基于工業(yè)機器人的全自動上下料系統(tǒng)設(shè)計與應用

王曉東，楊 嬌，付 強，徐國新

(遼寧科技學院 工程訓練中心，遼寧 本溪 117004)

自1962年世界上第一臺工業(yè)機器人Unimate(通用機械臂)問世至今，經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，眾多機器人品牌開始應用于軍事和工業(yè)生產(chǎn)中，最為突出的是FANUC、KUKA、ABB和安川電機，被稱為工業(yè)機器人“四大家族”，其市場占有率總和為50%以上[1]。工業(yè)機器人在焊接、噴涂、涂膠、碼垛、運輸、上下料等工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中應用較多，其具有運行速度快、操作精準、一次調(diào)試便可持續(xù)使用的優(yōu)勢，在提高生產(chǎn)效率方面尤為突出[2]。此外，由于工業(yè)生產(chǎn)中有較多的安全隱患，如噴漆操作和焊接操作對人體傷害較大，因此工業(yè)機器人在降低人體操作風險方面有重要的意義。文章將以往采用人工上下料的生產(chǎn)過程，改造為使用FANUC工業(yè)機器人全自動上下料[3]的生產(chǎn)模式，以提升本條生產(chǎn)線的自動化水平，降低人工生產(chǎn)風險和人力成本。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)為總裝生產(chǎn)線系統(tǒng)，使用一臺FANUC工業(yè)機器人完成壓縮機工件的搬運。通過觸摸屏選擇，可實現(xiàn)工業(yè)機器人對不同種類工件的搬運作業(yè)；通過控制柜中的啟動按鈕/停止按鈕控制生產(chǎn)線和工業(yè)機器人的運行/停止；通過控制柜中的緊急停止按鈕實現(xiàn)緊急情況下的生產(chǎn)線及急停操作；通過工業(yè)機器人操作區(qū)域門處的限位開關(guān)實現(xiàn)安全互鎖，確保生產(chǎn)線和工業(yè)機器人運行過程中，操作區(qū)域內(nèi)無人進入，當安全門開啟后，自動生產(chǎn)線及工業(yè)機器人均停止運行，其效果與緊急停止按鈕一致(如圖1)。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)中自動上下料部分所使用的工業(yè)機器人為設(shè)計重點，選用FANUC-M710iC/50工業(yè)機器人，其控制軸數(shù)為6軸，腕部負載能力可達到50 kg，重復精度為±0.07 mm，運動范圍為2 050 mm。

2 任務過程描述

設(shè)計中工業(yè)機器人全自動上下料系統(tǒng)工作任務是為焊接機A和焊接機B焊接進行送料和取料。如圖2為一個循環(huán)內(nèi)的機械手和壓縮機移動路徑示意圖。圖中，①至⑩為機械手臂和壓縮機移動軌跡，黑色實心圓圈代表壓縮機，其上面的英文標識為在執(zhí)行第①步前的各工件位置情況；圖中工作區(qū)域內(nèi)左側(cè)為FANUC工業(yè)機器人，中間為托板輸送線，右側(cè)分別為焊接機A工作位和焊接機B工作位。為盡量加快壓縮機的焊接速度，采用2個焊接機同時焊接的方式，其工作順序如下：

圖2 一個循環(huán)內(nèi)的機械手和壓縮機移動路徑示意圖

①托板輸送線將待焊接的壓縮機工件移動至工業(yè)機器人手爪待抓取位置；

②工業(yè)機器人手爪移動至壓縮機工件X上方，并將其抓起；

③手爪將壓縮機工件X移動至焊接機A工作區(qū)域的定位夾具處，等待定位操作；

④隨后手爪移動至焊接機器人B的定位夾具處，將上一循環(huán)中已經(jīng)焊接完畢的壓縮機工件Y取出，并移動至托板輸送線原壓縮機工件X位置，將Y放下；與此同時，焊接機A的定位夾具處對工件X執(zhí)行定位操作，且焊接機B對上一循環(huán)中的壓縮機工件Z進行焊接操作；

⑤焊接機A區(qū)域的定位夾具進行旋轉(zhuǎn)，將壓縮機工件X移動至待焊接區(qū)，與上一循環(huán)中已經(jīng)焊接完畢的壓縮機工件U位置互換，等待夾取操作；

