基于多機器人的不銹鋼盆生產(chǎn)線仿真設計 *

郝建豹，黃世光，李進陽，陸 榮

(廣東交通職業(yè)技術學院 工業(yè)機器人學院，廣東 廣州 510800)

0 引 言

工業(yè)機器人價格昂貴，目前自動化生產(chǎn)線應用機器人數(shù)量比較多，因此多機器人生產(chǎn)線建設普遍存在資金投入大，生產(chǎn)工藝復雜，現(xiàn)場調(diào)試工作量大、以及工藝及制造流程等問題，利用虛擬仿真技術可在虛擬環(huán)境中對機器人軌跡規(guī)劃、對生產(chǎn)過程、生產(chǎn)周期進行模擬與優(yōu)化[1-2]。目前虛擬仿真技術已成為機器人生產(chǎn)線組建的趨勢[3-6]。

筆者以模擬生產(chǎn)不銹鋼盆的機器人自動生產(chǎn)線為研究對象，利用三維建模軟件SolidWorks構(gòu)建生產(chǎn)線模型，并在RobotStudio虛擬環(huán)境中動態(tài)模擬生產(chǎn)線的運行過程，可預測生產(chǎn)線的運行狀態(tài)，驗證設備布局的合理性，評估生產(chǎn)效率，并為實體生產(chǎn)線的具體實施、運行、優(yōu)化提供依據(jù)。

1 生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)構(gòu)建

不銹鋼盆虛擬仿真系統(tǒng)的設計主要利用SolidWorks軟件設計好機器人末端執(zhí)行器、沖壓機、拋光機、激光打標機、卷邊機等三維模型，并導入到RobotStudio軟件的工作站中，按照加工工序布置模型位置，并在模型庫中導入IRB 1410、IRB 52、IRB 910SC、IRB 1520ID、IRB 260機器人，添加I/O信號再對導入的模型組件利用Smart組件實現(xiàn)動作，再通過編寫機器人程序示教點坐標最終實現(xiàn)仿真流程。構(gòu)建的生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)圖如圖1所示。在仿真中實現(xiàn)不銹鋼盆自動生產(chǎn)線的沖壓機和打磨機、激光打標機、卷邊機、加熱冷卻機的上下料、運轉(zhuǎn)和倉儲。

2 生產(chǎn)線運行模式

原材料進入傳送帶，經(jīng)傳送帶運行到指定位置，傳感器檢測到原材料給出信號，沖壓機上下料機器人接收到信號，沖壓機完成沖壓工藝，打磨機上下料機器人搬運沖壓完成產(chǎn)品至外部打磨機，完成后再友內(nèi)部打磨機打磨，卷邊機上下料機器人搬運打磨完成品至激光打印機，激光打印完成，機器人搬運至卷邊機進行卷邊，最后經(jīng)過淬火機、冷卻機，工序全部完成，生成成品不銹鋼盆。使用碼垛機器人進行碼垛，搬運至AGV小車，AGV小車檢測到裝有6個成品，AGV小車運行，卸貨后AGV小車返回。其連續(xù)生產(chǎn)運行模式具體如表1所列。

圖1 不銹鋼盆虛擬仿真生產(chǎn)線整體布局1.AGV小車 2.碼垛機器人 3.冷卻機 4.原材料供應倉 5.沖壓上下料機器人 6.沖壓機 7.加熱機 8.自動拋光機 9.外部拋光打磨上下料機器人 10.內(nèi)部拋光機器人 11.自動卷邊機 12.激光打標卷邊上下料機器人 13.激光打標機

表1 生產(chǎn)線連續(xù)運行模式

3 機器人手部及典型工作站設計

3.1 手部設計

此次仿真原材料為不銹鋼材料，其尺寸為直徑為32.64 cm，厚度0.20 cm的不銹鋼板，模擬不銹鋼盆具體尺寸如圖2所示。工業(yè)機器人手部的設計主要考慮的是工件的外形特點以及工件的吸取方式。因為原材料工件為不銹鋼板，這種材料表面比較光滑平整而且是薄板，所以適合使用氣吸附式末端執(zhí)行器來進行吸取。

考慮到生產(chǎn)線不同的工序需要以不同的姿勢吸取工件的不同的部位，因此生產(chǎn)線中設計并使用了了兩種不同的吸盤，一種是用來吸取原材料和不銹鋼盆底部，另一種是用來吸取不銹鋼盆的側(cè)表面，如圖3所示。

圖2 模擬生產(chǎn)不銹鋼盆圖

圖3 機器人手部坐標系

3.2 沖壓工作站

沖壓工作站主要由上下料機器人、沖壓裝置、模具等組成，具體如圖4所示。

圖4 沖壓機

當機器人將原材料送進沖壓機時，機器人回到安全原點，沖壓機的沖壓頭對原材料進行沖壓加工，能達到一次成型的效果，沖壓完成后，機器人取料到傳送帶上，即完成一次沖壓加工的步驟。

