柔性生產線機器人組裝單元設計研究

陳清

摘 要：在科學技術創(chuàng)新發(fā)展的驅動下，柔性生產線已經成為企業(yè)實現可持續(xù)發(fā)展的重要手段。柔性生產線屬于多單元組合系統(tǒng)，由供料單元、加工單元、輸送單元、組裝單元等多模塊構成。本文從設計需求、基礎結構、工作原理、機器人結構、機器人運動控制等方面入手，就柔性生產線機器人組裝單元設計進行了簡要分析，以推動機器人在柔性生產線中的運用，保證柔性生產線組裝單元安全運行。

關鍵詞：柔性生產線;機器人;組裝單元;系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP242文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0013-03

Abstract： Driven by the development of science and technology innovation， flexible production line has become an important means for enterprises to achieve sustainable development. Flexible production line is a multi unit combination system， which is composed of feeding unit， processing unit， conveying unit， assembly unit and other modules. From the aspects of design requirements， infrastructure， working principle， robot structure and robot motion control， this paper briefly analyzed the design of robot assembly unit in flexible production line， so as to promote the application of robot in flexible production line and ensure the safe operation of assembly unit in flexible production line.

Keywords： flexible production line;robot;assembly unit;system design

柔性生產線通常由自動加工系統(tǒng)、信息控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、物流系統(tǒng)等構成，具有設備利用率高、生產能力穩(wěn)定、運行靈活安全、生產制造質量高、應變能力強、動作準確率高等優(yōu)勢。目前，其已成為制造業(yè)實現可持續(xù)發(fā)展的重要手段。在柔性生產線中，機器人組裝單元是基礎單元，也是重點單元，其運行與控制能直接影響柔性生產線工件裝配質量和效率，且關系著成品生產質量。因此，有必要加強柔性生產線機器人組裝單元設計，提升智能水平，充分發(fā)揮其在企業(yè)現代化建設與創(chuàng)新發(fā)展中的積極作用，更好地助力中國制造。

1 柔性生產線機器人組裝單元的設計需求分析

基于機器人的柔性生產線自動化水平較高，屬于綜合型智能生產系統(tǒng)。通常情況下，可將柔性生產線分為供料單元、傳動單元、加工單元、組裝單元、倉儲單元等多個模塊，實現工件出料、加工、分揀、搬運、裝配、存儲等一體化全自動操作。其運行流程主要為：供料單元將生產所用工件置于料倉中，當傳感器檢測到料倉中的工件后，頂料氣缸按照系統(tǒng)設定頂住供料并將其推出至出料臺，當出料臺檢測到工件之后，頂料氣缸發(fā)起縮回運動，出料臺上的工件在傳動帶驅動下運行至加工單元，完成對工件的加工處理，加工完畢后，經機械手臂抓取進入分揀單元，檢測合格的工件由機器人跟蹤運輸兵搬運至裝配單元，機器人根據工件信息完成工件裝配，不合格工件則由機器人搬運至廢物回收處，等待后續(xù)處理[1]。裝配完成后，工件送至倉庫存儲。在整個過程中對機器人控制具有嚴格要求，為達到柔性生產線機器人控制要求，確保柔性生產線運行安全、穩(wěn)定與可靠，在設計機器人組裝單元時，控制系統(tǒng)需要具備工件識別、坐標測量、機器人運動控制等功能，保證機器人能準確識別工件位置、工件盒子位置;準確抓取工件、工件盒子蓋子;將工件精準放置到組裝位進行組裝操作;成品抓取、擺放;組裝完成后回歸原位，做好后續(xù)組裝準備。

