基于工業(yè)機(jī)器人的渦旋壓縮機(jī)智能生產(chǎn)線的設(shè)計

蘇建 黃程 史添升 徐前 屠一凡

摘要：為提高渦旋壓縮機(jī)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度，設(shè)計了一種融合2臺工業(yè)機(jī)器人、3臺數(shù)控機(jī)床的智能生產(chǎn)線。首先，構(gòu)建了包含數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、PLC、工業(yè)視覺等設(shè)備的智能生產(chǎn)線硬件系統(tǒng);然后，提出了 PLC控制工業(yè)機(jī)器人實現(xiàn)高效作業(yè)的優(yōu)化方法;最后，設(shè)計了兩套工業(yè)機(jī)器人多功能末端工具，并對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行示教與編程，實現(xiàn)動渦旋和靜渦旋生產(chǎn)作業(yè)。實驗表明，該系統(tǒng)平均每170 s可生產(chǎn)2個動渦旋和2個靜渦旋，質(zhì)量檢測正確率高，生產(chǎn)效率高，符合實際生產(chǎn)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;渦旋壓縮機(jī);工業(yè)視覺;智能生產(chǎn)線

中圖分類號：TP242.2???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）12-0108-04????????????????????????? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Design of Intelligent Production Line for Scroll Compressor Based on Industrial Robot

Su Jian ，Huang Cheng ，Shi Tiansheng ，Xu Qian ，Tu Yifan

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Suzhou Vocational University， Suzhou， Jiangsu 215104， China）

Abstract： In order to improve the processing efficiency and production accuracy of scroll compressor， an intelligent production line was designed， which integrated two industrial robots and three CNC machines. Firstly， the hardware system of intelligent production line including CNC machines， industrial robots， PLC ， industrial vision and other equipment was constructed. Then， the optimization method of PLC control industrial robot was proposed. Finally， two sets of multi-functional industrial robot end tools were designed， and the industrial robot was taught and programmed to realize the production of moving scroll and static scroll. The test results show that the system can produce 2 moving vortices and 2 static vortices per 170 s， with high quality detection accuracy and high production efficiency. The system is in line with the actual production application.

Key words： industrial robot; scroll compressor; industrial vision; intelligent production line

0 引言

壓縮機(jī)是將低壓氣體提升為高壓氣體的一種從動的流體機(jī)械，是制冷系統(tǒng)的“心臟”，空調(diào)最核心的部件是壓縮機(jī)，一臺壓縮機(jī)可以占到整臺空調(diào)成本的30%～40%，制冷系統(tǒng)的好壞與壓縮機(jī)有著最密切的關(guān)系。壓縮機(jī)廣泛運用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、醫(yī)療器械等行業(yè)，市場需求量巨大。渦旋壓縮機(jī)是一種容積式壓縮的壓縮機(jī)，壓縮部件由動渦旋和靜渦旋組成，它兼具往復(fù)壓縮機(jī)與旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的優(yōu)點，具有體積小、重量輕、噪聲振動低及結(jié)構(gòu)簡單等特點[1-2]。

當(dāng)前，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為發(fā)展方向的智能制造迎來了深刻變革，逐漸成為新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動力。工業(yè)機(jī)器人作為智能制造中智能裝備的典型代表，已在汽車、3C等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。搬運控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的一個重要分支，作為先進(jìn)制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段[3]。由于人口紅利漸弱，原材料成本提升，“機(jī)器換人”成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提高科技含量、增加產(chǎn)品附加值的必然趨勢。

當(dāng)前，壓縮機(jī)的生產(chǎn)還停留在數(shù)控機(jī)床獨立批量加工為主，部分產(chǎn)線雖實現(xiàn)了“一機(jī)床、一機(jī)器人”的工作站單元[4-5]，但是生產(chǎn)與檢測效率還不夠高。集合加工、檢測、分揀于一體的多機(jī)器人、多機(jī)床的智能生產(chǎn)線優(yōu)化控制方案較少。本文構(gòu)建了集 PLC 、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、比對儀、壓襯套機(jī)、打磨拋光機(jī)于一體的多功能、高效率的渦旋壓縮機(jī)智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)?；诠I(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，提出了的 PLC 控制工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)化算法，設(shè)計了兩套工業(yè)機(jī)器人多功能末端夾具，實現(xiàn)渦旋壓縮機(jī)的先進(jìn)制造、快速檢測、高效生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

