基于工業(yè)機(jī)器人的“智能制造”柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃忠仕 梁彬彬

（百色職業(yè)學(xué)院，廣西 百色 533000）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人智能制造柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)具有較高的產(chǎn)品價(jià)值，其可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域中。目前，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展速度快，且應(yīng)用能力強(qiáng)，可以說是目前最“流行”的機(jī)器人。制造工業(yè)機(jī)器人是為了保障工人的安全，全面引入工業(yè)機(jī)器人可有效降低疾病率、提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人可連續(xù)高效地運(yùn)作，其可應(yīng)用于分揀、存儲(chǔ)等場景中。大量的工業(yè)機(jī)器人投入運(yùn)作，使我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但我國在相關(guān)領(lǐng)域中的起步時(shí)間晚，發(fā)展水平遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家。通過三菱RV-2SD六自由度工業(yè)機(jī)器人與RFID數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行融合，對(duì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，可實(shí)現(xiàn)倉儲(chǔ)管理、優(yōu)化機(jī)器結(jié)構(gòu)。

1 智能生產(chǎn)線控制要求

智能生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)，先由傳感器檢測是否具有適合的工件，當(dāng)檢測到有合適的工件后，四個(gè)工件料庫根據(jù)之前設(shè)定的程序進(jìn)行工件推出，此時(shí)直線傳輸帶和環(huán)狀傳輸帶開始進(jìn)行運(yùn)作。環(huán)狀傳輸帶會(huì)把對(duì)應(yīng)的工件運(yùn)輸?shù)胶线m位置，RFID檢測單位會(huì)對(duì)其進(jìn)行檢測，然后PLC控制器開始運(yùn)行，其會(huì)在RFID傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)中，收集處理工件的信息，之后便通過一系列的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，查看是否滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

在合格的工件到達(dá)直線傳輸帶后，根據(jù)傳感器的觸發(fā)，將工件搬運(yùn)到相應(yīng)的位置，根據(jù)工件的信息裝配到裝配臺(tái)的工件位置中，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器的收取。如果檢測到工件是不合格的工件，機(jī)器人就要將其搬運(yùn)到廢品回收筐中，此時(shí)要開始下一個(gè)循環(huán)，對(duì)新的工件進(jìn)行檢測，檢測其符合標(biāo)準(zhǔn)后，智能機(jī)器人開始分揀，直到工件盒可完整組合，機(jī)器人組合后將其儲(chǔ)存。

2 智能生產(chǎn)線硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是以三菱RV-3SD六自由度工業(yè)機(jī)器人為核心，包含三菱PLC控制系統(tǒng)、RFID數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以及直線輸送單位、工具組裝單位、立體倉庫等套件。

2.1 三菱RV-3SD六自由度工業(yè)機(jī)器人

三菱RV-3SD六自由度工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)（見圖1）由機(jī)器人本體、示教裝置、機(jī)器人控制器和終端執(zhí)行器組成，機(jī)器人端部執(zhí)行器包括吸盤、夾具、量具、噴槍等，可進(jìn)行抽吸、抓取、測量、弧焊等操作。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

本研究選用的是三菱FX3U可編程控制系統(tǒng)，包括數(shù)字?jǐn)U展模塊、模擬控制模塊、通信模塊，通過實(shí)時(shí)反饋來對(duì)各種情況進(jìn)行分析。

2.3 RFID數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）是通過閱讀器和標(biāo)簽之間的非接觸式數(shù)據(jù)通信來實(shí)現(xiàn)識(shí)別實(shí)際目標(biāo)。RFID的應(yīng)用非常廣泛，典型的應(yīng)用有汽車防盜器、停車場開關(guān)和物料的運(yùn)輸。

無線射頻識(shí)別技術(shù)作為自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，是通過無線射頻來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的，其核心是快速信息接觸和存儲(chǔ)技術(shù)，通過無線通信結(jié)合數(shù)據(jù)訪問技術(shù)的方式來連接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，加強(qiáng)實(shí)現(xiàn)非接觸式的雙向通信，最終實(shí)現(xiàn)相互識(shí)別的目的，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和交換，從而構(gòu)建出一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。在具體的識(shí)別模式中，用電磁波技術(shù)來完善電子標(biāo)簽的讀寫和通信，根據(jù)傳輸距離可分為近場和遠(yuǎn)場。近年來，RFID技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多種場景中，如多種移動(dòng)終端中，從而推動(dòng)RFID技術(shù)與智能終端無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的融合。

