國產(chǎn)搬運機器人在國產(chǎn)汽車沖壓生產(chǎn)線中的應用

賈 沛，葉愛萍，張少偉，謝衛(wèi)林，林志強

（1.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2.廣州汽車集團乘用車有限公司，廣州 511434；3.廣州數(shù)控設備有限公司，廣州 510165）

國產(chǎn)搬運機器人在國產(chǎn)汽車沖壓生產(chǎn)線中的應用

賈 沛1，葉愛萍1，張少偉2，謝衛(wèi)林2，林志強3

（1.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2.廣州汽車集團乘用車有限公司，廣州 511434；3.廣州數(shù)控設備有限公司，廣州 510165）

主要從項目實際出發(fā)，介紹廣汽乘用車生產(chǎn)線上國產(chǎn)搬運機器人的應用情況，著重從國產(chǎn)機器人性能及完成的功能等方面展開詳細介紹，并對國產(chǎn)機器人關鍵技術進行介紹，最后通過國產(chǎn)機器人和進口機器人的對比指出國產(chǎn)機器人在汽車生產(chǎn)線中存在的不足，為國產(chǎn)機器人改進提供部分依據(jù)。

國產(chǎn)機器人；機器視覺；搬運；裝車

0　引言

由于我國近年來人力成本不斷提高，導致了很多企業(yè)招工難的問題越來越突出；同時為了提高工作效率和提高產(chǎn)品品質(zhì)，越來越多的生產(chǎn)廠家采用工業(yè)機器人替代人工完成生產(chǎn)任務。工業(yè)機器人自上世紀60年代問世以來，在各種應用上已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，我國從1986年第一次開始在生產(chǎn)中使用工業(yè)機器人，直到現(xiàn)在，我國的絕大多數(shù)行業(yè)中都有工業(yè)機器人的應用，但其中80%以上采用了進口機器人。目前國外工業(yè)機器人的四大供應商分別為瑞士ABB、日本FANUC、日本YASKAWA以及德國KUKA。國內(nèi)逐步走向成熟的機器人廠家有廣州數(shù)控、沈陽新松、南京埃斯頓、安徽埃夫特等。由于大部分的國產(chǎn)機器人的核心部件都依靠進口，另外我國機器人的研發(fā)起步較晚，導致目前國產(chǎn)機器人的功能及穩(wěn)定性等方面與國外機器人相比仍存在一定的差距。

隨著我國經(jīng)濟的不斷穩(wěn)步發(fā)展，未來幾年國內(nèi)市場對機器人需求量會不斷增長。根據(jù)國際機器人聯(lián)合會預測，到2016年，中國工業(yè)機器人保有量有望超過13萬臺，同時也成為全球需求最大的工業(yè)機器人市場[1]。但是各種工業(yè)使用環(huán)境對機器人的要求是在完成相應功能的基礎上，須保證系統(tǒng)穩(wěn)定性高，故障越少越好，如果出現(xiàn)故障需要及時找到原因并及時解決。這些需求無疑對國產(chǎn)機器人的發(fā)展應用提出了更高的要求。因此，國產(chǎn)機器人必須要抓住各種契機，通過大量投入應用，不斷地完善創(chuàng)新，從而實現(xiàn)替代進口，降低企業(yè)制造成本的目標。

為提升國產(chǎn)機器人發(fā)展水平，在2010年國務院將高端智能裝備制造列為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，其中明確工業(yè)機器人是重點發(fā)展方向。在這種環(huán)境下，同時針對國產(chǎn)品牌汽車覆蓋件高效制造的需要，我們在“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”重大專項支持開發(fā)的國產(chǎn)伺服及機械壓力機智能化沖壓應用示范生產(chǎn)線中使用國產(chǎn)機器人完成轎車沖壓覆蓋件的搬運碼垛，下面將詳細介紹國產(chǎn)機器人在廣汽汽車覆蓋件沖壓生產(chǎn)線上的具體應用。

1　國產(chǎn)機器人搬運及裝箱系統(tǒng)

國產(chǎn)機器人搬運及裝箱系統(tǒng)是廣汽轎車覆蓋件沖壓生產(chǎn)示范線（如圖1所示）線尾的沖壓件的搬運裝車及配套輸送系統(tǒng)，主要是將生產(chǎn)線沖壓完的汽車覆蓋件通過人工打磨并判斷是否合格，通過傳送帶和機器人配合完成合格品和不合格品的裝箱及輸送，具體描述如下。

