機器人柔性上下料系統設計與應用*

劉文鋒，曾建勝，沈大財

（廣東省機械研究所有限公司，廣州 510700）

0 引言

隨著自動化生產線的深化普及，機器人代替人的趨勢勢不可擋。工業機器人技術具有自動化、高精度、高負載等多種特點，在機械工程中的應用越來越廣泛[1]，特別是在生產線上下料中更為突出。在生產線中，上下料工作是一項比較簡單枯燥的工作，如果需要搬運的物料較重、品種較多，對于操作工人就顯得非常繁重，并且容易出錯，影響產品質量，降低生產效率。因此，機器人柔性上下料系統不僅僅是純粹的代替人工作業，而且需要滿足產線的節拍、精度、質量、穩定性、安全性等一系列生產要求。

制造型企業的發展離不開自動化設備的升級改造，機器人技術是典型的集電子、信息、自動化、機械于一身的技術[2]，而這項技術的應用不但能夠滿足企業轉型升級，而且能給企業帶來間接的收益，如降低成本、提高效益、保障產品質量、提升企業形象等。通過了解機器人的特性，結合產線的生產環境及其他相關環節，本文對柔性機器人上下料應用與設計進行分析研究。以往很多上下料的搬運中，針對不同產品外形特征，可采用真空吸持、夾持、叉式等多種形式的智能末端執行[3]，而本文從快速切換、精確定位、輕量化等方面的分析研究，設計機器人的柔性末端執行器或抓手應用在產線上，因此實現產線的多樣性生產、混線生產，提高自動產線的柔性和兼容性。

1 設計原理

機器人柔性上下料系統配備有2套機器人，分別為抓手A和抓手B，同時也相應配置2套快換機構，分別為A快換和B快換。抓手A安裝在機器人末端，抓手B放在快換機構B位置中，機器人可自動柔性切換2種抓手，并且夾爪都具有獨立的柔性浮動調整功能；抓手中帶傳感器[4]反饋信息給機器人，此時機器人開始進行搬運動作。機器人柔性上下料系統動作流程是：托盤載工件在流進上料工位，到位感應器反饋有托盤，頂升機構升起定位；工件感應器反饋托盤上有物料并與機器人信號交互，機器人抓取工件并搬運到掃碼工位進行二維碼讀取[5]，確認產品信息正確后把工件定位機構中。另外，整個系統需要有以下方面要求：

（1）抓手在夾取工件時，采用軟材料，防止夾傷產品；

（2）在搬運過程中有感應器，檢測是否有工件掉落；

（3）散熱器定位準確，抓取時如需要可浮動，吸收托盤定位和烤爐定位誤差；

（4）機器人上下料系統需要配備2 種抓手，可自動切換，預留可擴充；

（5）抓手快換裝置需要帶機械自鎖死功能，防止斷氣斷電時掉落。

2 機器人抓手及末端快換裝置設計

在機器人柔性上下料系統中，只有機器人抓手自身柔性化和多種工具抓手靈活切換柔性化，才能使自動化生產線實現柔性化，因此機器人抓手和快換裝置的功能設計在整個系統中十分重要。

2.1 機器人抓手A的設計

機器人上下料中，其手爪的設計尤為重要。機器人手爪具有抓持穩定性強、定位精度高、耐用性好、維護簡單的優點[6]。機器人的抓手A如圖1所示，是根據工件－A散熱器的外形特征進行專用設計，先用2 個定位銷做A 散熱器的位置定位，定位銷安裝在直線軸承上，末端帶限位擋塊防止掉落，另外在末端還固定有感應塊，而彈簧及其擋塊固定夾在定位銷中部；當機器人抓取A散熱器時，2個定位銷插入工件的定位孔中，然后夾爪氣缸動作夾緊工件；如果定位銷未插入定位孔中，彈簧收縮末端感應塊向上浮動擋住感應器，機器人重新調整位置再次插入，控制系統報警提示產品嚴重偏離。

圖1 抓手A

機器人抓手A 的主要部件和功能如下：快換裝置，固定側是安裝在機器人側，可換側是安裝在抓手側，用于實現抓手的自動更換、切換；X軸方向帶有導軌和彈簧，通過調整X軸調節桿，可使夾爪在X方向上柔性浮動；Y軸方向同樣帶有導軌和彈簧，通過調整Y軸調節桿，可使夾爪在Y方向上柔性浮動；調整好X和Y的浮動行程和調整彈簧力度[7]，抓手在抓取工件定位時，可以通過柔性浮動吸收工件在X、Y兩個方向上的誤差。工件感應器判斷抓手中是否有工件存在，實時監測抓取搬運過程，防止誤動作；氣爪是夾緊執行機構，前端有2個夾塊，采用耐磨軟材料防止夾傷，除此之外還有機械限位防止斷氣斷電突然掉落。