2.4 四工位供料單元

四工位的供料系統(tǒng)是由丼式爐、退料氣缸、頂料氣缸、光電傳感器組成，其可將工件庫中的工件依次推出到環(huán)形傳輸線上，并提供不同編碼的標(biāo)準(zhǔn)工件，還能檢測出編號(hào)缺失、顏色不同等問題。

2.5 輸送單元

2.5.1 環(huán)形輸送單元。交流調(diào)速系統(tǒng)是由變頻器、三相交流電動(dòng)機(jī)、傳送帶、傳感器等部件組成的，可對(duì)傳輸工件進(jìn)行分析。

2.5.2 直線輸送單元。直線速度控制系統(tǒng)由直流電機(jī)、速度控制器和編碼器組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的抓取。

2.6 立體倉庫單元

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，自動(dòng)化立體倉庫廣泛應(yīng)用于航空、軍事工業(yè)、汽油石化、金融和冶金等領(lǐng)域，其在我國倉儲(chǔ)領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位。自動(dòng)化立體倉庫采用計(jì)算機(jī)分級(jí)控制管理，可實(shí)時(shí)顯示更新數(shù)據(jù)圖像和實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，自動(dòng)化程度達(dá)到新高度。自動(dòng)化立體倉庫通過PLC系統(tǒng)來控制三維運(yùn)動(dòng)叉車。在三維叉車上安裝定位芯片，可通過總控制臺(tái)來控制叉車的運(yùn)行，包括緊急制動(dòng)等動(dòng)作。當(dāng)位置尋跡控制結(jié)束后，升降臺(tái)開始運(yùn)行。由總控制臺(tái)通過牽引芯片來實(shí)現(xiàn)升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)收到指令后升降臺(tái)開始運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定庫位時(shí)升降臺(tái)就停止運(yùn)動(dòng)。取放貨物后，叉車待下一次命令，如果5 s內(nèi)沒有新指令，三維叉車就會(huì)自動(dòng)返回原點(diǎn)待命。

通過PLC編程來控制啟動(dòng)按鈕，從而實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止。在進(jìn)行操作前，如果選擇手動(dòng)模式，先啟動(dòng)手動(dòng)模式，即可進(jìn)行手動(dòng)操作；如果選擇自動(dòng)模式，可直接按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開始運(yùn)作。PLC輸出X脈沖用來控制X軸的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，通過X軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)X軸步進(jìn)電機(jī)的往返。PLC輸出Y脈沖用來控制Y軸的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，通過Y軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)Y軸步進(jìn)電機(jī)的上升和下降。PLC輸出Z軸正轉(zhuǎn)和Z軸反轉(zhuǎn)脈沖來控制繼電器，繼電器通過控制接觸器來啟動(dòng)Z軸電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)三維叉車的伸叉和縮叉。PLC輸出狀態(tài)指示燈用于顯示是否有控制信號(hào)接入PLC。

3 柔性生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 柔性生產(chǎn)線總體布局

在柔性生產(chǎn)線的具體流程中，本著節(jié)約勞動(dòng)力的原則，在全面多角度地滿足產(chǎn)品加工需求的同時(shí)，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行完善，優(yōu)化柔性生產(chǎn)線的布局。項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能制造生產(chǎn)線是由兩臺(tái)數(shù)控車床以及數(shù)控加工中心、上料機(jī)構(gòu)、輸送線、中轉(zhuǎn)臺(tái)、設(shè)備控制體系、視覺系統(tǒng)組成。工業(yè)機(jī)器人采用行走軌道的安裝方式，將其放置在數(shù)控機(jī)床中，主要負(fù)責(zé)最后的取料工作[1]。

3.2 柔性生產(chǎn)線重要部件

自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)毛坯件的自動(dòng)上料，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)

全自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)由取料機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)依靠工作臺(tái)中的伺服電機(jī)和減速齒輪來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，其擁有8個(gè)工位，每個(gè)工位擁有1個(gè)導(dǎo)柱，可一次性穿刺18個(gè)零件。取料機(jī)構(gòu)可通過電機(jī)和滾珠進(jìn)行上下移動(dòng)，螺母安裝在取料臺(tái)上，取料的工業(yè)機(jī)器人手指由氣缸進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，且取料臺(tái)中有視覺系統(tǒng)，可檢測實(shí)際位置[1]。

4 智能生產(chǎn)線軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 流程設(shè)計(jì)