3.3 打磨拋光工作站

打磨拋光工作站的設計對于整條生產(chǎn)線是至關重要的，它決定著工件表面打磨的加工質(zhì)量。本站分為外部拋光裝置及內(nèi)部拋光打磨裝置，主要由磨具、磨床以及氣動夾具組合而成的，具體如圖5所示。通過機器人把半成品的不銹鋼盆夾取到工位上，將工件置于工位夾具上，由工位夾具牢牢固定工件，調(diào)整好拋光輪與工件的相對位置，調(diào)整完畢后通過人機界面輸入啟動各拋光輪的工作參數(shù)，啟動圓盤、工位旋轉(zhuǎn)按鈕，依次把工件放置在工件的夾具上，工件隨圓盤旋轉(zhuǎn)的同時，自身在工位上自轉(zhuǎn)，順序通過各組拋光輪進行拋光，當工件回到取放工件位置即完成一個工作循環(huán)，取下成品件再放上新的加工工件，依次循環(huán)往復工作即可。

圖5 外部/內(nèi)部拋光工作站

4 系統(tǒng)組件設計與編程

4.1 動態(tài)組件設計

為實現(xiàn)整條生產(chǎn)線的動態(tài)效果，主要通過添加Smart組件及創(chuàng)建機械裝置來實現(xiàn)。以自動拋光機為例，為模擬自動拋光機移動加工的動態(tài)效果，首先利用RobotStudio軟件的“Smart組件”功能新創(chuàng)建一個Smart組件和利用“創(chuàng)建機械裝置”功能設置自動拋光機的機械運動姿態(tài)。添加如圖6所示的Smart組件子對象組件。

圖6 自動拋光機Smart組件子對象組件

安裝組件Attacher和拆除組件Detacher可實現(xiàn)工件在拋光機的安裝與拆除，使工件隨機械的運動而運動，其中PoseMover子對象組件可以使沖壓機械運動到不同的姿態(tài)，并且可以使用信號來控制這些姿態(tài)，從而實現(xiàn)自動拋光機的動態(tài)效果。

自動拋光機Smart組件與外部是通過I/O信號來進行通訊的，在仿真下的工作站邏輯功能選項卡中把機器人的輸入/輸出信號分別與Smart中的輸出/輸入連接，從而實現(xiàn)機器人對自動拋光機的控制；而自動拋光機Smart組件其中的子對象組件之間是通過I/O連接來進行通訊的。

4.2 機器人程序編制

文中設計的不銹鋼盆自動生產(chǎn)線通過機器人相互協(xié)調(diào)工作的方式完成，以激光打標卷邊工作站機器人系統(tǒng)為例，在定義工具坐標系、工件坐標系、I/O信號、 Smart組件等完成后，就可以在PAPID中定義main主程序、rLaser激光打標程序，Crimp自動卷邊程序、rInitAll初始化程序等，以及示教目標點等，可以使搭建好的仿真生產(chǎn)線按照設計完成打標及卷邊，本站I/O信號如表2所列。

表2 激光打標卷邊工作站I/O信號分配表

本站機器人系統(tǒng)部分例行程序及邏輯關系如下:

PROC main()

rInitAll; !執(zhí)行初始化機器人程序

WHILE TRUE DO

IF di7 = 1 THEN

rLaser; !執(zhí)行激光打標程序

rCrimp; !執(zhí)行自動卷邊程序

ENDIF

ENDWHILE

ENDPROC

PROC rInitAll()

AccSet 50,80; !加速度設置

VelSet 50, 1000;!速度設置

Reset do40; !放下吸盤

Reset do41; !加熱冷卻停止

Reset do42; !激光打標停止

Reset do43; !卷邊機停止

MoveJ phome4, v1000, fine, tool0;

ENDPROC

5 生產(chǎn)線仿真

在此設計中，主要用機器人將物料從沖壓機里面取出搬運到輸送鏈上，進行傳送加工，完成物料的周轉(zhuǎn)。機器人在輸送鏈末端等待，產(chǎn)品到位后將其拾取，放置在AGV小車的托盤上面。碼垛作業(yè)一共搬運6個產(chǎn)品作為一個工作周期，若搬運的產(chǎn)品數(shù)量達到6個，將啟動AGV小車將裝載滿的物料運走，卸完貨返回，機器人回到等待位繼續(xù)等待，仿真結(jié)束，再進入下一個工作周期。

整條生產(chǎn)線由于不同工序加工時間不同或者單機器人負責雙工序的情況，可能導致流水線某個工序出現(xiàn)堆積材料的情況，通過不停調(diào)試，找到機器人的最佳運行速度，保證每個工序的實時效率。機器人示教每個點的位置后，進行多次仿真，經(jīng)優(yōu)化，碼垛機器人在368.2 s內(nèi)碼垛了6個成品，如圖7所示。

圖7 碼垛仿真效果圖

從原材料到成品，平均每個成品生產(chǎn)耗時61 s左右，相比于傳統(tǒng)人工生產(chǎn)就已經(jīng)具有更高的效率，還能保證每個產(chǎn)品的加工質(zhì)量，由此可見，該生產(chǎn)線是可行的。

6 結(jié) 語

根據(jù)不銹鋼盆生產(chǎn)工藝流程，在SolidWords和RobotStudio基礎上搭建了不銹鋼盆自動生產(chǎn)線模型，并創(chuàng)建了Smart動態(tài)邏輯組件，設計機器人程序。通過模擬仿真，達到了預期效果，但是多工業(yè)機器人在現(xiàn)實的生產(chǎn)線中，需要考慮的因素更多，如機器人與外圍設備的干涉等問題，對機器人的參數(shù)設置和其應用的要求會更高更嚴格。