機器人自動上下料在汽車行李架加工中的應用

郭 超

（秦皇島威卡威汽車零部件有限公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

汽車行李架是安裝在汽車車頂上的支架，用于攜帶大件物品，如自行車、大件行李、帳篷等，增加了愛車的承載空間，成為越來越多的車主喜歡選裝的部件[1]。行李架的材質多為鋁合金材料，有著較高的強度和硬度，在機加工成型的工序中，需要工人不斷重復單一的上下料操作進行生產，勞動強度大，消耗大量的人力成本，生產效率低。汽車行李架圖如圖1所示。

圖1 汽車行李架圖

機器人技術是機械、電子、自動控制、人工智能等多學科領域知識交叉和融合的一門新興交叉學科[2]。近年來，工業機器人的技術水平持續提升，其憑借操作靈活、占地面積小、精度高和成本低等優勢，被廣泛應用在汽車制造、電子工業等領域[3]。汽車行李架機加工工序采用PLC+HMI 架構設計，進行程序邏輯控制，采集傳感器的輸入，控制伺服、氣缸等執行機構的輸出，通過工業機器人模擬工人的上下料動作，可實現行李架的自動抓取、搬運、下料碼垛操作，將員工從重復和單一的工作中解放出來，有效降低了員工的勞動強度，改善了員工的作業環境，可提高企業生產效率，為促進工廠的智能化和自動化發揮了重要作用[4]。

1 機器人自動上下料工藝流程

工藝流程圖如圖2 所示。1）將待加工的零件集中放在上料傳送帶的隔斷內，伺服系統通過以太網連接PLC，按照人機界面上預先設定的參數配方，以位置控制模式帶動傳送帶向機器人方向轉動。2）當傳送帶終端的紅外測距傳感器檢測到零件時，尼龍材質的符形塊托起零件，利用零件本身的重力作用，在垂直方向對零件進行位置校正，安裝彈簧緩沖機構的氣缸側推工作，在水平方向對零件進行二次定位校正，3D 激光傳感器對零件側面進行輪廓掃描，判斷零件是否上錯、放反，保證上料位置一致性，提高機器人自動上下料裝置的穩定性。3）PLC 通過射頻識別技術讀取機器人夾具上面的電子標簽，采集工裝產品信息，轉換成數字產品代碼后，通過網絡將代碼發送給機器人，用來自動調用機器人的運動軌跡任務，當傳感器檢測零件合格時，上料單元啟動機器人。4）機器人將待加工的零件放置在加工設備的上料位置，取走已加工完成的零件，同時啟動設備工作，按照碼垛程序的控制算法，將零件有序地放入下料小車對應位置。5）MES 系統對PLC 進行數據采集和信號連接，利用智能算法進行生產、設備、質量數據分析，并自動生成表格和圖形，以便進行可視化管理[5]。

圖2 工藝流程圖

為提高設備利用率，機器人自動上下料裝置設計三個功能。1）抽檢不停機功能。由于下料車被安全護網圍在內部，質檢員在護網外部接觸不到零件，若進入護網內部取件，需要設備停機，以保護人員安全，但會降低設備生產效率。抽檢功能只需要員工觸發抽檢按鈕，機器人自動將加工完成的零件放在下料傳送帶上，傳出防護網外。2）換車不停機功能。當下料車碼垛裝滿時，蜂鳴器報警，設備繼續進行生產，機器人自動切換下料軌跡，將零件放在下料傳送帶上，換車完成后，員工觸發啟動按鈕，機器人自動切換到下料車碼垛軌跡。3）機器人一鍵復位功能。當設備出現故障停機時，若機器人沒有停在待機起始位置，以往需要員工手動操作示教器來復位機器人，步驟繁瑣，對員工技能要求高，一鍵復位功能可以通過按住復位按鈕，機器人自動調用復位程序，判斷停止位置，規劃復位軌跡，回到待機位置，操作簡單方便。

