一種用于擋風玻璃翻轉碼垛的機器人

王生旭

（廣汽乘用車有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830068）

0 引言

在乘用車整車廠總裝生產線，前后擋風玻璃在涂膠和裝配工序前需要將擋風玻璃由零部件物流區配送至目標工位區，配送設備使用AGV來完成，AGV頂部安裝固定支撐工裝，擋風玻璃逐片碼垛在支撐工裝上，AGV按照規劃路徑由物流區配送至擋風玻璃涂膠、裝配的目標工位，經目標工位機械手一次性由下至上頂起整垛擋風玻璃，脫離AGV支撐工裝后，AGV按規劃路徑返回物流區，完成一次擋風玻璃配送作業。但在物流區將擋風玻璃碼垛至AGV支撐工裝上的作業仍由人工完成，尤其是前擋風玻璃，其重量可達15kg，勞動強度較大，需要兩名作業人員協同完成。目前許多繁重、重復單調的作業已由工業機器人來完成，提高了生產自動化水平，降低了勞動強度[1]。鑒于此，本文設計了一套能夠完成前后擋風玻璃自動翻轉、搬運和碼垛作業的機器人，為解決上述問題提供了一套可行方案。

1 機器人選型及構成

1.1 動作分解及機器人選型

前后擋風玻璃為外購件，為提高擋風玻璃在運輸途中的安全性，避免破損，供應商在發貨時擋風玻璃采取縱向并排逐片的碼垛方式，一個包裝箱內可以碼垛幾十片擋風玻璃，而在乘用車總裝廠物流區，因目標工位上件效率需求，需要作業人員將包裝箱內縱向碼垛的擋風玻璃逐片取出并將其翻轉為水平狀態后，再逐片碼垛在AGV頂部的支撐工裝上。分析整個作業動作過程，擋風玻璃需經X軸、Z軸方向的移動和Y軸方向的旋轉動作來實現搬運、翻轉和碼垛動作。

直角坐標機器人是典型的工業機器人中的一種，它以單個直線運動軸為基礎，各個運動軸通常對應直角坐標系中的X軸、Y軸和Z軸，X軸和Y軸是水平面內運動軸，Z軸是上下運動軸，在實際應用中還可以在Z軸上加上一個或多個旋轉軸和擺動軸，構成更多自由度的機器人[2]。從上述擋風玻璃搬運翻轉碼垛動作過程分析來看，直角坐標機器人完全可以滿足作業需求，即保留X、Z軸平面運動軸用于擋風玻璃的搬運和碼垛，再在Z軸下方添加一個沿Y軸的擺動軸用于擋風玻璃的翻轉。

1.2 機器人主要構成

本方案機器人中的X軸和Z軸都采用直線運動單元，主要有滾珠絲杠、同步帶和齒輪齒條三種類型[3]，其特點是傳動平穩，運動精度高。滾珠絲桿型直線運動單元傳動效率高、剛度好，通常應用在高精度、高負載特性場合[3]，本方案的Z軸選用滾珠絲杠型直線運動單元。同步帶本身變形很小，比較適合于行程較大及高加速度場合[3]，同步帶型直線運動單元的同步帶可以延長，玻璃需逐片從包裝箱搬運至AGV上方，此外玻璃翻轉也需要一定空間，為避免與包裝箱、AGV等物件干涉，需要較長行程，故本方案的X軸選用同步帶型直線運動單元。

用于驅動X軸和Z軸直線運動單元的是交流伺服電機。為避免成為懸臂梁結構、提高機器人運行平穩性，選用一組與X軸平行且等長度的無動力直線運動單元（本質上是一種滑軌）。末端執行器采用吸盤結構，利用真空發生器供給閥打開時建立的負壓來抓取擋風玻璃。Y軸的擺動軸通過氣缸來實現，利用氣缸伸縮帶動吸盤支架繞固定軸旋轉，實現擋風玻璃的翻轉動作。機器人主體結構如圖1。

圖1 擋風玻璃翻轉碼垛機器人主體結構

2 機器人控制原理

本方案涉及各種到位開關輸入信號、AGV到位聯鎖輸入信號、AGV配送聯鎖輸出信號、控制真空發生器及電磁閥輸出等I/O信號，需要由控制器對這些信號進行處理。PLC因其系統穩定性和維護便捷等特點和優勢在工業機器人控制中得到廣泛應用[4]，因此本方案選用PLC作為機器人的控制器。

觸摸屏有著直觀、易操作的特點，為自動化生產線監控系統的人機交互提供了可靠保證[5]，本方案使用觸摸屏作為上位機，在觸摸屏上可以實現系統參數的輸入、系統運行監控及生產情況統計等功能，若系統工作過程中出現意外情況則停止運行，觸摸屏會顯示相應的報警信息。觸摸屏與PLC間使用網線連接，實現二者間快速通信。