⑥托板輸送線繼續(xù)向前移動，將下一個壓縮機物料V移動至手爪待夾取區(qū)域；

⑦工業(yè)機器人手爪移動至壓縮機工件V上方，并將其抓起；

⑧手爪將壓縮機工件V移動至焊接機B工作區(qū)域的定位夾具處，等待定位操作；

⑨隨后手爪移動至焊接機器人A的定位夾具處，將壓縮機工件U取出，并移動至托板輸送線原壓縮機工件V位置，將U放下至原V料托位置。與此同時，焊接機B的定位夾具處對工件V執(zhí)行定位操作，且焊接機A對壓縮機工件X進行焊接操作；

⑩焊接機B區(qū)域的定位夾具進行旋轉(zhuǎn)，將壓縮機工件V移動至待焊接區(qū)，與上一循環(huán)中已經(jīng)焊接完畢的壓縮機工件Z位置互換，等待夾取操作。

至此，一個循環(huán)結(jié)束，通過料托輸送線、工業(yè)機器人、焊接機A和B、夾具定位和旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的緊密配合，高效率地完成了壓縮機工件的焊接及運送任務。

3 FANUC工業(yè)機器人初始化程序設(shè)計

工業(yè)機器人編程方式包括離線編程和在線編程兩種方式[4]。本設(shè)計為了現(xiàn)場調(diào)試方便，采用TP示教器在線編程方式，對現(xiàn)場工業(yè)機器人的各功能程序進行編程并對各位置點進行示教。

工業(yè)機器人在運行前必須進行初始化工作，設(shè)計中的FANUC工業(yè)機器人初始化工作包含：用戶坐標設(shè)置、工具坐標設(shè)置、I/O信號重置、Z軸補償重置、設(shè)置全局速度以及機器人復位至原點。

其關(guān)鍵初始化操作程序如下：

UFRAME_NUM=0；

UTOOL_NUM=1；

CALL IO_RESET；

CALL Z_OFFSET；

OVERRIDE=30%；

J P[1:HOME]100% FINE。

工業(yè)機器人的用戶坐標一般設(shè)置為大地坐標，由于工業(yè)機器人本體正向垂直安裝于地面之上，其大地坐標與基坐標重合，并定義為用戶坐標；工具坐標是對工業(yè)機器人使用的工具進行坐標設(shè)置，以實現(xiàn)工具的線性移動，完成各壓縮機工件抓取位置點的手動示教工作。設(shè)計中的工具采用三爪式抓取工具，實現(xiàn)對圓柱形壓縮機工件的抓取與放置。

4 觸摸屏設(shè)計

觸摸屏[5]界面圖片如圖3所示。其中(a)為上蓋焊機系統(tǒng)主界面圖；(b)為監(jiān)控界面選擇；(c)為線體控制界面；(d)為產(chǎn)量統(tǒng)計界面；(e)為程序選擇界面；(f)為歷史報錯界面。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

5 系統(tǒng)實用效果分析

基于工業(yè)機器人的全自動上下料系統(tǒng)的設(shè)計方案，完成了自動上下料生產(chǎn)線的硬件搭建和軟件程序調(diào)試，實現(xiàn)了圖4的運行控制方式，其控制效果如組圖4所示。(a)為工業(yè)機器人手爪抓取焊接機A區(qū)域的壓縮機工件；(b)為工業(yè)機器人在托板物料帶上抓取壓縮機工件；(c)為工業(yè)機器人手爪抓取焊接機B區(qū)域的壓縮機工件；(d)為工業(yè)機器人手爪將壓縮機工件運送至料托中。

(a)

(b)

(c)

(d)

通過實際運行結(jié)果，與以往人工上下料相比，在一個工作時段內(nèi)，物料運送效率提高至少40%以上，壓縮機工件運送到位率為100%，工件掉落率為0%?？梢?，將工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線中的核心運送設(shè)備，大大提高了總裝生產(chǎn)線的運行效率，并且避免了以往手工運輸?shù)墓ぜ袈淝闆r，有效地提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)論

基于工業(yè)機器人的全自動上下料系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，實際運行效果驗證了該自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計的有效性。經(jīng)過對實際運行效果的分析，得出了該條自動化生產(chǎn)線可以提高總裝生產(chǎn)線運行效率，同時也為該行業(yè)中基于工業(yè)機器人的自動上下料自動化相關(guān)系統(tǒng)提供有效的參考。