機(jī)器人拆垛工作站的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

謝高蘭， 陳廣文， 白躍品

（1.長沙智能制造研究總院有限公司，長沙 410205；2.中聯(lián)重科股份有限公司，長沙 410205；3.中煤科工集團(tuán)上海有限公司，上海 200241）

0 引言

在全球都在推進(jìn)智能制造、各個(gè)行業(yè)都在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級、自動(dòng)化設(shè)備替代人的大背景下，受我國過去人口紅利的影響，目前鈦錠、鋁錠等有色冶煉行業(yè)自動(dòng)化設(shè)備互聯(lián)互通程度不高，主要是依靠單工位自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)為主，尤其在工件原材料的拆垛上料和成品的碼垛下料方面主要依賴人工作業(yè)，未做到連線生產(chǎn)?，F(xiàn)在人口老齡化嚴(yán)重和人工成本增加等問題，要求企業(yè)降本增效和提高產(chǎn)品的競爭力，對產(chǎn)業(yè)升級需求日趨強(qiáng)烈[1-8]。

通過對客戶現(xiàn)場現(xiàn)狀分析、梳理和再造生產(chǎn)流程，本文設(shè)計(jì)一套鈦錠物料機(jī)器人拆垛工作站系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了工作站的布局和定制的取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)。工作站通過視覺識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鈦錠物料的精確定位，進(jìn)而通過驅(qū)動(dòng)定制的取放料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鈦錠物料的自動(dòng)抓取、自動(dòng)搬運(yùn)、自動(dòng)放置。同時(shí)工作站在系統(tǒng)集成方面實(shí)現(xiàn)了爐料倉內(nèi)鏈軌移動(dòng)就位信號和托盤放置就位信號的互聯(lián)互通，做到與生產(chǎn)線的聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)，在有色冶煉行業(yè)中具備可推廣性和復(fù)制性，給類似工程項(xiàng)目提供參考。

1 目前現(xiàn)狀

目前國內(nèi)有色冶煉行業(yè)熔煉爐在上料方面主要依賴人工作業(yè)，熔煉爐前端的鈦錠物料的上料現(xiàn)狀總結(jié)如下：1）現(xiàn)場鈦錠物料的規(guī)格（長×寬×高）為580 mm×380 mm×200 mm，單塊質(zhì)量約為145 kg；物料搬運(yùn)主要是通過5 人/班配合，2人在棧板側(cè)先將1塊鈦錠物料的一頭抬起，塞入吊帶，然后將鈦錠物料的另一頭抬起，塞入吊帶，再通過1個(gè)人利用橋式起重機(jī)進(jìn)行搬運(yùn)，當(dāng)物料吊到熔煉爐料倉內(nèi)鏈軌移動(dòng)就位的托盤放置，由2人負(fù)責(zé)卸載；2）現(xiàn)場實(shí)行3班制，每班8 h，配合熔煉爐的24 h連續(xù)熔鑄生產(chǎn)。人工結(jié)合橋式起重機(jī)的上料比較耗時(shí)，效率不高，而且工人勞動(dòng)強(qiáng)大；物料擺放比較凌亂，工作環(huán)境粉塵比較多，而且熱量輻射較大，環(huán)境溫度較高；物料搬運(yùn)過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)物料脫落的情況，而且上料位置靠近人行通道，不時(shí)有工作人員通過，存在安全生產(chǎn)隱患。

2 工作站的布局規(guī)劃

為了實(shí)現(xiàn)鈦錠物料的自動(dòng)上料功能，滿足客戶生產(chǎn)需求，生產(chǎn)車間規(guī)劃的機(jī)器人拆垛工作站布局如圖1所示。

圖1 機(jī)器人拆垛工作站布局圖

如圖2 所示，機(jī)器人拆垛工作站系統(tǒng)由5部分組成：1）機(jī)器人平臺(tái)。包括機(jī)器人本體、示教器及機(jī)器人控制柜。2）電氣控制系統(tǒng)。包括電氣控制柜及器件、現(xiàn)場檢測器件、視覺識(shí)別系統(tǒng)。電氣控制柜主要包括電氣控制器件、PLC及機(jī)器人控制柜?，F(xiàn)場檢測器件包括安全開關(guān)、取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的檢測限位、測距傳感器、接近開關(guān)、聲光報(bào)警器。視覺識(shí)別系統(tǒng)包括攝像機(jī)及鏡頭，主要用于確定物料的具體位置。3）取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)。包括定制的專用夾具、氣動(dòng)控制系統(tǒng)，主要通過夾緊和松開兩個(gè)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)物料的抓取、搬運(yùn)和放置。4）安全防護(hù)裝置。包括現(xiàn)場安全防護(hù)欄和區(qū)域安全傳感器。安全防護(hù)欄起到物理安全隔離作用，區(qū)域安全傳感器在工作站運(yùn)轉(zhuǎn)或緊急停止時(shí)可防止機(jī)器人臂意外碰觸到操作范圍以內(nèi)的設(shè)備或操作人員的危險(xiǎn)事故發(fā)生。5）其他輔助裝置。包括機(jī)器人底座、安置底座、托盤及輔助工裝等組成，主要負(fù)責(zé)固定機(jī)器人和安放物料。

