自協(xié)調(diào)多柔性并行裝配線的設(shè)計(jì)與研發(fā)

于 翔，夏啟超，王 昊，劉立杰，段彩云

（山東商務(wù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，山東 煙臺 264670）

隨著新興技術(shù)的迅猛發(fā)展，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+、智能制造、VR技術(shù)已經(jīng)成為新時(shí)代產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主流。市場中訂單需求不斷增多的同時(shí)，與其對應(yīng)的質(zhì)量要求也在增大，多樣化、多維度、多形態(tài)的技術(shù)發(fā)展空間不斷拓寬，制造業(yè)生產(chǎn)模式已由單一化、大批量轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合型、多品種[1]。面對當(dāng)前激勵(lì)的市場競爭環(huán)境，企業(yè)需要擁有靈活機(jī)動的反應(yīng)機(jī)制，生產(chǎn)可供選擇的全型號、高品質(zhì)產(chǎn)品，以滿足市場需求。因此，為了避免同質(zhì)化風(fēng)險(xiǎn)，自動化生產(chǎn)線的升級改造成為了很多以機(jī)械產(chǎn)品為主的實(shí)體企業(yè)的首選方式。但是傳統(tǒng)的流水線生產(chǎn)模式雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是缺乏及時(shí)性（JIT）和規(guī)范化，超額生產(chǎn)和配件的反復(fù)搬運(yùn)提高了物資管理成本和人力成本，裝配精度難以有效保證，尤其是當(dāng)供需關(guān)系發(fā)生不穩(wěn)定波動時(shí)，流水線往往不負(fù)重荷，停產(chǎn)現(xiàn)象時(shí)有產(chǎn)生，難以滿足小批量多品種的生產(chǎn)要求。近年來，由于高科技產(chǎn)業(yè)拉動的大幅提升，高精度、高效率和高穩(wěn)定性的多自由度機(jī)器人技術(shù)日趨成熟和完善，在機(jī)械制造業(yè)中，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品加工和裝配，逐步取代復(fù)雜人工作業(yè)，對實(shí)體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到推動作用[2,3]。然而，同時(shí)實(shí)現(xiàn)工件抓取和裝配的全自動化生產(chǎn)線尚處于實(shí)驗(yàn)階段，適用于復(fù)雜表面的特殊機(jī)械手也屬于行業(yè)空白。

1 裝配線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過企業(yè)調(diào)研，依托某型號齒輪泵工裝技術(shù)要求，開展以提升自動化生產(chǎn)效率為目標(biāo)的并行工程研究，自主研發(fā)了自協(xié)調(diào)多柔性并行裝配線。該系統(tǒng)由主體框架、控制模塊、執(zhí)行模塊、安全模塊、顯示模塊和照明模塊構(gòu)成，其中安全執(zhí)行模塊配置了泵體抓取機(jī)器人、銘牌鑲嵌機(jī)器人和兩臺泵蓋裝配機(jī)器人。通過各機(jī)器人高精度、自協(xié)調(diào)配合，完成齒輪泵泵體、銘牌和全部螺栓的一次性裝配工作，降低工人勞動強(qiáng)度，縮短節(jié)拍時(shí)間，提高企業(yè)生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

1.1 主體框架與控制模塊

主體框架與控制模塊由承載安裝平臺、電氣控制柜和壓氣機(jī)組成，其主要作用是提供機(jī)器人抓取所需的動力，并作為各機(jī)器人支撐的著力點(diǎn)。主體框架與傳送帶直接對接，分為上下兩層。

1.2 執(zhí)行模塊與安全模塊

執(zhí)行模塊由四臺機(jī)器人組成，分別是安裝在主體框架底部的泵體機(jī)器人MH225、吊裝在主體框架頂部的兩個(gè)泵蓋裝配機(jī)器人TX2-90和一個(gè)銘牌抓取機(jī)器人TX2-90。每個(gè)機(jī)器人負(fù)責(zé)相應(yīng)配件和半成品的識別和抓取，在各自的運(yùn)動包絡(luò)內(nèi)完成指定動作。主體框架周圍加裝有光柵傳感器，形成防護(hù)壁壘，防止機(jī)器人高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)造成人員傷害。

1.3 顯示模塊與照明模塊

顯示模塊安裝在裝配線側(cè)面，由看板顯示屏和計(jì)算機(jī)操作臺組成，方便操作人員及時(shí)查看裝配線功能運(yùn)轉(zhuǎn)情況。在主體框架頂部裝有照明系統(tǒng)和安全警示燈，操作人員可以在裝配線的任何角度觀察產(chǎn)品的裝配情況，及時(shí)發(fā)送配件補(bǔ)充信息，做出適度調(diào)整。

2 裝配線功能介紹

2.1 理論模型

假設(shè)某項(xiàng)產(chǎn)品的裝配工作任務(wù)含有n個(gè)工序，單個(gè)工序節(jié)拍時(shí)間為Tn（n=1,2,3…），完成整個(gè)工作任務(wù)所需時(shí)間為T總=T1+T2+T3+…+Tn。所以，傳統(tǒng)流水線屬于串行生產(chǎn)方式，工作任務(wù)的總時(shí)間受到各環(huán)節(jié)單個(gè)工序節(jié)拍時(shí)間影響。如果采用并行生產(chǎn)方式的理念，對部分工序進(jìn)行合理的整合和壓縮，可以有效縮短裝配總時(shí)間，并且提高裝配線的魯棒性和柔性。改進(jìn)之后，整個(gè)工作任務(wù)所需的時(shí)間變?yōu)門改=min（T1,T2,T3…Tn）。