驅動X軸、Z軸運動的交流伺服電機分別由兩臺伺服控制器來控制，兩臺伺服控制器均為具備基于總線控制的伺服控制器，基于總線控制的伺服系統可以減少PLC的I/O物理接線點，節約成本（特別是在PLC的I/O接線點不夠的情況下），且具備高速傳輸的特點，在適用范圍、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面有著明顯的優越性[6]。PLC與X軸、Z軸伺服控制器通過總線連接實現通信，這樣PLC就可以通過總線在伺服控制器中獲取運動過程中X軸和Z軸的編碼器脈沖數值，便于編程。本方案機器人的總體控制原理如圖2。

圖2 機器人總體控制原理

3 機器人控制流程及動作

機器人處于初始位置，AGV行走到位后觸發聯鎖信號（如通過中間繼電器）至機器人的PLC，PLC通過總線發出運動指令給X軸伺服控制器，X軸右移，過程中PLC通過總線讀取并計算伺服控制器中X軸相對于初始位的脈沖差值，當脈沖差值達到第一片擋風玻璃位置區間值時X軸停止右移，Z軸下移并達到抓取位置的脈沖區間值時停止，PLC發出指令控制電磁閥使氣缸伸出并檢測伸出到位后，真空發生器供給閥打開建立負壓使吸盤吸氣并抓取包裝箱內縱向碼垛的第一片擋風玻璃，當真空發生器內負壓達到設定值后，Z軸上移使擋風玻璃脫離下方支撐，待擋風玻璃完全脫離支撐后氣缸縮回，完成擋風玻璃的翻轉。Z軸上移到位后停止，X軸繼續左移至AGV上方，X軸檢測到位后Z軸下移，過程中PLC通過總線讀取并計算伺服控制器中Z軸相對于Z向初始位的脈沖差值，當脈沖差值達到第一片擋風玻璃位置區間值時，Z軸停止下移，真空發生器破壞閥打開使吸盤排氣并釋放擋風玻璃，完成第一片擋風玻璃在AGV上的碼垛。Z軸上移，機器人回到初始位，繼續下一片擋風玻璃的搬運、翻轉和碼垛作業。對于第N片擋風玻璃，機器人的控制流程如圖3。為便于理解，通過圖4展示第一片擋風玻璃的搬運、翻轉和碼垛作業。

X軸右移相對于初始位置的脈沖差值可以表示包裝箱內縱向碼垛擋風玻璃的位置，從左到右的擋風玻璃位置可以通過計算和標定來實現，并給出一定區間范圍。當X軸右移相對于初始位置的脈沖差值達到第N片的區間范圍時，表示X軸右移到第N片擋風玻璃的位置。同樣Z軸下移相對于初始位置的脈沖差值可以表示AGV上碼垛擋風玻璃的位置，從下到上的擋風玻璃位置可以通過計算和標定來實現，并給出一定區間范圍，當Z軸下移相對于初始位置的脈沖差值達到第N片的區間范圍時，表示Z軸下移到位第N片擋風玻璃的位置。

機器人每完成一片擋風玻璃在AGV上的碼垛作業，程序計數器加1，當累加數值達到設定值時（比如8）表示機器人已完成在AGV上的8層擋風玻璃的碼垛作業，此時機器人暫停工作，PLC向AGV發出聯鎖輸出信號，AGV啟動配送作業，當AGV啟動離開失去到位聯鎖信號后，PLC將此計數器歸零。

機器人每完成一片擋風玻璃在包裝箱里的抓取翻轉作業，程序另一計數器加1，當累加數值達到設定值時（比如20）表示機器人已完成包裝箱內20片擋風玻璃的抓取翻轉作業，此時包裝箱內已無擋風玻璃，PLC輸出聲光、提示工作人員更換新的裝滿擋風玻璃的包裝箱，當工作人員將空包裝箱搬運出工位時，檢測開關輸入空位信號，PLC將此計數器歸零。以上兩個計數器數值可以在觸摸屏上實時顯示，供作業人員查詢。

4 結語

本文通過分析乘用車整車廠總裝生產線中擋風玻璃從零部件物流區配送至目標工位區所經過的工作步驟，發現擋風玻璃從包裝箱內翻轉搬運至AGV上仍需要人工完成、勞動強度較大，從而提出一種基于直角坐標機器人的方案，介紹了該機器人的主體構造、控制原理、控制流程、動作步驟和程序算法，以最少的軸數實現擋風玻璃的搬運、翻轉和碼垛作業，從而提供了一種低成本、可行的自動化解決方案。