氣缸類工件自動(dòng)生產(chǎn)線工藝分析與總體設(shè)計(jì)探究

摘要：針對(duì)某企業(yè)的氣缸類工件自動(dòng)化生產(chǎn)項(xiàng)目，根據(jù)工件的工藝要求，基于RB50系列關(guān)節(jié)機(jī)器人開發(fā)設(shè)計(jì)該工件自動(dòng)生產(chǎn)線。在介紹生產(chǎn)線工藝的基礎(chǔ)上，建立集主機(jī)設(shè)備、機(jī)械手自動(dòng)上下料系統(tǒng)、工件傳送裝置、電控系統(tǒng)等為一體的自動(dòng)生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線極大地提高了現(xiàn)有產(chǎn)品的生產(chǎn)率，改善了操作環(huán)境以及該企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)生產(chǎn)線;機(jī)器人;工藝分析;生產(chǎn)節(jié)拍

1? ? 氣缸十六軸孔自動(dòng)生產(chǎn)線概述

采用機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行零件加工，能滿足現(xiàn)代制造企業(yè)大批量、高效率、高質(zhì)量的需求，是制造業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)。氣缸十六軸孔自動(dòng)生產(chǎn)線結(jié)合客戶氣缸十六軸孔加工的生產(chǎn)項(xiàng)目需求，開發(fā)設(shè)計(jì)兩臺(tái)機(jī)器人完成一條生產(chǎn)線4臺(tái)或5臺(tái)十六軸數(shù)控設(shè)備加工工件的自動(dòng)上下料操作，一臺(tái)機(jī)器人在2臺(tái)或3臺(tái)十六軸數(shù)控設(shè)備之間工作，以改善現(xiàn)有加工裝置自動(dòng)化程度不高的缺陷。生產(chǎn)線均采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)上下料，集零件自動(dòng)完成工件上料、加工、輸送、再加工、下料、智能化存放于一體，一定程度上實(shí)現(xiàn)了氣缸十六軸孔加工效率的提高，使得零件生產(chǎn)品質(zhì)全面提升。

2? ? 工藝流程分析

2.1? ? 氣缸十六軸孔零件工藝流程分析

氣缸類工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁薄多孔，加之對(duì)于粗糙度和位置精度的要求很高，而且孔加工部位比較多，對(duì)各孔的圓柱度、垂直度、同軸度等位置精度要求十分高，整體加工技術(shù)要求較高。因此，在進(jìn)行生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)前加強(qiáng)對(duì)工藝流程的分析十分重要，通過對(duì)加工零件的材料、精度要求、加工內(nèi)容等進(jìn)行詳細(xì)分析，保證產(chǎn)品入料定位精度要求，不容許有毛刺，內(nèi)徑棱線處、X/Y面不允許有刮痕、壓痕、打痕，不允許有砂孔、氣孔、疏松等缺陷。因此，要確定詳細(xì)的工藝線路，同時(shí)明確工件在加工時(shí)的定位面和夾緊點(diǎn)，工件在各個(gè)工序之間的運(yùn)輸、翻轉(zhuǎn)、存儲(chǔ)等中間工位，機(jī)械手進(jìn)行工件抓取的定位、夾緊、松開、檢測(cè)功能。本生產(chǎn)線機(jī)器人一次同時(shí)能裝夾8個(gè)工件，其中上料4個(gè)、卸料4個(gè)，相對(duì)位置滿足工藝及準(zhǔn)確裝料和卸料要求。確定零件流轉(zhuǎn)過程中所需的輸送方式，導(dǎo)向定位、輸送時(shí)間要求，信號(hào)檢測(cè)等，保證物料定位、移動(dòng)和換面功能，更換機(jī)種時(shí)，更換相應(yīng)備件時(shí)間不超過30 min。設(shè)計(jì)人員只有在明確以上技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，才能設(shè)計(jì)出符合產(chǎn)品需求的生產(chǎn)線。