2 整體系統設計

機器人自動上下料裝置分為主體設備和產品工裝兩部分，通過更換產品工裝，主體設備可以實現對不同規格零件的加工，以此適應市場上產品多樣化和個性化的需求。主體設備由工業機器人、上料單元、下料單元、電控系統四部分組成，設備實際效果圖如圖3所示。

圖3 設備實際效果圖

2.1 工業機器人選型

工業機器人在自動上下料裝置中的主要應用為搬運和碼垛操作，選型的依據和重點是動作范圍、有效負載和重復定位精度。IRB 4600-40/2.55 是ABB公司開發的高效通用型機器人，裝配性能優異的IRBP 變位機和IRBT 軌跡運動系統，增強了機器人對目標應用的適應能力，纖巧的機身使其在避繞障礙物時，可以保持最高加速度，循環周期時間短。IRB 4600的規格參數如表1 所示。

表1 IRB 4600的規格參數

2.2 上料單元設計

上料單元設計采用儲料式傳送帶的形式，集中供料，可以滿足50 件待加工零件的同時擺放，皮帶上的橫條用于隔斷相鄰的兩個零件，便于零件的分離操作，皮帶支架固定在花軸上，通過軸承在花軸上的移動，調節兩側支架的間隔，使上料單元可以兼容長度在1.8 m～2.8 m 范圍內的零件，利用傳送帶兩側的導向板，對移動的零件進行左右方向校正，降低人工零件擺放的位置精度要求。下料傳送帶固定在上料單元的上方，用于抽檢和換車下料，上下料在一側的設計，可以有效減少員工的頻繁走動，下料傳送帶的皮帶電機為220 V 調速電機，通過旋轉調速旋鈕可以控制皮帶轉速，防止速度過快，導致成品件堆放，造成零件表面磕碰劃傷。

2.3 下料單元設計

下料單元由下料小車和小車固定機構兩部分組成，由于不同型號的汽車行李架形狀相似，所以下料小車設計成通用形式，即不同型號的行李架共用一種下料車，可以降低產品的生產成本。小車的車身結構是方鋼焊接成型，結構簡單，牢固耐用，使用耐磨的布料包裹車身，防止小車運輸零件時產生劃傷。小車固定機構具有導向、定位和鎖死功能，利用電容式傳感器檢測下料小車的擺放位置，保證每次換車操作后，下料車位置的一致性。

2.4 電控系統設計

選用羅克韋爾1769-L30ERM 型號的CPU 作為電控系統的PLC，進行程序控制、信號采集、數據處理和故障診斷；選用羅克韋爾2711P-T6C21D8S 型號的觸摸屏作為人機界面，用于設定伺服參數、手動操作HMI 上的虛擬按鈕、顯示設備報警[6]；選用易福門AC1421 型號的以太網IP 網關配置AS-i 從站，控制分布式I/O，與行李架加工設備進行通信，采集傳感器輸入，控制電機和氣缸等執行器機構輸出；選用羅克韋爾Kinetix350 型號的單軸驅動器控制伺服電機工作，驅動器與電機間用兩根電機線相連接，紅色的電機線提供電源，綠色的電機線傳遞電機編碼器信號，PLC 執行MAM 控制命令，使伺服電機按設定的絕對位置轉動，每當上料傳送帶旋轉一周時，伺服電機的位置值自動歸零，防止出現累計誤差；選用易福門ANT513 型號的RFID 讀寫頭，識別機器人夾具上的E80371 型號的RFID 標簽，標簽里寫有當前工裝的ID 信息，PLC 將其與切換工裝時選擇的產品信息做比較，以驗證當前工裝是否配方選擇錯誤，同時將產品代碼傳送給機器人，機器人利用TEST 語法結構來選擇當前產品對應的上下料程序[7]；利用MES系統對PLC 進行設備產量、運行時間、異常報警等數據采集，通過智能算法的邏輯計算，轉換成可視的圖形和報表，進行監控和管理[8]。開通ABB 機器人EtherNet/IP 通信協議，將機器人的EDS 文件通過Studio5000 軟件導入PLC 中，使PLC 與機器人建立硬件組態，實現32 個字節長度的以太網通信；開通ABB 機器人DeviceNet 協議，使用DSQC652 型號信號板連接機器人夾具I/O 信號，控制真空吸盤和氣缸夾爪動作。硬件網絡圖如圖4所示。

