KUKA機器人在氣缸柔性生產單元的應用設計*

崔業軍

(無錫科技職業學院智能制造學院，江蘇 無錫 214028)

0 引 言

制造業是實體經濟的基礎，實體經濟是中國發展的本錢，是構筑未來發展戰略優勢的重要支撐。以汽車制造業為例，焊裝生產線、夾具、機器人、輸送設備、組裝線、涂裝線、發動機與輪胎生產裝備上，氣動技術無所不在，大顯身手[1]。氣缸作為一款智能制造的執行元件，其操作的精度直接影響產品的質量和其應用的廣度。

快速響應市場，對于氣缸生產環節來說，必須推陳出新。個性化、多工藝的氣缸生產線是當前亟需解決的一個課題，智能化改造已是迫在眉睫。充分分析了氣缸各零部件的生產工藝，運用現代柔性生產技術，提出一種適應氣缸成套零部件生產的柔性生產線，運用機器人實現物料的進出[2]，滿足客戶定制化的需求，給氣缸行業產能、技術等方面賦能，帶來氣動行業的技術革新，推動氣動行業高質量發展。

1 氣缸生產單元的布置與工藝流程

1.1 氣缸生產單元的布置

以某企業生產的某一類型氣缸為例，氣缸組成中需要機加工的零部件的按工藝分主要有[3]：以車削為主的鋼筒、端蓋、活塞及活塞桿等；以銑削為主的連接件、支撐件以及輔助件等。在這些氣缸零部件加工中，有時兼顧多種機床工藝，諸如活塞桿的扁式銑削、端蓋的鉆削、中間支撐件的車削等。需要根據零件工藝流程，靈活掌握加工方法。因此，柔性生產技術作為智能制造技術的基礎應用，非常適合氣缸零部件的生產加工。

經過對氣缸零部件工藝流程規劃設計，組建了如圖1所示的某系列氣缸柔性生產單元。從該柔性制造單元的組成來看，主要分為無人作業區和操作人員作業區[4]兩大部分組成。

圖1 某系列氣缸柔性生產線布局圖

(1) 無人作業區

MES控制系統[5](包括計算機、PLC控制系統、輔助設計計算機)；1臺KUKA機器人；1臺KDVM600L加工中心、1臺VHC850A加工中心、1臺Brother鉆削加工中心；1臺Viva T2B/350數控車床、1臺CA6146型數控車床、1臺CLASSIC型三坐標測量儀、1臺零部件清洗機以及鑄件毛坯立體倉庫及活塞旋轉倉庫等組成。

(2) 操作人員作業區

該區域包括工件裝卸站、活塞毛坯庫以及刀具預調站等，操作人員工作時間段可以在該區域工作。

1.2 柔性生產工藝流程

首先，系統上電啟動(生產設備已按零件工藝要求準備就緒)，接下來在MES系統中編制零部件工藝生產任務，啟動MES系統。KUKA工業機器人接到MES系統搬運任務，首先通過RFID進行工件毛坯位置信息掃描，確認毛坯所在倉儲位置。同時根據機床工藝信息，將零件根據上位機主控系統的指令(根據工件的工藝等信息)，選擇對應的末端執行器搬運零件毛坯，并放置在對應的設備單元內進行任務實施,等加工任務完成后,由搬運機器人將工件搬運回對應倉儲。這樣一個過程為機器人完成零件某一工序的上、下料過程。MES系統可以協調機器人進行多任務的切換，滿足最高效率的生產需求。

2 機器人產線應用技術分析

2.1 機器人性能分析

氣缸柔性生產線采用了KR120R2900extra型KUKA機器人。該機器人可實現空間六自由度運動以及第7軸軌道行走功能，載重120 kg，重復定位精度為±0.06mm，空間工作范圍可達2900mm，可與PLC及MES實現以太網通訊。其控制系統采用的KRL編程語言，是一種類似C語言的文本型語言，由.SRC和.DAT 格式組成。其中.SRC儲存程序邏輯、指令、動作之類；.DAT儲存位置變量以及軌跡點位的參數[6]。