本次加工遵循先粗后精，并盡可能集中工序，以滿足一次裝夾完成多道工序的加工原則。氣缸十六軸孔上下料加工由工序OP3～OP6來實(shí)現(xiàn)，其加工工藝流程如下：

（1）機(jī)器人從儲(chǔ)料架上抓取需加工零件，移動(dòng)至OP3鉆床外等待。當(dāng)OP3鉆床發(fā)出加工完成信號(hào)后，機(jī)器人進(jìn)OP3鉆床抓取加工好的零件;旋轉(zhuǎn)機(jī)器人手爪180°，換上需加工零件，機(jī)器人發(fā)出指令讓OP3鉆床加工。

（2）當(dāng)OP3鉆床加工完之后，機(jī)器人抓取加工好第一道工序的零件，放置在OP4鉆床外等待加工完成信號(hào)，加工完成后，換下加工好第二道工序的零件，旋轉(zhuǎn)機(jī)器人手爪180°，換上需加工零件，機(jī)器人發(fā)出指令讓OP4鉆床加工。

（3）機(jī)器人從OP4鉆床抓取已加工零件，移動(dòng)至中轉(zhuǎn)臺(tái)上面。機(jī)器人抓取中轉(zhuǎn)臺(tái)上面的零件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，在OP5鉆床外等待加工完成信號(hào)，當(dāng)OP5鉆床發(fā)出加工完成的信號(hào)后，機(jī)器人進(jìn)OP5鉆床抓取加工好的零件;旋轉(zhuǎn)機(jī)器人手爪180°，換上需加工零件，機(jī)器人發(fā)出指令讓OP5鉆床加工。

（4）當(dāng)OP6鉆床發(fā)出加工完成信號(hào)后，機(jī)器人進(jìn)OP6鉆床抓取加工好的零件;旋轉(zhuǎn)機(jī)器人手爪180°，換上需加工零件，機(jī)器人把加工好的零件置于成品輸送線（成品輸送線客戶自備）。

（5）從上面第一步驟開始循環(huán)動(dòng)作。

2.2? ? 生產(chǎn)節(jié)拍的估算

節(jié)拍是一個(gè)產(chǎn)品完成需要的平均時(shí)間，即連續(xù)完成兩個(gè)相同產(chǎn)品之間的間隔時(shí)間。機(jī)器人上下料的總時(shí)間主要由機(jī)械人總運(yùn)動(dòng)時(shí)間、機(jī)械手換爪時(shí)間（2～3 s）、機(jī)器人上下料的總時(shí)間（5～10 s，根據(jù)工件大小）決定。本生產(chǎn)線中機(jī)器人移動(dòng)速度1.5～2 m/s，影響節(jié)拍的主要是加工時(shí)間。機(jī)床加工零件期間機(jī)器人可以抓取毛坯或搬運(yùn)工件，機(jī)床的加工時(shí)間一般情況下滿足機(jī)器人完成上料的準(zhǔn)備時(shí)間，機(jī)床一次換料時(shí)間在10 s左右，不超過15 s。

3? ? 總體設(shè)計(jì)分析

通過綜合多種因素，不斷改進(jìn)，結(jié)合客戶企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)要求，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了使用設(shè)備最少、實(shí)現(xiàn)功能最多、占地面積最小的高性價(jià)比生產(chǎn)線。氣缸十六軸孔自動(dòng)生產(chǎn)線主要由5臺(tái)十六軸數(shù)控鉆床、2臺(tái)或3臺(tái)RB50系列關(guān)節(jié)機(jī)器人、2套或3套手爪、1臺(tái)儲(chǔ)料架、1臺(tái)或2臺(tái)中轉(zhuǎn)臺(tái)、1臺(tái)操作臺(tái)、機(jī)器人電柜、安全圍欄及系統(tǒng)輔助等設(shè)備組成（其中鉆床、下料輸送線客戶自備），完全實(shí)現(xiàn)了氣缸十六軸孔自動(dòng)化上下料。整體布局如圖1所示。

