淺析低負(fù)載機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)線的應(yīng)用

陳青，徐浩，倪寶，許禮進(jìn)，曾輝

（埃夫特智能裝備股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

關(guān)鍵字：低負(fù)載機(jī)器人；制造業(yè)；自動(dòng)化改造；多設(shè)備對(duì)接

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人工成本提高，在人口福利不再的情況下，許多企業(yè)迫切需要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，使用工業(yè)機(jī)器人是產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要手段[1]。市面上的機(jī)器人形式多樣，種類繁多，適用場(chǎng)景廣泛，可以用在搬運(yùn)、打磨、焊接、噴涂、裝配、切割、雕刻等工作中，必須清楚了解自身的需求及機(jī)器人的性能闡述、應(yīng)用場(chǎng)景之后，才能確定機(jī)器人的負(fù)載[2]。

1 低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介

1.1 低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人定義

低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人通常指負(fù)載相對(duì)較低（一般指機(jī)器人負(fù)載小于等于60kg），干擾輪廓少，結(jié)構(gòu)緊湊的一類工業(yè)機(jī)器人，低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用廣泛和靈活，并且成本相對(duì)低廉，許多汽車配件供應(yīng)商和加工工業(yè)廠商都從中受益。

1.2 低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人的特性

安裝靈活：許多低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人可以靈活地安裝在地面、墻壁和天花板上，或者甚至是以特定的角度實(shí)現(xiàn)安裝；通過(guò)集成在所有軸上的制動(dòng)器，低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人在各種安裝方式下都有著非常卓越的表現(xiàn)。

高速：在搬運(yùn)，特別是上下料作業(yè)方面，低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人所具備的一個(gè)最大優(yōu)勢(shì)是：速度極快，反應(yīng)迅速，可以在較短的循環(huán)時(shí)間內(nèi)完成作業(yè)。

高精確度：對(duì)于需要高重復(fù)精度和精確度的作業(yè)，低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人完全可以勝任，它可以提供極高的加工質(zhì)量，其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人可在整個(gè)工作空間內(nèi)持續(xù)精準(zhǔn)地進(jìn)行作業(yè)。

易維護(hù)：低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人的電機(jī)和減速機(jī)不需要更換潤(rùn)滑劑（永久潤(rùn)滑）。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理：在低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人工作單元設(shè)計(jì)方面，規(guī)劃更加可靠而且極大地節(jié)省了制造成本；采用集成式能源供應(yīng)系統(tǒng)，占用空間小，在狹隘空間下也能充分發(fā)揮自身的性能；在機(jī)器人本體軸的多個(gè)安裝點(diǎn)上可安裝附加設(shè)備（如閥門和輸入輸出模塊），可進(jìn)一步節(jié)省空間。

2 低負(fù)載機(jī)器人在自動(dòng)化改造的應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)例為某國(guó)產(chǎn)汽車剎車盤制造廠商的生產(chǎn)線自動(dòng)化改造項(xiàng)目，使用的是負(fù)載60kg 的低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人，在本實(shí)例當(dāng)中，機(jī)器人一共對(duì)接三臺(tái)機(jī)床，一臺(tái)檢測(cè)設(shè)備，一個(gè)過(guò)渡定位臺(tái)和三個(gè)無(wú)動(dòng)力輥道，并成功滿足不同機(jī)床的協(xié)作配合生產(chǎn)和工序節(jié)拍要求，系統(tǒng)布局圖如圖1 所示。本實(shí)例中，機(jī)器人整個(gè)工作過(guò)程可主要分為兩個(gè)部分，即上料過(guò)程和下料過(guò)程。

2.1 上料過(guò)程

人工將汽車剎車盤置于上料輥道上，剎車盤受到重力作用自行運(yùn)動(dòng)到輥道末端位置，末端傳感器檢測(cè)到到位信號(hào)，舉升裝置頂起剎車盤并將其定位，機(jī)器人利用電磁鐵抓手將剎車盤抓起（電磁鐵抓手如圖2 所示），上料到OP10 工位加工，之后放到過(guò)渡定位臺(tái)上，自下而上反面抓取剎車盤并上料到OP20 工位加工，然后上料到OP30 工位加工，OP40 檢測(cè)設(shè)備上檢測(cè)。此為整個(gè)上料過(guò)程，每當(dāng)傳感器檢測(cè)到上料到位信號(hào)，機(jī)器人就重復(fù)以上動(dòng)作。

圖2 電磁鐵抓手二維圖

2.2 下料過(guò)程

OP40 設(shè)備檢測(cè)加工完成的剎車盤，若OP40 設(shè)備檢測(cè)剎車盤為合格件，則由機(jī)器人利用電磁鐵抓手抓起剎車盤，將其放到下料輥道上，剎車盤受到重力作用自行運(yùn)動(dòng)到下料輥道末端位置，再由人工取件；若OP40 設(shè)備檢測(cè)剎車盤為不合格件，則由機(jī)器人利用電磁鐵抓手抓起剎車盤，將其放到廢料道上，剎車盤受到重力作用自行運(yùn)動(dòng)到廢料道末端位置，再由人工取件；此為整個(gè)下料過(guò)程，每當(dāng)OP40 設(shè)備檢測(cè)完畢并發(fā)出信號(hào)，機(jī)器人就重復(fù)以上動(dòng)作。