1）工件由壓機Press5制造完成后，經(jīng)ABB下料機器人R61取件后根據(jù)需要放到線尾的雙向皮帶機上（一個方向輸送到人工裝箱皮帶線，另一個方向輸送到自動裝箱皮帶線），如需自動裝箱，則設置雙向皮帶機方向為自動裝箱狀態(tài)，并通過一條彎道皮帶線輸送到一條直線皮帶線（皮帶線速度恒定且正常情況下不暫停）。質(zhì)檢工人在零件輸送過程中完成零件打磨和質(zhì)檢，并按下相應按鈕給出是否合格信號，系統(tǒng)得到信號后協(xié)調(diào)1～4號國產(chǎn)機器人去準備，等待視覺系統(tǒng)對零件進行線上位置和方向確定好后，做相應的姿態(tài)調(diào)整，并在適當?shù)奈恢眠M行工件的在線抓取，抓取零件后放置到相應的臺車上，從而完成機器人自動搬運和裝車。

2）裝車完成后，系統(tǒng)自動進行聲光提示，提醒操作工完成滿車的叉取和空車的更換，空車更換完畢后系統(tǒng)進入新的裝車循環(huán)。

圖1　廣汽汽車生產(chǎn)線整線布局圖

1.1系統(tǒng)構成

國產(chǎn)機器人搬運及裝箱系統(tǒng)由4臺國產(chǎn)6軸搬運機器人、配套的機器視覺系統(tǒng)、輸送皮帶線、安全圍欄、安全升降門和相應的控制系統(tǒng)組成。

1.2廣數(shù)RB165機器人

系統(tǒng)中所采用廣州數(shù)控設備有限公司自出研發(fā)生產(chǎn)的RB165型工業(yè)機器人，其機器人控制器、伺服電機和伺服驅(qū)動等關鍵功能部件均由廣數(shù)自主生產(chǎn)，該機器人主要應用于打磨、拋光、機床上下料、沖壓自動化生產(chǎn)線的自動搬運等。

通過分析項目需求和性能指標，在選取機器人時分別調(diào)研了廣州數(shù)控和進口機器人的基本情況，整理得到國內(nèi)機器人與進口廠家機器人的對比信息表，如表1所示。

表1　國產(chǎn)及進口機器人對比信息表

通過綜合比較，我們可以看到國產(chǎn)機器人雖然價格比進口機器人便宜，但在性能仍有一定差距。我們最終選用的廣州數(shù)控生產(chǎn)的RB165機器人，如圖2所示。目前這款機器人的90%以上關鍵部件、機器人控制系統(tǒng)、機器人伺服電機及驅(qū)動等已經(jīng)實現(xiàn)自主研發(fā)生產(chǎn)，只有RV減速機現(xiàn)靠日本進口，但目前也在自主研發(fā)生產(chǎn)RV減速器，已經(jīng)配在部分機型上使用，效果較理想。

圖2　廣數(shù)RB165機器人圖示

1.3控制系統(tǒng)

RB165機器人的伺服驅(qū)動電機采用了廣數(shù)自主研發(fā)的交流伺服電機，并在機器人設計中研究了轉(zhuǎn)矩波動和動態(tài)時間響應參數(shù)等關鍵技術[2]。

1.4皮帶機控制系統(tǒng)

彎道和直道皮帶機均采用國產(chǎn)皮帶機，其運行速度為10～45米/分鐘可調(diào)，皮帶機尾部設置移動式鈑金臺，尺寸為2290mm×1800mm×950mm（長×寬×高），用于零件線尾搬運，皮帶機高度為1000mm，可調(diào)范圍為±100mm。皮帶線具備啟動、停止功能，同時可以根據(jù)壓機的生產(chǎn)節(jié)拍來調(diào)節(jié)皮帶線傳送速度，配合機器人和視覺來移動抓取工件。

圖3　RB165機器人控制系統(tǒng)組成

1.5視覺跟蹤抓取系統(tǒng)

由于本系統(tǒng)中的機器人視覺系統(tǒng)采用兩套康耐視(Cognex)的In-Sight5403視覺系統(tǒng)完成圖像采集、視覺處理和工件跟蹤定位，每兩臺機器人通過工業(yè)以太網(wǎng)共用一套視覺系統(tǒng)。視覺系統(tǒng)的靜態(tài)分辨率為1600×1200，位深為256個灰度級別，內(nèi)置兩個高速輸出，同時支持TCP/IP協(xié)議和RS-232C協(xié)議通信，在使用以太網(wǎng)連接時，可以通過網(wǎng)絡交換機連接多個設備，便于與機器人進行通信。圖4為康奈視In-sight瀏覽器軟件對5403進行配置的界面示意。

圖4　通過In-sight瀏覽器軟件配置5403

1.6端拾器設計

本系統(tǒng)中要求4臺機器人端拾器規(guī)格完全一樣，采用真空吸件方式，端拾器上預留氣管接口，并配有真空檢測及顯示，并且和整個系統(tǒng)連鎖。由于汽車覆蓋件多種多樣，且不規(guī)則，表面凹凸不平，所以機器人端拾器的設計需要根據(jù)各種沖壓件的外貌進行支架的長短和方向的細微調(diào)整。每套端拾器包含兩套真空發(fā)生器及8套真空吸盤。圖5為系統(tǒng)中所用端拾器的三維設計模型示意。

