工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線布局設(shè)計與優(yōu)化策略

朱文良

摘要：因為工業(yè)機器人工作效率高，可以適應(yīng)極端環(huán)境，而且具有可編程優(yōu)勢，能應(yīng)用于重復(fù)勞動需求量大、危險的作業(yè)環(huán)境當(dāng)中。工業(yè)生產(chǎn)中，可利用工業(yè)機器人完成焊接、噴涂、搬運等工作。生產(chǎn)環(huán)境零件拾取同樣也可以用工業(yè)機器人完成，不但效率高，而且安全性能夠得到保證。在生產(chǎn)線布局過程，可以根據(jù)生產(chǎn)流程需求，對于工業(yè)機器人應(yīng)用展開合理設(shè)計，優(yōu)化生產(chǎn)流程。下文以自動生產(chǎn)線取件系統(tǒng)中工業(yè)機器人的布局設(shè)計為例，對生產(chǎn)線布局方案和優(yōu)化策略進行分析。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人;自動化生產(chǎn)線;布局設(shè)計;優(yōu)化策略

引言：部分工業(yè)制造產(chǎn)品具有小批量和多批次特點，特別是鈦合金的熱形成零件制作，國內(nèi)大多利用人工方式進行取件。借助仿真技術(shù)，對于工業(yè)機器人在該領(lǐng)域中的應(yīng)用進行分析，能夠根據(jù)自動生產(chǎn)線布局要求，優(yōu)化設(shè)計機器人工位設(shè)計，解決生產(chǎn)線當(dāng)中機器人數(shù)量過多產(chǎn)生干涉的問題，還能優(yōu)化生產(chǎn)線設(shè)計。

一、自動生產(chǎn)線工業(yè)機器人布局要求分析

在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)線當(dāng)中，取件系統(tǒng)是按照經(jīng)驗對于工業(yè)機器人進行選型，并完成工位布局。設(shè)計過程，利用實時算法，忽略碰撞情況，獲得布局方案。實際應(yīng)用過程，碰撞問題時有發(fā)生?？紤]以往設(shè)計通常將側(cè)重點放在機器人之間、機器人生產(chǎn)設(shè)備之間的干涉，并未將末端執(zhí)行器、生產(chǎn)零件、機器人三者之間的關(guān)系考慮其中。生產(chǎn)線優(yōu)化布局，應(yīng)將取件消耗時間作為基礎(chǔ)，完成工業(yè)機器人設(shè)計與布局，并對其運行軌跡進行優(yōu)化。如果沒有考慮機器人在抓取過程，零件尺寸對于生產(chǎn)線布局、機器人行走軌跡產(chǎn)生的影響，就會影響生產(chǎn)效率。實際上，在工業(yè)生產(chǎn)線上，機器人碰撞、抓取零件尺寸均與設(shè)計布局有關(guān)，也和軌跡優(yōu)化存在直接關(guān)聯(lián)。由于傳統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)計方法忽略了機器人、執(zhí)行器、零件三者之間碰撞問題，所以，難以對其抓取零件的最大化尺寸展開優(yōu)化。鑒于此，本研究從以上布局缺陷角度出發(fā)，選擇鈦合金熱形成自動化生產(chǎn)線的取件系統(tǒng)作為對象，利用仿真軟件、計算軟件完成建模，進行碰撞檢測與可視化分析，設(shè)計出機器人自動取件系統(tǒng)，優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)線布局。該生產(chǎn)線生產(chǎn)零件的尺寸為1.5m×3.5m，單獨零件質(zhì)量在50kg之以內(nèi)，要求工位機器人抓取時間間隔在120s以內(nèi)，末端的抓取精度誤差2mm內(nèi)，生產(chǎn)線設(shè)備適應(yīng)性良好，能夠和各類型號熱成型機相適應(yīng)，滿足大曲率的零件抓取需求[1]。