2.3 機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)介

2.3.1 上下料輸送料道

該設(shè)備主要是由頂升機(jī)構(gòu)、擋料機(jī)構(gòu)、無(wú)動(dòng)力滾筒等機(jī)構(gòu)組成。

上、下料道為無(wú)動(dòng)力滾筒形式，上料輥道末端位置滾筒材質(zhì)為聚氨酯，以避免頂升機(jī)構(gòu)舉升定位剎車盤時(shí)對(duì)剎車盤產(chǎn)生磨損，保護(hù)工件表面，上料輥道除末端位置外其余位置所配滾筒材質(zhì)均為不銹鋼，保證強(qiáng)度滿足輸送要求；整體料道設(shè)計(jì)時(shí)留有傾斜角度，剎車盤置于輥道上時(shí)，由于剎車盤自身重力作用，克服與不銹鋼滾筒之間的摩擦力，剎車盤自行產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到輥道終點(diǎn)位置停下，并被料道終點(diǎn)位置的傳感器檢測(cè)到，傳感器就發(fā)出工件到位信號(hào)；上料輸送料道末端部安裝有頂升定位機(jī)構(gòu)，可以保證來(lái)料的規(guī)律和一致性來(lái)滿足機(jī)器人抓取的精度要求，上下料道結(jié)構(gòu)形式一樣，差異為下料道末端無(wú)舉升定位機(jī)構(gòu)。所有料道均采用可調(diào)式機(jī)械結(jié)構(gòu)，即左右兩側(cè)的滾筒距離可以調(diào)整，通過(guò)調(diào)整輥道兩側(cè)的可調(diào)手柄和螺母，以適應(yīng)不同種剎車盤直徑尺寸的不同，從而滿足不同類型剎車盤的生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)多種剎車盤的適配和共用。

頂升機(jī)構(gòu)：用于保證機(jī)器人抓取的精度，只安裝在上料輥道末端位置，只要?jiǎng)x車盤運(yùn)動(dòng)到上料輥道末端位置，傳感器發(fā)出到位信號(hào)，頂升機(jī)構(gòu)氣缸就開(kāi)始動(dòng)作，頂升機(jī)構(gòu)上的錐形塊接觸工件，并起到自定心的作用。應(yīng)當(dāng)每日檢查氣缸是否動(dòng)作正常，頂升機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向軸是否變形，頂升防墜功能是否正常，并且每周清理表面灰塵、油污等雜物。

擋料機(jī)構(gòu)：用于阻擋工件，隔離要抓取的工件，保證抓具正常工作，只要頂升機(jī)構(gòu)的傳感器檢測(cè)到氣缸桿沒(méi)有降下去或者剎車盤還沒(méi)被抓取，擋料機(jī)構(gòu)的氣缸就會(huì)一直作用，下一個(gè)待抓取的剎車盤就會(huì)停在擋料位置；只要頂升機(jī)構(gòu)的傳感器檢測(cè)到氣缸桿降下去且剎車盤已經(jīng)被抓取，擋料機(jī)構(gòu)的氣缸就會(huì)動(dòng)作一次，待抓取的剎車盤就會(huì)從擋料位置運(yùn)動(dòng)到輥道末端，等待下一次抓取。應(yīng)當(dāng)每日檢查擋塊是否變形，氣缸是否正常。

無(wú)動(dòng)力滾筒：用于傳送工件。應(yīng)當(dāng)每周檢查是否出現(xiàn)損壞，每月檢查潤(rùn)滑情況。

圖3 上下料輸送料道三維圖

2.3.2 過(guò)渡定位臺(tái)

該部件主要由定位機(jī)構(gòu)、檢測(cè)開(kāi)關(guān)等組成。

定位翻轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠；采用中心孔定位的方式，且定位工裝上的檢測(cè)開(kāi)關(guān)可以起到信號(hào)交互連鎖的作用。

定位翻轉(zhuǎn)臺(tái)用于工件的精定位和翻面抓取，機(jī)器人從OP10 工位上抓取加工好的剎車盤，并將其置于過(guò)渡定位臺(tái)上，過(guò)渡定位臺(tái)上的錐形塊接觸剎車盤，并起到自定心的作用，且根據(jù)不同種類剎車盤內(nèi)孔尺寸的大小，更換不同尺寸大小的錐形塊，以滿足不同類型剎車盤的生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)多種剎車盤的適配和共用；定位剎車盤時(shí)機(jī)器人自上而下將其放置在錐形塊上，再次抓取時(shí)，機(jī)器人自下而上抓取剎車盤，從而實(shí)現(xiàn)翻面抓取，并將其放到OP20 工位加工。應(yīng)當(dāng)每日檢查檢測(cè)開(kāi)關(guān)是否正常工作，檢查定位機(jī)構(gòu)是否損壞變形，并每日對(duì)其清理。