為了提高動、靜渦旋盤生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，本文設(shè)計了一套渦旋壓縮機(jī)智能生產(chǎn)系統(tǒng)。

1.1 設(shè)備選型

S7-1200PLC 具有一個集成的支持 MODBUS-TCP 協(xié)議的 PROFINET網(wǎng)口，能夠?qū)?PLC、工業(yè)機(jī)器人和視覺系統(tǒng)建立關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信與交互[6]。本系統(tǒng)選用西門子 PLC、HMI 和康耐視工業(yè)視覺，與 FANUC機(jī)器人進(jìn)行以太網(wǎng)通信。設(shè)備選型清單如表1所示。

1.2 系統(tǒng)布局

如圖1～2所示，渦旋壓縮機(jī)智能生產(chǎn)線主要由工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、物料輸送帶、工業(yè)視覺、比對儀、壓襯套機(jī)、打磨拋光機(jī)等組成。其中工業(yè)機(jī)器人主要實現(xiàn)渦旋壓縮式動渦旋盤（下文簡稱動盤）和靜渦旋盤（下文簡稱靜盤）的搬運和機(jī)床上下料;物料輸送帶由變頻器驅(qū)動三相交流電動機(jī)控制、在關(guān)鍵節(jié)點位加裝到位傳感器（多采用接近開關(guān)）組成，完成托盤的輸送;工業(yè)視覺用于檢測動盤和靜盤的角度、位置;比對儀測量機(jī)由比對儀、工件滑臺、移送機(jī)構(gòu)組成，完成在線加工尺寸測量，及加工誤差反饋;數(shù)控機(jī)床主要進(jìn)行大、動盤加工;壓襯套機(jī)主要將軸襯套壓入動盤偏心軸套內(nèi);打磨拋光機(jī)主要對動盤基準(zhǔn)面進(jìn)行精拋光。

1.3 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

渦旋壓縮機(jī)智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示，其中西門子 PLC、HMI 和變頻器選用西門子產(chǎn)品自帶的PROFI-NET 通信協(xié)議，工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)、比對儀通過安裝相應(yīng)的 GSD 文件后實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)通信。 CNC1、CNC2、CNC3、壓襯機(jī)和打磨拋光機(jī)通過開關(guān)量方式進(jìn)行控制。

2 視覺檢測與 PLC程序設(shè)計

2.1 視覺檢測

工業(yè)視覺系統(tǒng)是指通過工業(yè)相機(jī)把圖像抓取并傳送至處理單元，通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，來進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別。孫躍軍[7]、江浩[8]、于帥[9]、吳安成[10]已成功將視覺系統(tǒng)應(yīng)用于壓縮機(jī)的檢測與定位。

由于原料在輸送帶輸送過程可能存在角度或位置偏移，造成機(jī)器人物料抓取偏差，影響機(jī)床的加工精度。本系統(tǒng)中，在機(jī)器人抓取半成品原料前，利用工業(yè)視覺對動盤和靜盤進(jìn)行區(qū)分，并且正確識別位置和角度，以便機(jī)器人正確可靠抓取原料。

基于康耐視視覺及 VisionPRO軟件對動盤和靜盤圖像進(jìn)行灰度處理、二值化處理和模板匹配，獲取動、靜盤的X 方向像素為427.12和482.07，Y方向像素為348.50和407.84，工件偏移角度為-2.71和2.93，并將特征數(shù)據(jù)發(fā)送給 PLC ，如圖4所示。

2.2? PLC與機(jī)器人通信

S7-1200PLC為本系統(tǒng)主控單元，實現(xiàn)整個生產(chǎn)加工流程的控制、數(shù)據(jù)交互、機(jī)器人動作的控制。其中， PLC與兩臺工業(yè)機(jī)器人通過以太網(wǎng)通信，實時發(fā)送給兩臺工業(yè)機(jī)器人控制字 CTR1和 CTR2，同時兩臺工業(yè)機(jī)器人又實時反饋給 PLC兩個狀態(tài)字 STA1和 STA2，實現(xiàn)一個 PLC控制兩臺工業(yè)機(jī)器人的搬運動作流程。如圖5所示為 PLC 與 Robot1通信程序，? Robot1的 IP 為192.168.8.40， PLC 發(fā)送給 Robot1的4個節(jié)數(shù)據(jù)存放在 DB45中， Robot1發(fā)送給 PLC 的4個節(jié)數(shù)據(jù)存放在 DB46中。PLC與 Robot2通信程序類似，不再贅述。

