機器人生產(chǎn)線布局與實踐應用分析

摘要：隨著“中國制造2025”的提出，智能制造已經(jīng)成為我國制造業(yè)轉型升級的重要方向，并不斷朝著柔性智能制造系統(tǒng)的方向發(fā)展。鑒于此，針對企業(yè)軸類產(chǎn)品自動上下料作業(yè)的需求，以組建軸類智能自動上下料生產(chǎn)線為目標，通過整合PLC控制技術、傳感器技術、機器視覺檢測技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、制造執(zhí)行系統(tǒng)技術等各種新技術，對生產(chǎn)線各組成單元進行選型組合設計和調(diào)試優(yōu)化，實現(xiàn)生產(chǎn)線的上下料一體化控制。實踐驗證表明，該智能生產(chǎn)線系統(tǒng)結構穩(wěn)定可靠、操作簡單、工藝合理，大大提高了上下料效率，保證了生產(chǎn)的順利進行，具有一定的實用價值。

關鍵詞：工業(yè)機器人;自動焊接;控制系統(tǒng)

0 ? ?引言

目前，智能制造新技術與數(shù)控技術的融合應用發(fā)展迅速，并積累了大量豐富的實踐經(jīng)驗。智能生產(chǎn)線設計需要在符合產(chǎn)品工藝流程要求的基礎上，對工業(yè)機器人、數(shù)控機床和相關工裝夾具進行科學布局，通過聯(lián)網(wǎng)組線形成一體，同時借助PLC控制檢測技術和制造執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)實時分析技術，實現(xiàn)一體化設計加工，最終以其精確的空間定位、靈活性、自動化檢測、安全可靠、上下料質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點大大提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，促進企業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由此，本文基于實踐背景，以企業(yè)實際需求為導向，提出了以軸類產(chǎn)品為基礎的自動上下料機器人生產(chǎn)線設計，旨在解決某企業(yè)傳統(tǒng)上下料生產(chǎn)線生產(chǎn)力不足、產(chǎn)品質(zhì)量難以保證等問題。

1 ? ?自動上下料生產(chǎn)線的需求分析

根據(jù)企業(yè)發(fā)展需要，結合實地調(diào)研情況，為提升生產(chǎn)能效，某企業(yè)引進自動上下料智能產(chǎn)線，通過自動化生產(chǎn)，降低人力成本和工作強度，實現(xiàn)大批量加工，以期避免因操作人員個人誤操作而發(fā)生安全事故，提高企業(yè)自動化生產(chǎn)、機械化作業(yè)水平，并有效提升企業(yè)形象。

為滿足企業(yè)生產(chǎn)需求，科學合理地設計基于工業(yè)機器人和數(shù)控機床應用技術的智能制造生產(chǎn)線成為企業(yè)目前亟待完成的任務。本研究主要基于實際生產(chǎn)需求，借助數(shù)字孿生和計算機等技術的發(fā)展，實現(xiàn)對智能生產(chǎn)線施工前的檢驗，以提高生產(chǎn)線設計方案的可行性、可靠性和合理性。

設計需求：制訂基于機器人的自動上下料工藝，加工過程中各工序功能的實現(xiàn)由控制系統(tǒng)自行調(diào)節(jié)完成，保證材料自動上下料的動作定位迅速準確、結構盡量簡單緊湊，同時確保工位生產(chǎn)節(jié)拍的一致性;注重人機工程學，考慮工人操作方便性，有效降低工人工作強度;考慮企業(yè)未來發(fā)展需求，根據(jù)企業(yè)提供的布局，盡可能結合企業(yè)現(xiàn)有資源進行生產(chǎn)線布局設計，同時生產(chǎn)線需要留有改善的空間，提高生產(chǎn)線環(huán)境適應能力，方便日后維修或結合企業(yè)發(fā)展添加新功能。

2 ? ?上下料生產(chǎn)線系統(tǒng)組成和工藝流程

本項目的銑扁位自動化生產(chǎn)線是針對甲方企業(yè)軸類產(chǎn)品上下料作業(yè)所設計，由1臺臥式銑床（甲方提供）、1臺上下料機器人（RB08）、2個上料倉、1套抓手共同構成實用、可靠的自動化生產(chǎn)線。本方案還可以在生產(chǎn)同一工件時，拓展成為一臺機器人服務兩臺加工機床，生產(chǎn)能力約120 s/件（單臺機床），場地布置不小于4 000 mm×4 200 mm，產(chǎn)品生產(chǎn)過程不適應機器人自動化作業(yè)時，可以按照企業(yè)要求做可行的修改，以滿足自動化生產(chǎn)需要，如更換成液壓或氣動卡盤，自動清理卡爪和頂尖的鐵屑，定期更換機床刀具，從而保證加工精度。