PLC主要用于對(duì)工件下達(dá)相應(yīng)的裝配任務(wù)指令，工件編號(hào)順序?yàn)?、2、3、4，工件的高度較低，如圖3所示。對(duì)PLC裝配任務(wù)進(jìn)行保存管理，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)性的裝配模式。

圖3 流程設(shè)計(jì)

上電后先按復(fù)位鍵3 s，系統(tǒng)開始復(fù)位操作，此時(shí)六自由度的機(jī)器人進(jìn)入初始位置，然后實(shí)際指示燈開始閃爍，按下開啟鍵。此時(shí)，如果機(jī)器人已來到出臺(tái)料正上方，工件盒就會(huì)進(jìn)入3號(hào)裝配臺(tái)系統(tǒng)中，之后機(jī)器人會(huì)回到出料臺(tái)繼續(xù)等待，直到檢測到下一個(gè)出料盒后，重復(fù)之前的動(dòng)作。

工業(yè)機(jī)器人先運(yùn)行到工件盒出料臺(tái)上方，接著將出料臺(tái)上的工件盒搬到2號(hào)裝配臺(tái)上，工業(yè)機(jī)器人回到工件盒出料臺(tái)上方進(jìn)行等待，如果檢測到工件盒，就進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，重復(fù)上述操作。

工件料庫檢測到有工件后，4個(gè)料庫按照設(shè)定的相應(yīng)時(shí)間順序推出1個(gè)工件，此時(shí)直線和環(huán)形傳送帶開始運(yùn)行，由RFID檢測單元進(jìn)行檢測。如果工件檢測結(jié)果是合格的話，在其到達(dá)直線傳送帶后，傳感器啟動(dòng)，進(jìn)行工件的吸取操作，并將工件搬運(yùn)到相應(yīng)的裝配位置，根據(jù)相關(guān)信息進(jìn)行裝配，之后重復(fù)上述動(dòng)作。如果檢測到不合格工件，就將其轉(zhuǎn)移走。

被分時(shí)推出的下一個(gè)工件達(dá)到RFID檢測位置時(shí)，先進(jìn)行檢測，然后工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行重復(fù)操作，直到所有工件都安裝好。安裝完成后，機(jī)械手會(huì)平放于倉庫中，并使用傳感器檢查倉庫中有無產(chǎn)品。當(dāng)產(chǎn)品順利進(jìn)入倉庫后，控制系統(tǒng)對(duì)倉庫內(nèi)的產(chǎn)品數(shù)量進(jìn)行檢測，防止兩個(gè)產(chǎn)品放在同一個(gè)倉庫中。

最后，當(dāng)所有成品都順利入庫后，機(jī)器人會(huì)回到初始位置，并重復(fù)上述步驟。

4.2 程序設(shè)計(jì)

對(duì)于程序設(shè)計(jì)（見圖4），主要有以下3個(gè)方面。

圖4 程序設(shè)計(jì)

4.2.1 對(duì)工件裝配流程進(jìn)行編程。通過編程仿真軟件對(duì)工件裝配流程進(jìn)行開發(fā)，可通過PLC下載口與PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，對(duì)工件裝配進(jìn)行自定義編輯，并可直接傳輸?shù)絇LC中。對(duì)每個(gè)組別中的工件盒，4個(gè)工位都要設(shè)定自身的工件模式，具體的分辨模式需要根據(jù)編號(hào)、顏色、大小等進(jìn)行選擇，并結(jié)合PLC程序?qū)ρb配流程進(jìn)行分析。

4.2.2 通過RFID自身攜帶的讀寫軟件進(jìn)行相應(yīng)的分析和操作。具體包括讀寫控制和讀寫停止、初始化分析、數(shù)據(jù)寫入分析以及數(shù)據(jù)讀取等，見圖5。

圖5 讀取錄入

4.2.3 機(jī)器人仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行調(diào)試和分析，具體方式有在線和離線兩種。在進(jìn)行調(diào)試時(shí)，打開機(jī)器人的編程軟件進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制，選擇在線，程序?qū)崿F(xiàn)運(yùn)作和操作，使用PLC進(jìn)行控制，之后進(jìn)行校準(zhǔn)，傳輸給機(jī)器人后，電機(jī)RUN實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)作。

5 結(jié)語

本研究將PLC與變頻器、傳感器、電機(jī)與電氣控制、機(jī)器人等進(jìn)行融合，以RV-3SD六自由度工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)分揀、識(shí)別、跟蹤、抓取、處理和存儲(chǔ)等功能，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、專業(yè)集成、高工程實(shí)踐和智能化。