二、自動生產(chǎn)線工業(yè)機器人布局方案

（一）末端執(zhí)行器

末端執(zhí)行器通過真空吸盤夾取裝置連接，裝置具有柔性化特征，可應(yīng)用于鈦合金零件的熱形成領(lǐng)域。因為生產(chǎn)工況環(huán)境高溫，需要使用末端執(zhí)行器進行夾取。工業(yè)機器人在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用，應(yīng)該保證其荷載發(fā)揮到極致，同時，還需控制取件環(huán)節(jié)碰撞問題的發(fā)生，保證夾取裝置和工業(yè)機器人的法蘭盤距離最小。

（二）流程設(shè)計

在自動化生產(chǎn)線當(dāng)中，工業(yè)機器人取件流程是根據(jù)零件規(guī)格大小、取件方法等完成流程設(shè)計。小型零件厚度0.5～1.0mm，長寬0.4m×0.3 m，質(zhì)量介于0～8kg間，曲率在0.1之內(nèi);中型零件厚度0.5～2.0mm，長寬0.4m×0.3 m～2.6m×1.2m，質(zhì)量介于8～30kg間，曲率在0.15之內(nèi);大型零件厚度0.5～3.0mm，長寬2.6m×1.2m～3.5×1.5m，質(zhì)量介于30～50kg間，曲率在0.1之內(nèi)。取件方法有兩種，一是正面取件，二是側(cè)面取件。正面取件主要用于中小型的零件，先將其抬起，之后圍繞第1軸，將零件旋轉(zhuǎn)90°，置于零件臺。利用側(cè)方取件，可先將零件抬高300mm，之后向外平移，圍繞第5軸進行旋轉(zhuǎn)180°，之后置于零件臺。

（三）選擇機器人

工業(yè)機器人的選型應(yīng)該重點考慮執(zhí)行器的質(zhì)量（G）、零件質(zhì)量（D）、機器人荷載（P）三方面內(nèi)容，還需要將執(zhí)行器重心到機器人軸距（X）考慮其中。具體設(shè)計過程，因為機器人夾具的零件相對較大，所以，當(dāng)其遠離底座的時候，也應(yīng)該具備較高荷載，X也是工業(yè)機器人選型重要限定條件。按照（C+D）·X≤0.5P公式進行計算，利用軟件驗證。按照零件尺寸、取件方法對于工業(yè)機器人的臂長進行選擇，并計算機器人能夠達到最遠距離，結(jié)合荷載選擇型號，確定自動生產(chǎn)線布局。小、中型件選擇正面取件方式，分別選擇KR90 R2700和KR220 R3100型機器人，大型件選擇側(cè)方區(qū)間方式，選擇KR210 R3100型機器人[2]。

三、自動生產(chǎn)線工業(yè)機器人布局優(yōu)化策略

生產(chǎn)線的優(yōu)化布局利用仿真實驗完成，將機器人模型向仿真系統(tǒng)當(dāng)中導(dǎo)入，并為其添加運動副，對機器人從1軸到6軸的運動進行定義，之后導(dǎo)入執(zhí)行器模型，建立執(zhí)行器工具坐標。機器人的第6軸法蘭綁定工具法蘭，并在工具上設(shè)立中心點，按照生產(chǎn)系統(tǒng)布局布置物料臺、零件臺等。向中心點來添加運動軌跡，完成機器人運行線路方針，展開碰撞檢測。如果發(fā)生碰撞，可能會出現(xiàn)紅色區(qū)域，此時需要對規(guī)劃路線進行優(yōu)化與調(diào)整，之后重新仿真實驗，通過驗證后，優(yōu)化機器人的運動軌跡，對其工位動作節(jié)奏進行調(diào)節(jié)，提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

結(jié)束語：通過上文對于機器人、末端執(zhí)行器、生產(chǎn)零件之間的碰撞問題展開分析，從而建立差異化的取件流程。在自動化生產(chǎn)線當(dāng)中，應(yīng)明確工業(yè)機器人尺寸、零件質(zhì)量和大小之間產(chǎn)生的約束關(guān)系，利用系統(tǒng)完成碰撞檢測，快速尋找適合自動生產(chǎn)線工業(yè)機器人使用的布局方案，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域零件的自動化取件，優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率。

參考文獻：

[1]黃卓.工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線布局設(shè)計與優(yōu)化[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2016.

[2]楊波.加工中心改造工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線的研究與設(shè)計[J].報刊薈萃：下， 2018（4）：1.