2.2 機器人末端執行器選擇

KUKA機器人在執行系統任務運行時，針對不同工藝要求的零部件，采用的末端執行器也不一樣。如圖2所示，氣缸典型零部件結構特征。

其中，圖2(a)所示為活塞類零部件，其主要結構特征為回轉體。當用機器人進行機床上、下料時，需要類似V型口的夾爪類末端執行器[7]；圖2(b)所示為支撐類零部件，其毛坯主要采用鑄件形式，結構簡單，易用固定支架形式裝夾毛坯，機器人搬運時，采用支架小夾爪形式末端執行器；圖2(c)所示為異形類零部件，需要設計專用托盤夾具裝夾。在實際使用時，考慮到托盤的重量和零部件的重量，利用零點定位夾具[8]實現托盤與機器人法蘭端直接連接，達到此類零部件的機床上、下料的需要。

圖2 氣缸典型零部件結構特征

2.3 配置機器人末端執行器選擇I/O

依據柔性生產單元的零部件結構特征，確定了KUKA機器人執行任務時，需要三種不同執行器。即零點定位快換夾具、回轉體類大夾爪以及支撐類鑄件小夾爪。為了KUKA機器人靈活切換末端執行器，需在KUKA機器人上配置相應的I/O。

I/O的信號配置如表1，在KUKA機器人輸入信號端，主要判別機器人當前末端執行器類別；輸出端主要用來進行執行器的安裝與拆卸。

表1 I/O信號參數及其含義

3 機器人編程設計

3.1 程序設計流程圖

依據氣缸柔性制造系統工藝流程，建立了機器人進行零件工序任務調度的程序設計流程，如圖3所示。

3.2 變量確定

由圖3所示的機器人程序設計流程圖，設立了程序中使用的變量，如表2所列。

表2 變量參數及其含義

續表2 變量參數及其含義

圖3 機器人程序設計流程圖

3.3 產線工序任務調度程序設計

通過應用KUKA機器人的KRL語言，設計了氣缸柔性生產線零件加工任務調度的機器人程序，實現了氣缸柔性生產線智能化搬運與裝卸的工藝要求[9]。其程序如下：

INI;初始行,程序正確運行所需的標準參數的調用;

PTP home Vel= 100 % PDAT4;機器人回原點

R20=R5;MES系統將R5參數賦值給R20，進行任務是否開始判斷

R10=0;清空機器人末端執行器

IF $IN[14] AND $IN[15]==TRUE THEN;

如果機器人感應傳感器采集到末端執行器小夾爪(電極夾具)和大夾爪(圓柱體毛坯)

GOTO LBL500;跳至程序結束，停止運行(有故障)

ENDIF;

IF $IN[14]==TRUE THEN;MES系統發給機器人執行電極夾具末端執行器

R10=1;機器人已加載末端執行器(小)

ENDIF;循環結束

IF $IN[15]==TRUE THEN;MES系統發給機器人電極夾具末端執行器信號

R10=2;機器人已加載末端執行器(大)

ENDIF;循環結束

r1=0;初始化定義任務

r2=0;初始化定義執行對象(料)號

r3=0;初始化定義料架好

r4=0;初始化定義設備號

OUT 4‘qi kai guan’ State=FALSE;清洗機關門

OUT 6‘IR_ExBewegAktiv_A006’ State=FALSE;清洗機開關

OUT 18││State=FALSE;機器人末端執行器氣閥打開

OUT 19││State=FALSE;設備夾具座松開

OUT 20 ││State=FALSE;關閉自動狀態

OUT 25 ││State=FALSE;車床尾座退回

OUT 26││State=FALSE;

LOOP;