圖4 硬件網絡圖

2.5 工裝夾具設計

通用型工裝夾具可靠性低，夾持精度不高，影響行李架上料穩定性，所以將上料傳送帶的定位機構和機器人夾具設計成專用型工裝，不同型號的行李架需要開發對應形狀和尺寸的工裝[9]。定位機構有零件分離、位置校正、輪廓檢測功能，是通過水平和垂直方向的氣缸運動，以及3D 激光輪廓傳感器檢測來實現的。機器人夾具結構簡單，使用定位銷和螺絲與機器人六軸法蘭相連接，降低工裝硬件成本，夾具的執行機構由真空吸盤和氣爪組成，利用真空發生器產生真空壓力，將行李架吸附在夾具上，利用氣爪運動，鎖緊行李架位置[10]。

3 機器人程序開發

3.1 機器人軌跡仿真

機器人仿真圖如圖5 所示。機器人程序開發有手動示教和離線仿真兩種方式，手動示教是在現場環境，手持示教器操作機器人移動，記錄軌跡位置、編寫邏輯；離線仿真是在軟件里建模，模擬機器人工作，編寫動作程序。機器人自動上下料裝置利用ABB 公司開發的RobotStudio 軟件對其進行離線仿真[11]。1）創建一個空的工作站，在模型庫中選擇IRB 4600-40/2.55 機器人模型，并將其導入工作站中。2）選擇“從布局”方式創建機器人系統，設置機器人的RobotWare 的版本，配置系統參數，如添加840-1 EtherNet/IP Anybus Adapter、608-1 World Zones、617-1 FlexPendant Interface 等功能。3）將SolidWorks 軟件設計的上下料主體設備和產品數模，以stp 格式幾何體導入系統中，按照設計布局，擺放各裝置的位置。4）定義工具數據，將機器人夾具的質量和重心位置等參數保存在tooldata 中，定義負荷數據，將行李架質量和重心保存在loaddata 中，分別在上料傳送帶、加工設備和下料小車三個位置定義工件坐標，保存在wobjdata 中。5）將機器人運動曲線生成軌跡指令，配置軸參數，仿真運行機器人的上下料操作，檢測機器人是否發生碰撞[12]。

圖5 機器人仿真圖

3.2 機器人一鍵復位程序開發

現場異常觸發機器人故障停機，需要設備具有一鍵復位功能，快速恢復正常生產。創建初始化程序rinit()，并添加在主程序main()中，刪除中斷連接，將中斷字符int_Home 和中斷程序Return_to_home 相關聯，將輸入信號Home_Button 與中斷字符int_Home相關聯，當按住Home_Button 按鈕時，觸發中斷程序執行。機器人停止移動，獲取機器人當前位置，并保存到變量P_Home 中，清除真空吸盤工作指令，清除氣爪工作指令，機器人放下夾具中的零件，在x方向以直線運動指令移動-100 距離，在y方向和z方向保持不變，用于安全避讓，然后回到Home 位置，機器人停止。機器人自動復位程序圖如圖6所示。

圖6 機器人自動復位程序圖

4 結語

利用上料單元對加工零件進行存儲、傳送、分離、定位、檢測，IRB4600 工業機器人抓取和搬運零件進行上下料操作，在下料單元進行有序的碼垛操作，完成成品存儲，設計出一種用于汽車行李架加工的機器人自動上下料裝置。通過RobotStudio 軟件對機器人動作進行虛擬仿真，簡化開發和設計流程，通過機器人一鍵復位功能，降低設備操作復雜度。采用工業機器人替代工人進行上下料操作，車間生產狀態從一人操作一臺設備變成一人操作多臺設備，可降低人力成本，提高生產效率，為增強企業競爭力提供了可靠支持。