圖5　機器人端拾器3D設計模型

1.7系統(tǒng)工作流程

按照要求，四臺國產(chǎn)機器人分工合作完成每分鐘6～10件的節(jié)拍，由皮帶機系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和機器人組來配合完成工件的在線抓取和裝箱，時序圖如圖6所示，系統(tǒng)工作流程如下：

圖6　國產(chǎn)機器人搬運及裝箱系統(tǒng)時序圖

如果皮帶機上檢測到有工件且已經(jīng)到位，則啟動視覺控制系統(tǒng)。

視覺控制系統(tǒng)拍照并識別后進入控制系統(tǒng)。

如果工件是合格品，則通知1、2號機器人組，并返回各自的空閑狀態(tài)信息。如果1、2號機器人至少有一個空閑，則發(fā)出指令指定其中一個機器人準備姿態(tài)調(diào)整和適時抓??；機器人接到任務指令，啟動工作，進入相應工作程序，工作程序完成后，返回給控制系統(tǒng)完成信息，并更新自己狀態(tài)為空閑；如果1、2號機器人都忙，則使用3、4號機器人輔助抓取，機器人接到任務指令，啟動工作，進入相應工作程序，工作程序完成后，返回給控制系統(tǒng)完成信息，并更新自己狀態(tài)為空閑。

如果工件是不合格品，則通知3、4號機器人組，并返回各自的空閑狀態(tài)信息；如果3、4號機器人至少有一個空閑，則發(fā)出指令指定其中一個機器人準備姿態(tài)調(diào)整和適時抓??；機器人接到任務指令，啟動工作，進入相應工作程序。工作程序完成后，返回給控制系統(tǒng)完成信息，并更新自己狀態(tài)為空閑；如果3、4號機器人都忙，則人工輔助完成搬運和裝箱。

2　關鍵技術解析

項目中機器人抓取成功與否的關鍵在于機器人與視覺系統(tǒng)的協(xié)同定位，在項目中視覺系統(tǒng)要完成工件的精確定位，主要存在以下問題：1）抓取的工件尺寸規(guī)格比較大，超過了1000mm×1500mm，同時工件的形狀比較復雜；2）工件到達抓取工位前，需要通過一條半徑3500mm的90°的轉(zhuǎn)彎皮帶機，工件在轉(zhuǎn)向后的位姿偏差較大；3）工件運行速度較快，正常工作時超過25米/分鐘；4）由于現(xiàn)場工作空間限制，導致機器人抓取工件后姿態(tài)調(diào)整幅度較大。

通過對以上問題進行分析后最終選取了康奈視的5403相機和25mm的鏡頭，設定工作距離大于2400mm，在機器人抓取工位前安裝有一套對射傳感器，作為視覺定位的觸發(fā)信號。測試前對視覺系統(tǒng)需設置工件圖像捕捉、機器視覺與機器人的坐標標定等工作，另外在現(xiàn)場聯(lián)調(diào)時還需要根據(jù)實際情況完成機器人坐標系進行矯正、工件圖像角度補償，最終完成了工件的準確抓取。

3　結束語

工業(yè)機器人市場競爭越來越激烈，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌，參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)[3]。國產(chǎn)機器人在整體性能上與國際水平存在一定的差距，在核心技術的創(chuàng)新方面嚴重依賴進口，這無疑給國產(chǎn)機器人發(fā)展帶來較大的阻力。為此，國產(chǎn)機器人需要在控制器、減速機等關鍵部件上加大自主研發(fā)力度，在提高整體性能的基礎上，不斷降低成本，減少與國外機器人之間的綜合差距，從而不斷抵制國外機器人占據(jù)國內(nèi)市場的現(xiàn)象，充分發(fā)展中國本土化制造業(yè)，從而在世界制造業(yè)中博得一席之地。

[1] 郭紀斌.國產(chǎn)工業(yè)機器人現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢研究[J].中國科技縱橫,2015,(10):206-206,208.

[2] 劉洋洋.廣數(shù)機器人專用伺服電機技術分析[J].機電信息,2015,(12):93-94.

[3] 湯嘉榮.淺析我國工業(yè)機器人的發(fā)展與研究[J].科技創(chuàng)新與應用,2012,(32):94.

Application of domestic moving robot in automobile production line

JIA Pei1, YE Ai-ping1, ZHANG Shao-wei2, XIE Wei-lin2, LIN Zhi-qiang3

TP249

A

1009-0134(2016)02-0071-04

2015-12-17

國家科技重大專項資助

賈沛（1975 -），男，高級工程師，本科，研究方向為自動化技術應用。