2.2 機器人抓手B的設計

每種機器人抓手都是專用定制的，機器人抓手B 同樣含有柔性浮動的全部功能，如工件2銷定位功能、定位銷末端感應浮動功能[8]、X 軸浮動功能、Y 軸浮動功能、工件感應器檢測功能、氣爪夾緊防夾傷功能等。根據B 散熱器的外形特征，增加了外部防掉落機械限位塊；由于B 散熱器的外形較大、質量較重，兩側是弧形狀且特征不平整，夾取位置只能布置在長度方向，所以夾爪的跨度比較長，對應抓取的穩定性相對沒那么好；為了增加抓取的穩定性，夾塊采用多塊拼裝的形式，兩側的夾塊分別由3小塊組成，而每一塊的外形都是根據B 散熱器的外形特征仿形設計的，在夾取時使夾塊更加牢固地與工件緊密貼合在一起，增加夾取時的摩擦力，并且選用耐磨軟材料，防止夾傷工件。抓手B設計如圖2所示。

圖2 抓手B

2.3 機器人末端快換裝置及相關設計

機器人工具快換裝置[9]包括一個機器人主盤側，用來安裝在機器人手臂上，還包括一個工具側，用來安裝在末端抓手上。工具快換裝置能夠讓氣體、電信號等從機器人手臂連通到末端抓手。當機器人附帶了快換裝置后，在生產時機器人就可以任意地切換，使用不同的抓手；而產線的產品需要更新換代或外形特征變化較大時，只要設計相應的抓手就可以實現柔性生產，使產線更具有擴展性和兼容性。機器人末端裝置構成簡單，如圖3所示。實現機器人的功能多元化，縮短作業準備時間，使產線多品種、小批量、柔性化生產；另外末端裝置具備鋼球鎖緊式機械式[10]故障保險機構，即使裝配氣壓供給停止，工具盤也不會分離，防止抓手掉落損壞。電氣信號模塊則可識別不同型號的抓手，使機器人根據需求柔性切換抓手。

圖3 快換裝置

3 電氣控制系統設計

整線控制系統主要由編程控制器西門子S7－1500 PLC、西門子TP700 PN 系列型人機觸摸屏、CM PtP 通訊模塊、輸入輸出模塊、以太網模塊、模擬量模塊、安全繼電器、安全光柵、接觸器、電磁鎖定機械釋放等組成。整線網絡使用內網＋外網模式，內網是每臺單機之間的通訊，外網是獨立的IP段與追溯系統交互數據，可以實時上傳數據到管理系統，實現對產品的過程質量管理。程序邏輯流程如下：根據爐子位置上的產品檢測傳感器進行邏輯編程并按流程運行，使得機器人根據不同的位置信息來判斷是否上料或者下料，避免邏輯沖突。先判斷下料位是否有產品，如果有產品，等待線體允許裝載；如果沒有產品，則允許線體下料，并等待線體下料。同時還考慮客戶生產完成后，烤爐里的產品純出料狀態。為此，特地增加了人工下料模式，在此模式下，機器人不會往烤爐里進料，而是單純地從烤爐里出料，用于和機器人在啟動、運行、報警、復位等各種狀態的程序運行，同時運行搬運動作順序邏輯程序。如圖4所示。

圖4 動作順序邏輯程序

4 結束語

在自動化生產線中，機器人的應用不僅提高了生產效率，降低了成本，而且使產品的質量更加有保障。本文所提到的機器人柔性上下料系統，首先通過對抓手X、Y、Z的3 個方向設計浮動調整裝置實現柔性定位，從而適應各個工裝的定位誤差，體現了柔性抓取；其次，通過機器人末端的快換裝置，根據生產計劃要求，在生產不同的產品時，機器人可以實時快速地自動切換抓手，實現多品種、柔性化生產；機器人柔性上下料系統在客戶的IBSG 控制器自動化生產線上得以使用，生產實踐證明了各項功能都符合使用要求并得到客戶的認可；另外，機器人柔性上下料系統在安全性、操作性、穩定性、高效性、擴展性等方面均滿足市場自動化需求趨勢，可在各行業自動化升級轉型做更深入的研究及推廣。