3.1? ? 機(jī)器人形式的確定

機(jī)器人是生產(chǎn)線的核心組成部分，主要包括機(jī)械手、機(jī)器人控制器、手持式編程器、連接線纜、軟件及其他附件，集檢測(cè)、定位、夾緊、回轉(zhuǎn)、松開、移動(dòng)等功能于一體，具有運(yùn)行速度快、定位精度高、回轉(zhuǎn)自由度多等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)以上對(duì)氣缸工件加工工藝流程、零件加工節(jié)拍的分析，同時(shí)結(jié)合客戶生產(chǎn)線的平面布置區(qū)間、加工設(shè)備、工位及生產(chǎn)線成本等綜合考慮，本生產(chǎn)線考慮選擇RB50系列關(guān)節(jié)機(jī)器人。RB50系列關(guān)節(jié)機(jī)器人擁有6個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)半徑1 950 mm，J1運(yùn)動(dòng)范圍±178°，最大速度為158（°）/s;J2運(yùn)動(dòng)范圍+130°～-90°，最大速度為149（°）/s;J3運(yùn)動(dòng)范圍+75°～-210°，最大速度為130（°）/s;J4運(yùn)動(dòng)范圍±360°，最大速度為215（°）/s，允許最大扭矩為196 Nm;J5運(yùn)動(dòng)范圍±115°，最大速度為251（°）/s，允許最大扭矩為196 Nm;J6運(yùn)動(dòng)范圍±360°，最大速度為365（°）/s，允許最大扭矩為127 Nm;有效負(fù)載為50 kg;重復(fù)定位精度為±0.05 mm。性能已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，具有良好的性價(jià)比。

3.2? ? 機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人在氣缸十六軸孔生產(chǎn)線上負(fù)責(zé)上下料和搬運(yùn)，機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)要求夾持氣缸具有一定的剛度與強(qiáng)度。根據(jù)零件的重量、外形，選用進(jìn)口氣動(dòng)手爪，動(dòng)作靈敏、可靠，夾持力大，滿足生產(chǎn)線要求。

3.3? ? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括十六軸數(shù)控鉆床、工業(yè)機(jī)器人、儲(chǔ)料架、中轉(zhuǎn)臺(tái)等控制單元，各控制單元完成相應(yīng)動(dòng)作后，發(fā)出信號(hào)，通知系統(tǒng)進(jìn)行下一步的動(dòng)作。

為了確保各控制單元的正常工作順序及控制邏輯的合理性，該生產(chǎn)線采用高性能X86 CPU作為硬件平臺(tái)，處理速度快，系統(tǒng)支持幾十個(gè)工位、上千個(gè)I/O點(diǎn)的邏輯控制，統(tǒng)一接收處理各控制單元的傳輸信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的動(dòng)作響應(yīng)協(xié)調(diào)。主控制器主要控制中轉(zhuǎn)臺(tái)及儲(chǔ)料架的動(dòng)作，而機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床主要通過自身集成的控制器實(shí)現(xiàn)控制。另外，為了滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀態(tài)的集中監(jiān)控需求，本系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)人機(jī)界面觸摸屏實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

4? ? 結(jié)語

本文對(duì)氣缸十六軸孔加工自動(dòng)生產(chǎn)線進(jìn)行了針對(duì)性分析，現(xiàn)場(chǎng)加工產(chǎn)能表明：合理進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)線的布局，實(shí)現(xiàn)工序轉(zhuǎn)換自動(dòng)化，不僅能有效降低企業(yè)用工成本，而且成品件一致性也得到大幅度提高。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 孟慶鑫，王曉東.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[2] 駱敏舟，方健，趙江海.工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2015（1）：1-4.

收稿日期：2020-05-08

作者簡(jiǎn)介：彭冬偉（1986—），男，廣東興寧人，助理工程師，研究方向：工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)。