焊接線外置機器人抓手切換自動化方案

徐文康

（廣汽乘用車有限公司 技術中心，廣東 廣州 511434）

隨著焊裝生產線共線生產車型增多，機器人抓手存放庫位達到飽和，部分抓手只能放置線外，需解決外置抓手的自動化切換問題。解決自動化切換，關鍵在于解決抓手存放車的自動定位與電氣對接問題，并通過電信號反饋，實現智能控制。

1 整體構想

本案例采用抓手存放車實現抓手的線外存放，如圖1所示，抓手存放車上有定位夾緊裝置， 能夠實現抓手的精確定位和恒久夾緊。抓手存放車定位裝置具有定位夾緊裝置，能夠實現抓手存放車的精確定位，抓手存放車定好位之后，其上的抓手也獲得精確的位置，供機器人按照預定的軌跡進行抓手的拾取或存放。抓手存放車與定位裝置精確對接后，通過氣路接通裝置能夠實現抓手存放車氣路通氣，通過無線耦合能夠實現抓手存放車的檢測信號傳輸至線體可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC），從而實現PLC對抓手存放車的氣路控制，根據程序設定控制氣動機構的關閉與打開。抓手存放車與抓手存放車定位裝置布置了傳感器，通過感應器反饋的信號變化實現智能化控制。

圖1 整體構想圖

2 定位方式設計

2.1 抓手存放車對抓手的定位方式

抓手結構如圖2所示，其采用定位面1、定位面2、定位銷1、定位銷2分別與抓手存放車支撐面2、支撐面1、定位孔2、定位孔1進行對接定位，如圖3所示，使得抓手在上、下、前、后、左、右6個方向獲得精確定位。抓手存放車在支撐面1與定位孔2相應位置分別自帶氣缸壓緊機構，抓手放置到位，氣缸壓緊機構緊接著壓緊抓手2個對角，氣缸帶斷氣自鎖裝置，即使在斷氣 條件下，仍然具備強大的壓緊力，從而使抓手可 靠固定在抓手存放車上，移動時不易發生晃動。

圖2 抓手結構圖

圖3 抓手存放車（俯視圖）

2.2 定位裝置對抓手存放車的定位形式

圖4 抓手存放車（仰視圖）

抓手存放車推入上料口過程中通過左右兩排導輪（導輪1—導輪8）契合地面兩條導軌（導軌1、導軌2）進行定向運動，如圖4、圖5所示，運動到一定程度，前限位塊接觸到前限位滾輪，無法繼續向前，表明抓手存放車推入到位，此時 導向銷1，導向銷2也同時分別進入定位滾柱3和定位滾柱4，使抓手存放車的左右方向獲得粗略的定位。接下來，后限位滾輪受氣缸4的帶動打向后限位塊，使抓手存放車的前后方向獲得粗略的定位。最后，4個頂升氣缸（頂升氣缸1—4）同時將抓手存放車頂起，頂升氣缸的行程固定，抓手存放車頂升到一定高度后，4個限位塊（限位塊1—4）將抓手存放車限制在一個精確的高度，同時頂升氣缸3和頂升氣缸4上的定位銷分別進入定位滾柱2和定位滾柱1，從而使抓手存放車的上、下、前、后、左、右都獲得一個精確的定位。

圖5 抓手存放車定位裝置（俯視圖）

3 氣動裝置設計

3.1 抓手存放車設計

如圖3所示，氣缸1、氣缸3主要控制兩個夾緊單元的夾緊與打開，氣缸2主要控制抓手防塵蓋打開與關閉。當機器人將抓手放置到抓手存放車后，氣缸1、氣缸3控制夾緊單元夾緊抓手，機器人脫開抓手并離開后，氣缸2控制抓手防塵蓋關閉；當機器人要從抓手存放車拾取抓手時，則氣缸2提前控制抓手防塵蓋打開，機器人過來與抓手進行對接，對接完成后，氣缸1、氣缸3控制夾緊單元打開釋放抓手，機器人開始拾取抓手脫離抓手存放車。

3.2 抓手存放車定位裝置設計

如圖3所示，頂升氣缸1—4控制抓手存放車的上升與下降，兼具定位功能。氣缸4控制后限位滾輪擺臂動作，主要防止抓手存放車后退，旁邊的行程開關主要用于確認抓手存放車是否到位。氣缸5主要用于控制氣路接通裝置輸送端與接收端進行對接。

當抓手需切入線體，抓手存放車推入上料口與抓手存放車定位裝置進行對接，行程開關在抓手存放車推入的過程中被撥開，氣缸4解鎖，氣缸4控制后限位滾輪壓住抓手存放車后限位塊，防止抓手存放車后退。接著頂升氣缸1—4同時頂升，將抓手存放車頂起，并使其獲得精確定位。最后氣缸5控制氣路接通裝置輸送端與接收端進行對接，實現抓手存放車氣路與氣源接通。

當抓手需脫離線體，氣缸5控制氣路接通裝置輸送端與接收端脫離，抓手存放車斷開氣源，接著頂升氣缸1—4同時帶動抓手存放車下降，抓手存放車落地，頂升氣缸繼續下降與抓手存放車完全脫開，然后氣缸4控制后限位滾輪打開，最后將抓手存放車從上料口拉出來，行程開關在抓手存放車拉出的過程中復位，重新對氣缸4進行鎖定。