圖2 機(jī)器人拆垛工作站的組成

3 工作站的工藝流程

目前鈦錠機(jī)器人拆垛工作站工藝如圖3所示。

圖3 機(jī)器人拆垛工作站工藝圖

整個(gè)工作流程簡述如下：1）人工將裝有鈦錠物料的托盤轉(zhuǎn)運(yùn)至指定區(qū)域的固定位置，檢測確認(rèn)托盤到位及現(xiàn)場安全后啟動(dòng)機(jī)器人拆垛工作站系統(tǒng)。2）在機(jī)器人拆垛工作站電氣控制系統(tǒng)作用下，機(jī)器人將取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)移至物料安放區(qū)域并停止，工作站通過取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的視覺識(shí)別系統(tǒng)和激光測距系統(tǒng)對鈦錠物料進(jìn)行精確定位[9-10]。3）精確定位信息反饋給工作站電控系統(tǒng)，工作站控制系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)機(jī)器人和取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成物料自動(dòng)抓取、自動(dòng)搬運(yùn)和自動(dòng)放置。4）機(jī)器人拆垛工作站完成1塊鈦錠物料的抓取、搬運(yùn)和放置等動(dòng)作后回到初始狀態(tài)并繼續(xù)下1塊鈦錠的拆垛。當(dāng)1整垛鈦錠物料拆垛完，工作站系統(tǒng)會(huì)通過傳感器檢測缺料信息，發(fā)出聲光報(bào)警，提示工作人員進(jìn)行換1垛操作，繼續(xù)下1垛鈦錠物料的拆垛。5）假如機(jī)器人拆垛工作站遇到故障停止工作且取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)正處于搬運(yùn)過程中，則需人工干預(yù)，控制機(jī)器人將物料放置于故障處理工位上，待排除故障后重新啟動(dòng)工作站即可。

4 取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖4所示，機(jī)器人拆垛工作站系統(tǒng)中定制的取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含氣缸一和活動(dòng)臂、執(zhí)行主架和雙耳環(huán)安裝座、測距傳感器及其安裝板、視覺識(shí)別系統(tǒng)護(hù)罩、機(jī)器人連接件、氣缸二和護(hù)勾、接近傳感器及其安裝板、氣缸三和插銷和視覺識(shí)別系統(tǒng)及其安裝支架。取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作流程總結(jié)如下：1）當(dāng)裝滿物料的托盤轉(zhuǎn)運(yùn)至指定區(qū)域的固定位置且防護(hù)系統(tǒng)確定工作環(huán)境安全后，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動(dòng)至托盤物料安放區(qū)域并停止，視覺識(shí)別系統(tǒng)確定物料的具體擺放位置，并反饋給電氣控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人姿態(tài)做出相應(yīng)調(diào)整。2）當(dāng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)接近物料，測距傳感器實(shí)時(shí)反饋距離，到達(dá)預(yù)設(shè)位置后，機(jī)器人停止動(dòng)作，取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的氣缸一驅(qū)動(dòng)活動(dòng)臂完成對物料的夾緊，傳感器檢測確認(rèn)物料的夾緊狀態(tài)。當(dāng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)將被夾緊的物料提起一段距離并停止，取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的氣缸二驅(qū)動(dòng)護(hù)勾完成對物料的防墜保護(hù)，并通過氣缸三驅(qū)動(dòng)插銷對護(hù)勾進(jìn)行機(jī)械限位鎖定。3）當(dāng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)將被夾緊的物料移動(dòng)至擺放區(qū)域并停止，取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的氣缸三驅(qū)動(dòng)插銷解除對護(hù)勾的機(jī)械限位鎖定，氣缸二驅(qū)動(dòng)護(hù)勾解除對物料的防墜保護(hù)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)將被夾緊的物料擺放至對應(yīng)擺放位置并停止，氣缸一驅(qū)動(dòng)活動(dòng)臂完成對物料的釋放，至此機(jī)器人驅(qū)動(dòng)取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成物料的一次全過程抓取、搬運(yùn)和放置。機(jī)器人再次驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置移動(dòng)至物料安放區(qū)域并停止，繼續(xù)下一次抓取、搬運(yùn)和放置任務(wù)。

5 實(shí)踐驗(yàn)證

上述解決方案在某企業(yè)進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，通過跟蹤統(tǒng)計(jì)機(jī)器人拆垛工作站系統(tǒng)12個(gè)月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析得出工作站物料搬運(yùn)良品率在99.99%以上，實(shí)現(xiàn)了單班節(jié)省4人，單位每年可節(jié)省百萬元以上的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)器人拆垛工作站系統(tǒng)現(xiàn)場如圖5所示。

6 結(jié)語

機(jī)器人拆垛工作站是進(jìn)行有色冶煉行業(yè)智能制造改造的重要應(yīng)用，隨著有色冶煉產(chǎn)業(yè)的不斷升級、降本增效，對機(jī)器人拆垛工作站的需求越來越旺盛。機(jī)器人拆垛工作站是一種高自動(dòng)化集成度的系統(tǒng)，它通過視覺識(shí)別系統(tǒng)完成物料的自動(dòng)尋找并準(zhǔn)確定位標(biāo)識(shí)物料位置，提高定位精度，并通過機(jī)器人驅(qū)動(dòng)定制的取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成物料的抓取、搬運(yùn)和取放，整個(gè)過程無需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)作業(yè)生產(chǎn)。

圖4 取放執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖5 機(jī)器人拆垛工作站現(xiàn)場圖