工業(yè)機(jī)器人在拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)線自動化改造中的應(yīng)用

龔洪浪　李麗娜

摘 要： 為了提升流水線作業(yè)能力，提出應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)線自動化改造的解決方案。所提改造方案選擇我國自主研發(fā)的ER50?C20工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動化生產(chǎn)，通過實地考察拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)線環(huán)境，對工業(yè)機(jī)器人安裝方位、工業(yè)機(jī)器人操作范圍、產(chǎn)品傳動空間和產(chǎn)品搬運方位等生產(chǎn)線布局進(jìn)行了改造，使用ROBOGUIDE軟件對工業(yè)機(jī)器人的自動化加工進(jìn)程進(jìn)行編程，并給出控制工業(yè)機(jī)器人動作的控制函數(shù)。實驗結(jié)果表明，經(jīng)改造后，拖拉機(jī)變速箱自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)負(fù)荷大幅度降低，產(chǎn)品質(zhì)量得到了改進(jìn)。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)機(jī)器人； 拖拉機(jī)變速箱； 生產(chǎn)線； 自動化改造

中圖分類號： TN830.1?34； TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）20?0114?03

Abstract： In order to improve the operational capability of the assembly line， a solution of applying industrial robots to automation reconstruction of the tractor gearbox production line is proposed. In the solution， the ER50?C20 industrial robot researched and developed in China is selected for the automation production. The production line layout containing installation position and operation range of industrial robots， product gearing space， and product transportation orientation was reconstructed according to the on?the?spot investigation result of tractor gearbox production line environment. The ROBOGUIDE software is used to compile the program for the automation processing procedure of industrial robot， and the control function that controls industrial robot motion is given. The experimental results show that the the production load of the reconstructed tractor gearbox automation product line is greatly reduced， and the product quality has been improved.

Keywords： industrial robot； tractor gearbox； production line； automation reconstruction

0 引 言

拖拉機(jī)變速箱是實現(xiàn)車輪傳動的主要結(jié)構(gòu)之一，是承擔(dān)零件機(jī)械能量的基礎(chǔ)設(shè)備，變速箱生產(chǎn)質(zhì)量關(guān)系著拖拉機(jī)是否能夠穩(wěn)定運行。為了滿足市場需求，拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)線需要保質(zhì)保量地生產(chǎn)多種型號、品類以及批號的變速箱，通常采用流水線作業(yè)[1]，以實現(xiàn)批量生產(chǎn)，生產(chǎn)線自動化水平?jīng)Q定著流水線作業(yè)能力。拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)線的自動化是指用生產(chǎn)參數(shù)限制生產(chǎn)進(jìn)程，構(gòu)造特定結(jié)構(gòu)及功能的拖拉機(jī)變速箱產(chǎn)品[2]。在自動化生產(chǎn)過程中，需要不斷控制生產(chǎn)參數(shù)并反饋產(chǎn)品性質(zhì)，減少結(jié)構(gòu)及功能偏差[3]。工業(yè)機(jī)器人在近些年來不斷在工業(yè)加工領(lǐng)域中發(fā)揮作用，其快速、智能、精準(zhǔn)、環(huán)保數(shù)控加工優(yōu)勢為生產(chǎn)線自動化改造提供了優(yōu)質(zhì)解決方案，不但能節(jié)省用工開支[4]，還能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品制造工藝，是未來工業(yè)加工領(lǐng)域的必備設(shè)施。為了提高拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品制造工藝，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)線自動化改造[5]，改變低能、剛性生產(chǎn)能力，適應(yīng)科技社會發(fā)展和市場需求。

1 工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)線自動化改造中的應(yīng)用

1.1 改造后的生產(chǎn)線布局

應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)線是一個復(fù)雜系統(tǒng)，由自動化生產(chǎn)儀器、傳動線以及各類傳感器構(gòu)成[6]。工廠環(huán)境決定著這個復(fù)雜系統(tǒng)的布局，通過實地考察拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)線環(huán)境，對生產(chǎn)線布局進(jìn)行規(guī)劃。工業(yè)機(jī)器人與其他自動化生產(chǎn)儀器不能出現(xiàn)干涉[7]，以避免安全事故。傳動線運動軌跡受限于變速箱高度，需要保證在傳動過程中產(chǎn)品位置的絕對穩(wěn)定，產(chǎn)品搬運方位應(yīng)滿足最小傳動空間[8]。生產(chǎn)線整體布局不可過于松散，各個儀器間的連接應(yīng)考慮到最短接線原則，同時合理安排儀器數(shù)量與實際使用功率，以節(jié)省生產(chǎn)開支。容易產(chǎn)生干擾的儀器應(yīng)被隔離，切勿與工業(yè)機(jī)器人過于貼近。根據(jù)上述生產(chǎn)線布局規(guī)劃要求，給出拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)線在工業(yè)機(jī)器人自動化改造下的生產(chǎn)線布局，如圖1所示。