2.1 ? ?加工工藝分析

銑軸加工是按照設計圖樣要求進行毛坯工件的加工，結合設計精度和質(zhì)量要求，本工件需要在銑床上進行加工，因此，本生產(chǎn)線設計方案主要采用1臺臥式銑床（甲方提供）和1臺上下料機器人（RB08），同時借助上料倉配置的視覺系統(tǒng)實現(xiàn)工件的自動識別和翻轉。機器人抓手采用平移氣爪的抓取方式，雙抓手結構，可實現(xiàn)機床的快速換料。另外，該生產(chǎn)線以MES制造執(zhí)行系統(tǒng)為核心，借助PLC控制技術、數(shù)字孿生和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)智能制造，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制。

2.2 ? ?工藝流程的制訂

作為自動化生產(chǎn)線設計的基礎，科學制訂工藝流程是整個生產(chǎn)線高效運轉的重要保障。本生產(chǎn)線的工藝流程是設計人員通過與需求企業(yè)技術人員進行有效溝通而制訂。另外，設計人員還重點結合銑軸加工技術要求、加工精度、銑軸工件在加工過程各工序之間導向定位和信號檢測所需工藝節(jié)拍、企業(yè)生產(chǎn)布局特點等因素進行綜合考慮，最終完成整套工藝流程的制訂。具體工藝流程如下：1料倉取料→2換位緩沖→3變換抓取位置→4機床換料→5換位緩沖→6變換抓取位置→7放回上料位置→抓取下一個工件。加工過程中不斷重復以上流程，如圖1所示。

3 ? ?布局設計

在充分考慮物流優(yōu)化后系統(tǒng)單元的選擇和組合基礎上，通過結合企業(yè)提供的車間特點，根據(jù)車間結構特征和工藝約束進行合理布局，最終不僅滿足生產(chǎn)的基本功能，還能確保在系統(tǒng)和布局上節(jié)約成本，且生產(chǎn)工藝過程連續(xù)、合理、緊湊，適應多種類、多規(guī)格材料上下料要求。其布局圖如圖2所示。

本生產(chǎn)線布局中料倉采用陣列型放料，料倉每次可放置約144個毛坯，可保證每次上料連續(xù)生產(chǎn)4.8 h，兩個料倉可以連續(xù)生產(chǎn)9.6 h，具體細節(jié)在結構設計時細化。機器人取料加工完成后，放回上料位，再抓取下一個，逐排順序抓取，料倉一全部加工完成，自動跳到料倉二抓取工件。此時，人工可更換料倉一工件。

機器人可分為機械系統(tǒng)（手腕、手臂、執(zhí)行器等）、驅(qū)動系統(tǒng)（電機、液壓、氣壓等）、控制系統(tǒng)（開環(huán)/閉環(huán)）、感知系統(tǒng)（位置檢測、機器視覺等）。根據(jù)項目需求，本方案選用RB08機器人，包含機器人底座、傳感裝置、機器手爪和夾具等組成部分，如圖3所示。RB08有效負載為8 kg，重復定位精度為±0.05 mm，運動半徑為1 389 mm，最大允許的扭矩J4為14 N·m、J5為12 N·m、J6為7 N·m。本方案設計RB08機器人抓手采用平移氣爪的抓取方式，雙抓手結構，可實現(xiàn)機床的快速換料，電磁閥及傳感器控制，機器人自帶I/O與外圍設備進行信號交接。RB08機器人采用在線示教編程，實現(xiàn)與PLC有效通信，完成對軸類工件的上下料。同時，機器人與臥式銑床實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)，通過信號控制，實現(xiàn)對銑床安全門的開關和加工作業(yè)的啟停。

本生產(chǎn)線控制系統(tǒng)以MES為核心，實現(xiàn)了對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時、準確、全面采集。同時根據(jù)工藝流程進行模塊擴展，采用PLC模塊，正確配置I/O，通過示教器編制多種應用程序，滿足產(chǎn)品更新?lián)Q代及增加新產(chǎn)品的要求。

結合一天兩班制按工作16 h計算，一個月按26天計，在考慮機器定期維修保養(yǎng)、暖機以及準備刀具、毛坯、工件搬運等非生產(chǎn)工時后，根據(jù)本公司的經(jīng)驗及統(tǒng)計資料，本自動化加工單元的使用率約為0.823。單臺機床加工單元的產(chǎn)量如下：

日產(chǎn)量：16×3 600/120×0.823≈395件。

月產(chǎn)量：26×16×3 600/120×0.823≈10 271件。

如有兩臺加工機床，則產(chǎn)能可以翻倍。

4 ? ?結語

基于工業(yè)機器人的自動上下料生產(chǎn)線能夠有效控制工件質(zhì)量，使加工更加自動化和智能化。筆者結合自身實踐經(jīng)驗，介紹了基于工業(yè)機器人的軸類工件上下料智能生產(chǎn)線的設計，利用智能制造核心支撐軟件，實現(xiàn)智能制造的新模式，能為不同企業(yè)提供個性化定制智能服務。目前該生產(chǎn)線已成功應用于生產(chǎn)實踐中，且運行可靠穩(wěn)定，彌補了某企業(yè)在自動化加工領域的短板，大大提升了企業(yè)生產(chǎn)效率。

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收稿日期：2021-04-27

作者簡介：朱承群（1977—），男，福建漳平人，研究方向：機電一體化專業(yè)數(shù)控及機器人。