2 柔性生產線機器人組裝單元基本結構與工作原理分析

根據柔性生產線工作流程可知，機器人組裝單元的工作過程具體為“盒子工位識別—工件盒有效抓取—組裝位確定—工件盒準確放置—工件分揀跟蹤—合格工件抓取—工件放置組裝位—盒蓋抓取—組裝位蓋好盒子蓋子—成品抓取—成品放置倉儲位—機械手臂回歸原位”[2]。根據機器人組裝單元設計要求，并結合機械手臂工作內容，本研究設計機器人組裝單元共由兩部分構成。一是上料部分，主要由氣缸、傳感器、料倉等構成。在實踐運行過程中，料庫能將工件盒與工件蓋推送至取料臺，取料臺配有傳感裝置，可檢測工位是否存在工件盒或蓋，如工位為空位，推料氣缸將從料庫中推送工件盒或蓋。二是組裝部分，主要由氣缸、傳感器、組裝臺、坐標測量系統(tǒng)等構成。在實踐運行過程中，機器人運行到取料臺上方后，抓取料臺上的工件盒或蓋，并將其搬運到裝配臺上;工件跟蹤傳感器被觸發(fā)之后，機器人將運行至工件分揀跟蹤抓取等待位置，將工件搬運至裝配臺工件盒對應位置;機器人夾起工件蓋將其蓋到工件盒上，完成工件組裝，并將成品搬運至倉庫進行存儲后回到初始位置。

3 柔性生產線組裝單元機器人結構設計

基于機器人研發(fā)能力的不斷提升，機器人已經被廣泛運用于工業(yè)生產制造各環(huán)節(jié)中，如工件搬運、工件分揀、工件組裝、工件檢測、工件裝卸等。在本研究中，考慮到機器人任務需求，確定機器人的結構形式為“機械手臂”，其工作范圍超過550 mm，在電子制造領域、機械制造領域、醫(yī)療制造領域等柔性生產線中均具有較強適應性與實用性。

3.1 機械手臂的動力源設計

在柔性生產線機器人組裝單元中，機械手臂的正常工作需要強有力的動力源支持。目前，在柔性生產線中，電氣動力源、氣壓動力源、液壓動力源、機械動力源是較為常見的機器人動力源。對比分析各種動力源輸出動力、響應性、動作速度、控制能力（見表1）可知，液壓動力源較為符合柔性生產線機器人組裝單元設計需求。因此，本研究將機器手臂驅動方式確定為液壓驅動。為保證整體結構的美觀性，動力元件置于機械手臂內部。因此，在動力元件選擇上，不僅需要考慮其輸出轉矩，而且需要考慮其尺寸大小、質量輕重。

3.2 機械手臂手部結構設計

通常情況下，機械手臂由兩部分構成，即機械手與機械臂，而機械手又可分為機械大臂、機械小臂、機械腕等多個部分。具體需要根據各部分操作要求進行設計。既有研究發(fā)現，工業(yè)生產中，機器人所夾取工件多為圓柱體工件，而“V”形結構的手爪能最大限度地抓緊工件。與此同時，“V”形手爪適用于多種類型工件。因此，以“V”形手爪為本次機械手臂手爪類型。在機械手設計過程中，要求其能準確完成抓、放動作。因此，需要根據抓放工件屬性，分析機械手負載重量，完成強度、剛度、夾取范圍等參數設置。通常情況下，要求機械手的夾緊力是所夾取工件的22～25倍，具體數據需要結合機械手爪大小、作用點等信息進行計算確定。以機械手對工件的夾緊力為例，首先需要對柔線生產線組裝單元運行情況與設計要求有全面了解，確定安全系數[k1]值、機械手爪工況情況系數[k2]值、方位系數[k3]值以及工件所受重力[G]，并根據公式（1）計算夾緊力（[FN]）：

[FN=k1×k2×k3×G] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

一般而言，[k1]值在1.2～2.0，[k2]值可根據工件搬運時重力方向的最大上升加速度、重力加速度等進行評估，[k3]值則根據手爪形狀以及夾持工件進行估算。假設工件質量為70 kg，[k1]值取1.2，[k2]值取1.08，[k3]值取4，重力加速度為9.8 m/s2，帶入公式（1）則[FN]=1.2×1.08×4×70×9.8=3 556 N。

