jì)算確定。以機(jī)械手對工件的夾緊力為例，首先需要對柔線生產(chǎn)線組裝單元運(yùn)行情況與設(shè)計(jì)要求有全面了解，確定安全系數(shù)[k1]值、機(jī)械手爪工況情況系數(shù)[k2]值、方位系數(shù)[k3]值以及工件所受重力[G]，并根據(jù)公式（1）計(jì)算夾緊力（[FN]）：

[FN=k1×k2×k3×G] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

一般而言，[k1]值在1.2～2.0，[k2]值可根據(jù)工件搬運(yùn)時(shí)重力方向的最大上升加速度、重力加速度等進(jìn)行評(píng)估，[k3]值則根據(jù)手爪形狀以及夾持工件進(jìn)行估算。假設(shè)工件質(zhì)量為70 kg，[k1]值取1.2，[k2]值取1.08，[k3]值取4，重力加速度為9.8 m/s2，帶入公式（1）則[FN]=1.2×1.08×4×70×9.8=3 556 N。

3.3 機(jī)械手臂臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在機(jī)械手臂臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，腕部設(shè)計(jì)最為重要。腕部位于機(jī)械手臂與手部連接處，其性能的好壞直接決定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能。因此，在進(jìn)行腕部設(shè)計(jì)時(shí)，需要嚴(yán)格遵循以下幾點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)緊湊，即位于腕部的驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行裝置應(yīng)密切關(guān)聯(lián);②結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，即腕部結(jié)構(gòu)空間有限，且涉及的裝置較多，故需要充分考慮各裝置質(zhì)量，以輕、小為主;③密封性強(qiáng)，即在保證腕部結(jié)構(gòu)靈活的同時(shí)，做好密封工作，增強(qiáng)機(jī)器人運(yùn)行安全水平;⑤環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，即機(jī)械手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)應(yīng)適應(yīng)柔性生產(chǎn)組裝單元工作環(huán)境[3]。

4 柔性生產(chǎn)線組裝單元機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制

4.1 運(yùn)動(dòng)控制方式設(shè)計(jì)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方式眾多，需要根據(jù)具體要求進(jìn)行選擇。在柔性生產(chǎn)線組裝單元，機(jī)器人對搬運(yùn)、夾取要求較高，可通過點(diǎn)位或連續(xù)軌跡等方式控制。而控制設(shè)計(jì)中，PLC為核心所在，做好其選型工作至關(guān)重要。隨著近年來對PLC研究的不斷深入，其已經(jīng)從數(shù)字邏輯控制發(fā)展為集過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)控制等功能于一體的裝置，性能得到大幅度提升。目前，PLC種類較多，如何合理選擇PLC成為柔性生產(chǎn)線機(jī)器人組裝單元設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題之一。對比分析三菱PLC、匯川PLC、通用PLC、西門子PLC等，發(fā)現(xiàn)三菱PLC在柔性生產(chǎn)線機(jī)器人組裝單元控制系統(tǒng)中具有較為理想的應(yīng)用效果，不僅能滿足系統(tǒng)對PLC功能、性能的需求，而且能降低制造成本，獲取更好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本研究選用三菱PLC為控制系統(tǒng)核心單元。在進(jìn)行機(jī)器人組裝單元電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)PLC控制要求，確定輸入信號(hào)三種，包括啟動(dòng)信號(hào)、停止信號(hào)以及復(fù)位信號(hào);輸出信號(hào)四種，分別為控制信號(hào)、報(bào)警信號(hào)、脈沖輸出信號(hào)以及開關(guān)量輸出信號(hào);檢測信號(hào)若干。

4.2 運(yùn)動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制是本次設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)問題，運(yùn)動(dòng)控制的有效性直接關(guān)系機(jī)器人組裝單元運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。根據(jù)機(jī)器人工作過程可知，在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，機(jī)器人的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)軌跡為“原位（0）—抓取盒子（1）—組裝（2）—抓取工件（3）—組裝（2）—抓取蓋子（4）—組裝（2）—成品放置（5）—原位（0）”[4]。根據(jù)機(jī)器人抓放需求，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，選用混合式六線高性能步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（如BS57HB56-03）與等角度恒力矩細(xì)分型高性能步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器（如Q2HB68MC）。BS57HB56-03步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，額定功率為150 W，額定電壓在12～40 V，保持力矩達(dá)到0.9 N·m，可有效滿足機(jī)器人在X軸上的運(yùn)動(dòng)。三洋企業(yè)生產(chǎn)的Q2HB68MC步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器在六線或八線二相混合式步進(jìn)電機(jī)中具有較強(qiáng)實(shí)用性，能滿足步進(jìn)電機(jī)各種場合控制需求，其驅(qū)動(dòng)電流在0.5～6 A。BS57HB56-03步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與Q2HB68MC步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器以及PLC控制信號(hào)的連接方式如圖1所示。

5 結(jié)語

機(jī)器人組裝單元是柔性生產(chǎn)線的重要組成部分，對系統(tǒng)控制具有較高要求。本文根據(jù)機(jī)器人組裝單元設(shè)計(jì)需求，結(jié)合柔性生產(chǎn)線運(yùn)行特征，設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的機(jī)器人組裝單元控制系統(tǒng)，有效滿足工件裝配各模塊運(yùn)行與控制要求，確保了機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)、到位。

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