圖1中，1號位和2號位共同組成產(chǎn)品傳動空間，1號位是傳動主機(jī)，2號位是傳動控制平臺，3號位是拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)流水線作業(yè)平臺，4號位放置變速箱零件托盤，5號位安裝是托盤放行儀器，6號位是工業(yè)機(jī)器人安裝方位。傳動主機(jī)將生產(chǎn)零件傳送到作業(yè)平臺前端，送至4號位托盤中，工業(yè)機(jī)器人對托盤零件進(jìn)行加工，傳感器將不斷向控制平臺發(fā)送加工情況，待監(jiān)測到變速箱加工后，傳動控制平臺開啟托盤放行儀器，將產(chǎn)品搬運到目標(biāo)方位[9]。

1.2 工業(yè)機(jī)器人在自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用

傳動控制平臺給出工業(yè)機(jī)器人的操作規(guī)范都是在生產(chǎn)現(xiàn)場即時編寫的，編程軟件為ROBOGUIDE，其可進(jìn)行機(jī)器人離線三維仿真編程，應(yīng)用界面友好，能夠給出精確的操作周期，保證操作規(guī)范可行性。工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行拖拉機(jī)變速箱的自動化加工分5步進(jìn)行，依次是：確定待加工零件方位、抓取待加工零件、取料、放料、旋轉(zhuǎn)加工。

圖2、圖3是工業(yè)機(jī)器人對待加工零件和變速箱配料的操作示意圖，工業(yè)機(jī)器人收到傳動控制平臺的上料指示，抓取相應(yīng)的待加工零件和配料，下料后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)加工。當(dāng)傳感器采集數(shù)據(jù)提示配料不足時，上料指示燈亮起，再次進(jìn)行取料和放料操作，一個拖拉機(jī)變速箱加工完成后，放行儀器開啟。

1.3 工業(yè)機(jī)器人動作控制

工業(yè)機(jī)器人的型號很多，經(jīng)過多方對比，采用ER50?C20型號的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)自動化改造。ER50?C20由我國自主研發(fā)，額定載荷高于50 kg，機(jī)器人操作臂的最大能動距離為2.2 m，手臂長為1 m，操作界面友好、編程簡易、維修簡單，能夠完全接受傳動控制平臺的管控，與控制儀器兼容性良好。ER50?C20工業(yè)機(jī)器人的操作臂擁有6個自由度，能夠進(jìn)行零件搬移、配料抓取、切割、雕刻、水磨等操作，運動控制誤差低于0.1 mm，最大旋轉(zhuǎn)角度為±480°。

由于工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行拖拉機(jī)變速箱加工時采用的是笛卡爾坐標(biāo)系，但自由度旋轉(zhuǎn)卻是以世界坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的，所以在控制工業(yè)機(jī)器人加工動作時需要先描述笛卡爾坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的換算關(guān)系。

設(shè)任意點[P]位于笛卡爾坐標(biāo)系[A]中，[P]點坐標(biāo)向量為[Ap=[px，py，pz]]。設(shè)點[B]是工業(yè)機(jī)器人的目標(biāo)移動點，[B]是世界坐標(biāo)系，[B]點在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)向量為[Bb=[xB，yB，zB]]，坐標(biāo)系[A]，[B]的換算關(guān)系見圖4。

由圖4可知，[P]點在笛卡爾坐標(biāo)系的x軸延長線正好經(jīng)過[B]點所處世界坐標(biāo)系的原點，則ER50?C20工業(yè)機(jī)器人從[P]點移動到[B]點所經(jīng)歷的動作控制過程可用一個齊次變換矩陣表示，如下：

2 實驗分析

生產(chǎn)負(fù)荷是生產(chǎn)項目一個特定周期內(nèi)產(chǎn)品總產(chǎn)量與預(yù)計產(chǎn)量的比值，可以用來評估生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)能力和盈利情況。在使用ER50?C20工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)線自動化改造前，我國江蘇某工業(yè)加工企業(yè)生產(chǎn)的拖拉機(jī)變速箱有3種型號，其生產(chǎn)負(fù)荷如表1所示（表中數(shù)據(jù)為該企業(yè)2015年全年統(tǒng)計量）。

經(jīng)過ER50?C20工業(yè)機(jī)器人改造拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)線自動化水平之后，使用改造方案進(jìn)行6個月的試運行實驗。實驗結(jié)束后，試運行期間的用工成本降低至去年同期的[23]，產(chǎn)品加工精度不斷增高，產(chǎn)品質(zhì)量得到了大幅度提升。假設(shè)改造后每個月的產(chǎn)量相等，將試運行期間產(chǎn)量換算至全年產(chǎn)量，計算生產(chǎn)負(fù)荷，如表2所示。改造后拖拉機(jī)變速箱的單件平均加工時間有所縮短，年產(chǎn)量由原來的每種類型4 500臺上升至8 000臺，生產(chǎn)負(fù)荷得到顯著提升，證明了ER50?C20工業(yè)機(jī)器人在拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)線自動化改造應(yīng)用中的可行性。

3 結(jié) 論

本文探討了工業(yè)機(jī)器人在拖拉機(jī)變速箱生產(chǎn)線自動化改造中的應(yīng)用，并進(jìn)行了實驗證明。得出本文給出的改造方案不但能提高加工企業(yè)自動化水平，增益企業(yè)生產(chǎn)能力和利潤，也對未來工業(yè)企業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)了強(qiáng)有力的資源。

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