3.3 機械手臂臂部結構設計

在機械手臂臂部結構設計時，腕部設計最為重要。腕部位于機械手臂與手部連接處，其性能的好壞直接決定機器人的運動功能。因此，在進行腕部設計時，需要嚴格遵循以下幾點：①結構緊湊，即位于腕部的驅動裝置、執(zhí)行裝置應密切關聯;②結構質量輕，即腕部結構空間有限，且涉及的裝置較多，故需要充分考慮各裝置質量，以輕、小為主;③密封性強，即在保證腕部結構靈活的同時，做好密封工作，增強機器人運行安全水平;⑤環(huán)境適應性強，即機械手腕的回轉運動、擺動運動應適應柔性生產組裝單元工作環(huán)境[3]。

4 柔性生產線組裝單元機器人運動控制

4.1 運動控制方式設計

機器人運動控制方式眾多，需要根據具體要求進行選擇。在柔性生產線組裝單元，機器人對搬運、夾取要求較高，可通過點位或連續(xù)軌跡等方式控制。而控制設計中，PLC為核心所在，做好其選型工作至關重要。隨著近年來對PLC研究的不斷深入，其已經從數字邏輯控制發(fā)展為集過程控制、運動控制、數據控制等功能于一體的裝置，性能得到大幅度提升。目前，PLC種類較多，如何合理選擇PLC成為柔性生產線機器人組裝單元設計的重點問題之一。對比分析三菱PLC、匯川PLC、通用PLC、西門子PLC等，發(fā)現三菱PLC在柔性生產線機器人組裝單元控制系統(tǒng)中具有較為理想的應用效果，不僅能滿足系統(tǒng)對PLC功能、性能的需求，而且能降低制造成本，獲取更好的經濟效益。因此，本研究選用三菱PLC為控制系統(tǒng)核心單元。在進行機器人組裝單元電氣控制系統(tǒng)設計時，根據PLC控制要求，確定輸入信號三種，包括啟動信號、停止信號以及復位信號;輸出信號四種，分別為控制信號、報警信號、脈沖輸出信號以及開關量輸出信號;檢測信號若干。

4.2 運動控制方案設計

機器人運動控制是本次設計關注的重點問題，運動控制的有效性直接關系機器人組裝單元運行的安全性與穩(wěn)定性。根據機器人工作過程可知，在系統(tǒng)啟動之后，機器人的機械手臂運動軌跡為“原位（0）—抓取盒子（1）—組裝（2）—抓取工件（3）—組裝（2）—抓取蓋子（4）—組裝（2）—成品放置（5）—原位（0）”[4]。根據機器人抓放需求，設計運動控制系統(tǒng)時，選用混合式六線高性能步進電動機（如BS57HB56-03）與等角度恒力矩細分型高性能步進驅動器（如Q2HB68MC）。BS57HB56-03步進電動機，額定功率為150 W，額定電壓在12～40 V，保持力矩達到0.9 N·m，可有效滿足機器人在X軸上的運動。三洋企業(yè)生產的Q2HB68MC步進驅動器在六線或八線二相混合式步進電機中具有較強實用性，能滿足步進電機各種場合控制需求，其驅動電流在0.5～6 A。BS57HB56-03步進電動機與Q2HB68MC步進驅動器以及PLC控制信號的連接方式如圖1所示。

5 結語

機器人組裝單元是柔性生產線的重要組成部分，對系統(tǒng)控制具有較高要求。本文根據機器人組裝單元設計需求，結合柔性生產線運行特征，設計了一種基于PLC控制的機器人組裝單元控制系統(tǒng)，有效滿足工件裝配各模塊運行與控制要求，確保了機械手臂運動精準、到位。

參考文獻：

[1]王元生，朱璟，王其松.機器人制造單元自動裝卸控制系統(tǒng)設計[J].機床與液壓，2020（15）：62-65，71.

[2]李有兵，林勇.柔性生產線智能控制系統(tǒng)設計[J].機電工程技術，2018（12）：102-105，208.

[3]白蕾，張小潔，侯偉.基于工業(yè)機器人的智能生產線設計與開發(fā)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2018（3）：69-72.

[4]任永杰，尹仕斌，邾繼貴.面向現代柔性制造的工業(yè)機器人高精度控制方法[J].航空制造技術，2018（5）：16-21.