2.2 產(chǎn)品描述

本企業(yè)生產(chǎn)的齒輪泵由五部分裝配而成，分別為左端蓋、泵體、右端蓋、銘牌和螺栓。企業(yè)原生產(chǎn)線采用串行裝配模式，為了滿足生產(chǎn)線24小時(shí)運(yùn)行，需要超額生產(chǎn)裝配件，并額外分配人力反復(fù)進(jìn)行搬運(yùn)，造成庫房緊張，物資管理成本較高；串行生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間由耗時(shí)最長的工序決定，整體效率難以提升；生產(chǎn)線自動化水平難以提升，裝配精度不能保證；整個(gè)流水線的布局占地太大，重復(fù)性裝配工藝太多，工人活動空間太大，例如螺栓安裝等繁瑣動作占用時(shí)間太長。

2.3 實(shí)施流程

執(zhí)行系統(tǒng)主要進(jìn)行齒輪泵裝配工作，首先將齒輪泵分為三部分，第一、三部分為齒輪泵兩側(cè)左、右泵蓋，第二部分為齒輪泵泵體。該生產(chǎn)線啟動之后，安全光柵開啟并開始實(shí)時(shí)監(jiān)測，流水線開始運(yùn)行，吊裝在主體框架上方的三臺TX2-90機(jī)器人（兩臺泵蓋機(jī)器人、一臺銘牌機(jī)器人）以及裝在框架底部MH225泵體機(jī)器人同時(shí)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

工作過程中，泵體放置在底層傳送帶上，到達(dá)位置后由MH225泵體機(jī)器人進(jìn)行抓取并移至指定位置，在抓取時(shí)由于泵體本身具有抓取溝槽和機(jī)器人信標(biāo)設(shè)計(jì)，可以通過分別裝在四臺機(jī)械手上的視覺傳感器進(jìn)行高精度定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抓取。同時(shí)兩個(gè)泵蓋機(jī)器人TX2-90位于傳送帶上方，由吊裝在機(jī)械手轉(zhuǎn)接板上的電機(jī)逐次開始對裝在生產(chǎn)線上的螺釘進(jìn)行吸附，通過機(jī)械手轉(zhuǎn)接板上的氣缸動作改變機(jī)械手轉(zhuǎn)接板狀態(tài)，通過視覺傳感器的高精度對接完成上下端蓋的吸附動作，并移動至MH225泵體機(jī)器人的運(yùn)動包絡(luò)內(nèi)由視覺傳感器進(jìn)行位置識別，實(shí)施泵體定位安裝。銘牌機(jī)器人TX2-90通過機(jī)械手上的視覺傳感器定位銘牌螺釘，通過夾取氣缸裝夾銘牌并移至MH225泵體機(jī)器人的運(yùn)動包絡(luò)內(nèi)再次通過視覺傳感器實(shí)現(xiàn)定位安裝。最后三臺TX2-90機(jī)器人同步進(jìn)行裝配。齒輪泵總裝完成，由MH225泵體機(jī)器人將裝配完成的齒輪泵放置傳送帶送往下一工序，其工作流程，如圖1所示。

圖1 齒輪泵自協(xié)調(diào)裝配

3 裝配線的主要特征

3.1 低強(qiáng)度高效率分配方案

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格和外形尺寸，各機(jī)器人可以自由調(diào)整工作節(jié)拍時(shí)間，同步并行協(xié)調(diào)裝配，一次性完成產(chǎn)品所需的所有裝配工序。每個(gè)制造單元只需一名操作人員進(jìn)行控制，節(jié)省人力成本，提高生產(chǎn)效率，基本滿足小批量多品種的企業(yè)生產(chǎn)需求。

3.2 免工裝多維度結(jié)構(gòu)布局

通過機(jī)器人之間“握手”配合，減少工裝胎具的使用，企業(yè)無需胎具維護(hù)極大地降低了生產(chǎn)成本，四條傳送帶并行排布的復(fù)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效利用廠房三維空間，減少廠區(qū)占地面積，提升利用率。

3.3 自識別高精度裝配系統(tǒng)

機(jī)器人末端加裝視覺識別系統(tǒng)。在抓取工件時(shí)，可通過信標(biāo)提高抓取精度，進(jìn)行工件和位置識別。工作中，機(jī)器人可以進(jìn)行快速移動后的二次高精度定位，提升移動速度的同時(shí)，以保證裝配精度，提升系統(tǒng)的容錯(cuò)糾錯(cuò)能力。

3.4 多用途一體化執(zhí)行元件

為了實(shí)現(xiàn)工件抓取與螺栓安裝同步完成，執(zhí)行系統(tǒng)采用力-位混合型機(jī)器人末端執(zhí)行器。該執(zhí)行器由U型轉(zhuǎn)接板、多自由度電機(jī)、夾取氣缸、視覺傳感器等組成。相比較常規(guī)型載荷執(zhí)行器和搬運(yùn)執(zhí)行器，該執(zhí)行器通用性更好，易于動靜態(tài)控制切換，適合復(fù)雜平面的抓取和安裝，應(yīng)用領(lǐng)域更為寬泛。

4 結(jié)語

自協(xié)調(diào)多柔性并行裝配線采用并行工程的設(shè)計(jì)理念，在一定程度上提高了生產(chǎn)裝配過程中的柔性能力和生產(chǎn)效率，改善了產(chǎn)品裝配作業(yè)中的人機(jī)關(guān)系和生產(chǎn)環(huán)境，與精益生產(chǎn)、敏捷制造和小批量定制等當(dāng)前先進(jìn)制造模式相切合，為其它先進(jìn)制造系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)提供了參考和借鑒。