2.3 PLC主控程序流程

PLC程序流程如圖6所示，PLC發(fā)送給兩臺工業(yè)機(jī)器人的控制字如表2所示。

3 工業(yè)機(jī)器人示教編程

3.1 機(jī)器人末端工具設(shè)計

Robot1末端工具為兩套三指手爪和一套二指手爪，如圖7所示。手爪1和手爪2配備旋轉(zhuǎn)氣缸，可以旋轉(zhuǎn)工件，三指手爪外夾工件頂端外圓面，配氣動推盤，可以為車床及比對儀上下料，手指前段為耐磨墊塊結(jié)構(gòu)（墊塊材料12Cr ，硬度大于或等于 HRC45）。夾取工件的圓柱外側(cè)面，該手爪配備氣控單向閥保證斷氣手爪不松開。手爪1進(jìn)行托盤上取料和機(jī)床上料，手爪2進(jìn)行機(jī)床下料。手爪3為二指手爪，可以進(jìn)行托盤下料。末端工具上配備有吹氣裝置，用于清理工件及機(jī)床卡盤。

Robot2末端工具有4種手爪，如圖8所示。手爪1為三指手爪，配備氣動推盤，可以為車床上料，手爪2為兩指形式，為車床下料和拋磨機(jī)、比對儀、清理鐵屑臺上下料。手指前段的夾塊為 V 型結(jié)構(gòu)，夾取工件的工件的小圓柱側(cè)面。手爪3為內(nèi)撐形式的三指手爪，手指上配備尼龍墊塊，內(nèi)撐軸承工件內(nèi)孔，且配備調(diào)壓閥。手爪4為壓機(jī)上下料及托盤下料手爪，該手爪配備氣控單向閥保證斷氣手爪不松開工件不會掉落[11-12]。

3.2 機(jī)器人抓取位置的計算

例如 P0為機(jī)器視覺中心，如式（1） 所示，同時也是機(jī)器人示教基準(zhǔn)位置，其中 X0、Y0、Z0為機(jī)器人 TCP 點（末端工具中心點）的位置數(shù)據(jù)，RX0，RY0，RZ0為機(jī)器人 TCP點的姿態(tài)數(shù)據(jù)。ΔX、ΔY為視覺檢測處理后發(fā)送給 PLC的物料中心偏移位置，分別與 X0、Y0代數(shù)和即可得到機(jī)器人實際抓取物料的位置，如式（2） ～ （3） 所示;Δα為視覺檢測后的物料角度數(shù)據(jù)，與 RZ0代數(shù)和即可得到機(jī)器人實際抓取物料的角度姿態(tài)，如公示4所示。通過ΔX、ΔY、Δα四個數(shù)據(jù)的代數(shù)和計算，得到當(dāng)前物料實際吸持位置為 P1，如式（5）所示。

3.3 機(jī)器人關(guān)鍵位置示教

根據(jù)加工流程與工藝要求，Robot1共有7個靜盤工件的搬運動作，需要示教11個關(guān)鍵位置;Robot1共有8個動盤搬運動作和2個靜盤搬運動作，需要示教17個關(guān)鍵位置。兩臺機(jī)器人的搬運動作流程、控制字和示教關(guān)鍵位置如表2～3所示。

3.4 工業(yè)機(jī)器人程序

Robot1主程序 MAIN 如下所示，其中 GO[1]為機(jī)器人發(fā)送給 PLC的狀態(tài)字 STA1，GI[1]為 PLC發(fā)送給機(jī)器人的控制字 CTR1：

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了基于工業(yè)機(jī)器人的智能生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，設(shè)計了兩套多功能工業(yè)機(jī)器人末端夾具，利用工業(yè)視覺系統(tǒng)正確檢測動盤和靜盤的位置，提高了機(jī)器人抓取物料的精度和機(jī)床加工精度，最后基于工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速交互與實現(xiàn)了壓縮機(jī)高效生產(chǎn)方法。測試證明，靜盤雙車床單元節(jié)拍是76 s/件，動盤車床拋光壓制單元節(jié)拍85 s/件，即170 s可生產(chǎn)2個靜盤工件及2個動盤工件，實現(xiàn)渦旋壓縮機(jī)的先進(jìn)制造、快速檢測、高效生產(chǎn)。

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第一作者簡介：蘇建（1982-），碩士研究生，高級講師，研究領(lǐng)域為工業(yè)機(jī)器人及機(jī)器視覺技術(shù)。???? （編輯：刁少華）