圖4 過(guò)渡定位臺(tái)三維圖

2.3.3 電磁鐵抓手

該部件主要由電磁鐵、接近開(kāi)關(guān)及相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

主要工作是作為機(jī)器人的抓具，此抓具根據(jù)生產(chǎn)加工工藝以及產(chǎn)品外形及工件的擺放姿態(tài)、空間綜合考慮來(lái)設(shè)計(jì)，完全滿足機(jī)器人抓取上下料的要求。

該抓具采用電磁鐵抓取形式，能夠有效抓取工件并保證穩(wěn)定運(yùn)行，并在斷電同時(shí)迅速退去工件表面磁性。此抓具采用可調(diào)式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)抓盤上U 型孔旁的刻度，同時(shí)調(diào)節(jié)三個(gè)電磁鐵之間的間距大小，以滿足不同種類的剎車盤外圓尺寸大小，能滿足一定范圍內(nèi)不同尺寸產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。此抓具設(shè)有保護(hù)報(bào)警措施，機(jī)器人正常工作時(shí)，安全觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合，不觸發(fā)報(bào)警信號(hào)；機(jī)器人一旦與設(shè)備發(fā)生碰撞，抓具上中間連接塊斷裂，安全觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)被打開(kāi)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)且機(jī)器人立即停止動(dòng)作，等待處理。

圖5 電磁鐵抓手三維圖

2.3.4 安全防護(hù)系統(tǒng)

整線改造后，機(jī)器人外圍安裝圍欄防護(hù)，并且至少安裝1 套安全門，用于機(jī)器人或?qū)C(jī)設(shè)備故障處理、日常維護(hù)等。在機(jī)器人正常工作狀態(tài)，安全門必須關(guān)上，不觸發(fā)報(bào)警；任一安全門若被打開(kāi)，立即觸發(fā)報(bào)警，且所有機(jī)器人會(huì)立即停止運(yùn)行。

機(jī)器人區(qū)域安裝有安全護(hù)欄，而且在工人工作作業(yè)的區(qū)域配有相關(guān)安全標(biāo)示；機(jī)器人工作區(qū)域設(shè)置一個(gè)檢修門，檢修門上設(shè)安全門鎖，安全門鎖與電控系統(tǒng)連鎖，一旦打開(kāi)檢修門立即停止機(jī)器人及相關(guān)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。為了保證可靠性，安全門常閉觸點(diǎn)連接雙通道同時(shí)檢測(cè)，故障急停及其他關(guān)鍵信號(hào)采用繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)，作常閉信號(hào)處理（即保證在系統(tǒng)故障、繼電器損壞及斷線等情況下的狀態(tài)一致性）。

圖6 安全防護(hù)門實(shí)物圖

安全門按鈕實(shí)現(xiàn)如下功能：

生產(chǎn)線正常自動(dòng)運(yùn)行情況下，啟動(dòng)燈常亮。

節(jié)拍結(jié)束后按下停止按鈕，請(qǐng)求進(jìn)入，停止按鈕燈1 秒頻率閃爍，啟動(dòng)按鈕燈滅，該安全區(qū)域完成一個(gè)工作循環(huán)停止運(yùn)行后，停止按鈕燈常亮。工作人員進(jìn)入，工作完成后，關(guān)閉安全門，按下啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)按鈕燈亮，停止按鈕燈滅。

急停按鈕拍下，急停燈常亮，故障排除后，松開(kāi)急停按鈕，在沒(méi)有按復(fù)位按鈕的情況下，急停1 秒頻率閃爍，復(fù)位后，急停燈滅。

2.3.5 機(jī)器人及其附件

該部件主要由低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人底座、管線包及其組件。

主要工作是攜帶電磁抓手從上料道抓取工件，將工件抓取放到各個(gè)設(shè)備進(jìn)行加工或者檢測(cè)，然后再將其工件放入下料道或者廢料道。其中底座用于固定機(jī)器人，管線包用于整合線纜。

機(jī)器人管線包主要包含：波紋管，固定座，耐磨環(huán)。

由于波紋管內(nèi)有線纜，需要仔細(xì)檢查波紋管磨損情況，如果磨損嚴(yán)重，則需要及時(shí)更換損壞的管路；如果發(fā)現(xiàn)波紋管松弛，則需及時(shí)調(diào)整固定座；如果波紋管和機(jī)器人本體有接觸，則需要及時(shí)增加和更換耐磨環(huán)。

3 結(jié)語(yǔ)

此次成功實(shí)例為某國(guó)產(chǎn)汽車剎車盤制造廠商的生產(chǎn)線自動(dòng)化改造項(xiàng)目。由此說(shuō)明，使用低負(fù)載工業(yè)機(jī)器人不僅可以在一定程度上節(jié)約成本，而且可以利用其靈活性實(shí)現(xiàn)在狹隘空間下對(duì)接多臺(tái)設(shè)備，最大限度地發(fā)揮機(jī)器人的性能，減輕更多的機(jī)床操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且大幅提高企業(yè)生產(chǎn)效率[3]。