3.3 氣路接通裝置設計

氣路接通裝置（如圖6所示）由接收端、輸送端組成，接收端固定在抓手存放車上，輸送端與氣缸5相連，通過氣缸帶動實現跟接收端對接與脫開。雙導桿機構滿足輸送端運動過程中不發生偏向。輸送端的定位銷與接收端的定位孔，實現輸送端的氣孔與接收端的氣孔精準對接。傳感器5主要用于檢測氣路接通裝置輸送端與接收端的對接信號，當輸送端與接收端對接即產生檢測信號，輸送端氣路解鎖，實現通氣。

圖6 氣路接通裝置

4 信號檢測與傳輸裝置

4.1 抓手存放車設計

如圖3所示，傳感器1、2采用對角布置，雙重檢測，主要用于檢測抓手信號。氣缸1、2、3具備狀態檢測功能，用來獲知所在機構處于打開狀態還是關閉（夾緊）狀態。無線耦合（傳感器測）主要用于將抓手存放車檢測信號傳輸給主線，并接收從主線傳輸過來的指令，分別控制氣缸1、2、3等的動作。

4.2 抓手存放車定位裝置

如圖3所示，傳感器3、4、6、7主要用于檢測抓手存放車頂升到位信號。傳感器5主要用于檢測氣路接通裝置的輸送端與接收端對接信號，當輸送端與接收端對接即產生檢測信號，輸送端氣路解鎖，實現通氣。頂升氣缸1、2、3、4具備狀態檢測功能，用來獲知氣缸處于頂升狀態還是下降狀態。行程開關具備狀態檢測功能，用來獲知行程開關處于被撥開的狀態還是復原狀態。無線耦合（PLC側）主要用于將抓手存放車檢測信號傳輸給主線，并接收從主線傳輸過來的指令，分別控制氣缸1、2、3等的動作。

4.3 無線耦合器設計

如圖7所示，無線耦合一端連接傳感器，另一端連接PLC。兩端靠近后能夠在不接觸的情況下，實現信號相互傳輸。

圖7 無線耦合

5 自動化控制方案

5.1 抓手切入線體自動化方案

將抓手存放車推入上料口，按啟動按鈕，當檢測抓手存放車已經到位，則后限位機構壓緊抓手存放車，防止其后退，同時后限位機構的氣缸反饋一個到位信號。4個頂升氣缸將抓手存放車頂起，同時反饋到位信號，確保抓手存放車頂升到位。氣路接通裝置輸送端與接收端對接，同時反饋對接到位信號。氣路接通裝置輸送端氣路解鎖，實現向抓手存放車氣路通氣。防塵罩氣缸接收指令打開防塵罩，同時反饋打開到位信號。機器人從Home位運動到抓手上方，機器人末端工具快換裝置（Automatic Tool Changer, ATC）機器人端與抓手端開始對接，并反饋對接OK的信號。抓手存放車夾緊機構打開釋放抓手，并反饋完全打開信號。機器人拾取抓手回到Home位，并提供到位信號。氣路接通裝置輸送端鎖定氣路，并反饋信號。氣路接通裝置輸送端退回，并反饋信號。頂升氣缸下降抓手存放車落回地面，并反饋信號。后限位機構打開，將抓手存放車拉出上料口。

5.2 抓手從線體回收自動化方案

將抓手存放車推入上料口，按啟動按鈕，當檢測抓手存放車已經到位，則后限位機構壓緊抓手存放車，防止其后退，同時后限位機構的氣缸反饋一個到位信號。4個頂升氣缸將抓手存放車頂起，同時反饋到位信號，確保抓手存放車頂升到位。氣路接通裝置輸送端與接收端對接，同時反饋對接到位信號。氣路接通裝置輸送端氣路解鎖，實現向抓手存放車氣路通氣。機器人從Home位將抓手放到抓手存放車，抓手存放車檢測抓手是否放置到位，并反饋信號。抓手存放車夾緊機構夾緊抓手，并反饋夾緊到位信號。機器人與抓手脫開并回到Home位，并反饋到位信號。抓手防塵蓋關閉，并反饋氣缸到位信號。氣路接通裝置輸送端鎖定氣路，并反饋信號。氣路接通裝置輸送端退回，并反饋信號。頂升氣缸下降抓手存放車落回地面，并反饋信號。后限位機構打開，將抓手存放車拉出上料口。

6 結論

本方案解決了線外機器人抓手自動化切換的問題，適應了焊裝多車型共線生產的需求，主要帶來以下效益。

（1）操作簡單，作業舒適性好。整個切換過程采用PLC自動控制及氣路驅動，無需人工接通氣路、打開抓手防塵罩，或打開夾緊機構，只需將抓手存放車推入上料口，拍按鈕即可，杜絕了高強度作業。

（2）安全系數高。全程采用PLC自動控制，每一步動作均有信號反饋，形成閉環控制，消除人為誤判或誤操作可能性。

（3）穩定性高，故障率低。抓手存放車采用了精確而有效的定位形式，保證抓手有良好的重復性定位，機器人能夠通過固定的運行軌跡來拾取抓手或者放置抓手。

（4）抓手切入線體的耗時短，設備開動率提升。整個切換過程采用自動連貫切換，PLC控制能夠對信號進行快速處理并發出指令，氣動元器件能夠快速響應PLC指令并動作，從而大大縮短切換時間。