R15=0;機器人處于任務待機中

Wait For (R20<>R5);R5參數與初始賦值比較，等待中

R20=R5;重新將MES刷新后將R5參數賦值給R20

(1)模擬招聘比賽。該比賽主要依托我校的跨專業綜合實驗區，如圖1所示。該實驗區由對抗區、公共服務區、外貿區、采購區、自主學習區、路演區等部分組成，能夠很好的滿足模擬招聘比賽的需要。比賽經歷簡歷初選、模擬面試、企業嘉賓面試共三個環節。具體的，參賽人員準備個人簡歷上交，根據簡歷篩選出50名參賽人員；參賽人員抽簽隨機分為5組；分組完成后，每一組內進行抽簽，決定面試官與應聘者角色(兩個面試官，八個面試人員)；進行模擬招聘時，評委進行觀摩并分別為面試雙方打分；最后，由企業嘉賓擔任面試官，進行面試活動，學生觀摩。

R11=R1;采集MES信息，賦值機器人執行任務

R12=R2;采集MES信息，賦值機器人當前執行對象

(料)號

R13=R3;采集MES信息，賦值機器人料架位置

R14=R4;采集MES信息，賦值機器人去往設備

R30=0;準備開始任務安全位置清零

R31=0;完成指令清零

R111=0;

SWITCH R11;根據R11賦值，跳到與CASE指令中的值相同的程序分支執行

CASE 1;1-掃描任務

SM( );呼叫掃描程序

GOTO LBL100;

CASE 33-倉庫取料

CANGKU_TAKE( );呼叫倉庫取件程序

GOTO LBL100

CASE 5設備放料

SWAPC( );子程序：設備放料加工

GOTO LBL100

CASE 6倉庫回料

CANGKU_PUT( );子程序：加工完成返回倉庫

GOTO LBL100

CASE 7車床掉頭加工換料

TURN_SWAPC( );子程序：掉頭換料

GOTO LBL100

CASE 99無任務

home( );子程序：機器人回原點

GOTO LBL500跳至程序結束

END SWITCH分支編程循環結束

LBL100:

R30=1;機器人任務動作完成

R31=1;可接受指令

END LOOP主程序循環結束

LBL500:程序結束

4 生產驗證

在某企業氣缸柔性生產單元上，運行KR120R2900extra型KUKA機器人工序任務調度程序，且對企業近半年的氣缸“訂單式”生產進行調研跟蹤，得出了以下的生產初步結論。

(1) 相比傳統的單品種批量化生產，現有的智能化生產，實現加工高柔性、高自動化?？煽焖俑鼡Q產品品種，減少因市場銷售產生的積壓庫存，實現訂單式的快速生產，迎合市場個性化客戶的需求。

(2) 從半年的生產數據統計結果顯示，采用了該KR120R2900extra型KUKA機器人工序任務調度，助力氣缸柔性生產。一方面，生產成本有效降低了近37%，這主要體現在人工成本、輔助生產效率等方面；另一方面，靈活快速應對多品種、變批量混流加工，滿足企業應對個性批量化要求， 大大提高了企業快速應對客戶的效率，穩定了產品的應用市場。

(3) 在柔性生產線的試運行初期，對技術人員的崗位能力要求較高。技術人員不僅要在應用機器人編程與操作方面的技術能力好，還要求相關技術人員掌握相關工藝設備的工藝流程。

5 結 語

通過使用KR120R2900extra型KUKA機器人，運用KRL編程語言進行產線任務的程序設計與應用，有效實施了氣缸柔性生產線毛坯工位掃描、倉庫取料、設備放料、車床掉頭換料、倉庫回料等工作任務。實踐驗證表明：該程序結構簡單，運行效果良好，加工效率提升，產品質量穩定。隨著氣缸產業化進一步推進，運用機器人實現新技術、新工藝、新模式的產業制造觀念轉變，促進氣缸行業的智能生產。未來將在更多加工領域實現少人化、柔性化、智能化加工[10]，將更快、更好地促進整個加工制造業轉型升級，為保證國家產業經濟安全發展、實施制造強國、智能制造新模式推進做出更大的貢獻。